首页 理论教育提高灌浆质量和安全的关键技术——劈裂式单孔全孔注浆

提高灌浆质量和安全的关键技术——劈裂式单孔全孔注浆

【摘要】:目前在坝体劈裂式灌浆中应用较多。孔底注浆全孔灌注是劈裂灌浆提高质量和保证坝体安全的重要技术措施。在堤坝灌浆时常遇到单孔吃浆量很大的情况,这不仅影响坝体安全,也影响坝体回弹,影响泥浆在坝体内排水固结等,在施工中应控制每次灌浆量,并采用多次复灌的方法。

(一) 钻孔

根据钻机钻进形式的不同,钻孔分为冲击式钻机钻孔和回转式钻机两种:①冲击式钻机可分为锥形钻头和半麻花钻头,适用于坝高在25m 以内的坝体;②回转钻机目前常用的有处理深度100m、150m、300m等立轴式液压回转钻机,适用于较高的坝体。

钻孔方法有干钻或泥浆循环钻进等。用泥浆循环钻进,泥浆的密度采用1.2g/cm3左右,这种方法的优点是成孔快,效果好,泥浆既能起固壁作用,又能渗入细小裂缝。目前在坝体劈裂式灌浆中应用较多。

钻孔的孔径取决于所采用的钻具,一般在25~130mm 之间。在灌浆时,孔径小的钻孔对泥浆所产生的摩擦阻力要大于孔径大的钻孔的摩擦阻力,因此,劈裂坝体所需的灌浆压力要大一些。值得注意的是,当坝体被劈开或裂缝扩展后,总进浆量并不受孔径大小的制约,而是受坝体内部应力大小和灌浆管长短的制约。

钻孔的深度应根据坝体内隐患深度而定,一般孔深应大于隐患深度2m。

(二) 制浆

1.制浆机械及制浆方法

坝体劈裂式灌浆主要用于灌注黏土泥浆。目前国内制造泥浆的机械多采用WJG80 型泥浆搅灌机或WJ100 型搅浆机。

制浆方法就是将干土料及清水按适当比例以适当速度连续均匀地从搅浆筒的一端进料口加入,土料从搅浆筒内经过连续高速搅打后,由于泥浆的旋转离心作用,经过另一端排浆口排至转筛内,经过筛选,细浆便流入拌浆筒内。

目前有干法和湿法两种制浆方法。

2.泥浆浓度的控制

在坝体灌浆中,需要根据存在的隐患及其性质来确定泥浆的浓度,这就要求在施工现场既准确而又方便地配置泥浆。

(1)干法制浆。

1)用水土比(1∶λ)控制泥浆浓度。1m3泥浆所需的干土量和水量,可按式 (12-12)计算

先确定要采用的泥浆密度ρ′,即可用式(11-13)算出配置1m3泥浆所需的干土量和水量。

(2)湿法制浆。目前,在坝体灌浆中多数采用湿法制浆。与干法制浆相比,湿法制浆具有节省人力、设备、时间、场地和简便等优点。湿法制浆就是用天然料场中的湿土(应经勘探取样试验后认为宜于用来灌浆的合格土料)直接倒入搅拌机中搅拌制浆。此时,泥浆浓度用式(12-14)进行控制

式中 gω——欲配泥浆的加水量,kg;

gs——用来拌浆的湿土量,kg;

k——加水系数;

λ——欲配泥浆的土水比;

ω——湿土的含水量,以小数计。

先确定要采用的水土比(1∶λ)之后,测出湿土的含水量,算出加水系数k 值,即可算出需加水量。

3.泥浆浓度的调配

在灌浆工作中,常根据不同的情况改变泥浆的浓度,以利于灌浆工作的进行及保证灌浆的质量。泥浆由浓变稀要加水,由稀变浓要加土。此时,可用式 (12-15)和式 (12 16)算出加水量和加干土量。

1m3浓泥浆变稀的加水量△Gω 为

1m3稀浆变浓的加干土量△Gs 为:

式中 λs、λ′s——浓、稀泥浆的土水比。

4.泥浆浓度的选用

在坝体灌浆中,常用的泥浆密度约在1.2~1.6g/cm3之间。密度在1.4g/cm3 以上的泥浆为浓浆,以下为稀浆。原则上,开始灌浆时用稀浆,待孔口压力突然下降或为负压后,则表明坝体被劈裂,需改用浓浆。实践表明这种先稀后浓的灌浆方法比较好。

泥浆浓度的选用还应根据坝体土料的性质、填筑质量的好坏以及坝内隐患的具体情况而定。例如,由粉质壤土或重粉质壤土填筑的坝,且其含水量和干密度又低,出现的裂缝又宽又长,则宜用稀浆灌注;若坝体土料为黏性土或粉质黏土,填筑质量符合设计要求,坝体的渗透系数小于10-5cm/s,对出现的裂缝进行灌浆则宜采用浓浆。

5.泥浆中掺附加剂

为了提高坝体灌浆效果,有时需要在泥浆中掺一些附加剂来改善泥浆的性能。

(三) 灌浆

1.灌浆方法

劈裂灌浆一般采用孔底注浆全孔灌注法。孔底注浆全孔灌注是劈裂灌浆提高质量和保证坝体安全的重要技术措施。灌浆机以一定的压力将浆液压入注浆管,浆液从管底流出,顺注浆管壁外侧向上流动。

在坝顶钻孔周围应设阻浆塞,浆液受到阻挡后,灌浆压力增高,当浆液压力大于坝体内某些土区的小主应力加单轴抗拉强度时,该土区即沿小主应力作用面劈开。

理论计算和实践都证明,坝体内约1/2 坝高处的小主应力最小,因此浆液首先在1/2坝高附近劈裂坝体,然后劈裂缝向坝体上部、下部及沿坝轴线方向发展。

2.灌浆工艺

(1)设阻浆塞或下护壁套管。灌浆前在钻孔上部设一定长度的阻浆塞或有些情况下用3~5m的护壁套管,可以防止孔口塌落,减少孔口冒浆,更重要的是使泥浆在坝体内处于封闭状态,推迟或防止坝顶表面劈裂,因而可以施加较大的灌浆压力,使浆液在坝体内劈开裂缝,达到“内劈外不劈”的目的。阻浆塞的长度可根据具体情况计算确定,也可采用1.5m的经验数据。

(2)压力控制。灌浆压力一般系指孔口压力表读数。在施工中,应设专人观测记录孔口压力,如果灌浆压力超过了设计压力,则应及时采取控制措施,如打开灌浆泵上或孔口设置的回浆阀门,减少输浆量,以维持设计压力。

(3)灌浆量控制。在堤坝灌浆时常遇到单孔吃浆量很大的情况,这不仅影响坝体安全,也影响坝体回弹,影响泥浆在坝体内排水固结等,在施工中应控制每次灌浆量,并采用多次复灌的方法。单孔灌浆量可以根据帷幕厚度、孔距、复灌次数等计算,也可采用实验或经验数值,采用每次单孔灌浆量在0.5m3/m左右。实灌中,不能按平均灌浆量控制,第一序孔灌浆量应占总灌浆量的60%以上。对于单孔吃浆量很大的钻孔,单孔灌浆量大的原因多是因坝体疏松质量很差引起的,有时也是由坝体内的漏水通道引起的,除应限制每次灌浆量,延长灌浆期外,每孔总的灌浆量不应限制。

(4)复灌间隔时间控制。复灌间隔时间主要由浆体的固结情况来确定,一般应待上一次灌入的浆液固结度达到90%以上时,再进行复灌。复灌间隔时间应以理论计算或以经验数字确定,初灌和前两次复灌一般以5d 左右为宜,随着复灌次数增加,坝体内浆体厚度也增加,排水固结时间延长,复灌间隔时间也应随之延长。

(5)位移量控制。在劈裂灌浆施工中,为了保证坝体安全,增加坝体回弹比,提高灌浆效果,应通过控制单孔每次灌浆量、增加复灌次数,控制坝体位移量。在灌浆时,坝肩位移最明显,一般应控制位移在1~2cm/次范围内。

(6)裂缝控制。劈裂灌浆施工中,应尽量做到 “内劈外不劈”,一般采用下护壁套管或加阻浆塞的办法处理。但如果坝体质量太差,或经数次复灌后坝顶仍将出现裂缝,此时应暂时停灌,待坝体回弹后再进行复灌;或当发现坝顶被劈开细小裂缝后,即停灌做阻浆盖,并控制灌浆压力,从而达到控制裂缝的目的。

(7)弯曲坝段的灌浆工艺。为了在弯曲坝段获得沿坝轴线连续的浆体防渗帷幕,必须采取特别的灌浆工艺,一般有如下两种:

1)随机钻灌法,即钻一孔灌一孔,孔距较小。当灌浆孔口出现细小裂缝,并开始偏离坝轴线时则停灌。然后在偏离坝轴线较近处的轴线上钻孔灌浆,使其劈裂重新回到坝轴线的位置,这样循序渐进钻灌,引申裂缝发展,最终沿坝轴线方向形成竖直连续的浆体防渗帷幕。坝轴线曲率越大,钻孔应越密。

2)一次成孔轮灌法,在弯曲坝段轴线上,将设计灌浆孔连续钻完,然后逐孔轮流灌浆。单孔每次灌浆量要少,力争在短时间内循环一遍。发现孔口有小裂缝时就停灌,改灌另孔。当每个钻孔都形成小的裂缝,而且互相交接,灌浆量才可以互相增加,直至灌完。若弯曲坝段不太长,钻孔不多,还可同时灌浆,亦能获得较理想的效果。

不论采取上述哪一种灌浆方法,当坝顶沿坝轴线出现贯通的细小裂缝后,要及时做阻浆盖,一般应控制坝顶表面再次劈裂。弯曲坝段的钻孔越密,最后形成的浆体防渗帷幕就越接近坝轴线,连续性越好。

(8)岸坡坝段的灌浆工艺。土坝岸坡段的应力条件较复杂,岸坡段的小主应力面不一定沿坝轴线分布,有的可能与坝轴线斜交,有的可能垂直于坝轴线,因此有其特殊的灌浆工艺。

1)首先调整小主应力面。在缝顶做阻浆盖,缝内打孔灌注1.4~1.6g/cm3的浓浆,采用较大的灌浆压力 (100 ~200kPa),使坝体土在高压泥浆作用下,充分地横向劈裂、挤压、湿陷,最后实现应力再分配,充分补充纵向小主应力不足,恢复三个主应力方向的正常秩序。

2)岸坡段出现斜缝时,先对斜缝进行充填灌浆处理,灌浆压力采用50kPa左右。

3)沿坝轴线布孔,孔距5m,不分序,由坝肩向河槽段推进,灌浆压力采用50 ~100kPa,最后形成沿坝轴线的连续的浆体帷幕。

3.终灌标准和封孔

(1)终灌标准。劈裂灌浆的终灌标准为:当开启灌浆泵几分钟后,坝顶表面裂缝即冒浆,这时在无压情况下反复轮灌,坝顶连续三次冒浆,缝内浆面基本不下降,即可终灌。

(2)封孔。

1)劈裂式灌浆多用稠泥浆封孔。灌浆结束后,把孔内清水抽出,填入较大稠度的泥浆 (密度大于1.6g/cm3),静置一周左右,再次抽出清水注入泥浆,直至浆面与坝顶齐平,最后用干土封口并压实。

2)用混合土封孔。混合土由石子、砂、黏土水泥浆等组成。混合土性能较好,与孔壁结合较好。

4.灌浆期间出现问题的处理

(1)裂缝。

1)纵向裂缝。灌浆期间,为了避免劈裂缝过早地延伸到坝面,可采用如前所述的钻孔内下护壁管或设阻浆塞的办法处理。灌浆期间,除了沿坝轴线劈开的主缝外,两侧还会形成一些细小的不连续的纵向裂缝,它们的形成多因土体张拉产生的。这些裂缝一般深1~3m,窄缝可自动闭合,宽缝可采用自重灌浆处理。

2)横向裂缝。为避免在高水位时出现与灌浆孔不连通的灌浆裂缝,在灌浆试验时应找出初灌延续时间和钻孔周围湿陷距离的关系,定出安全灌浆孔距和间隔时间。坝体土越疏松,安全灌浆孔距和间隔时间越小,一般可定为孔距3~5m,时间小于1d。

对于与灌浆孔相通的横向裂缝,灌浆时要适当地加大灌浆压力,使坝体应力状态得到调整,同时使缝内充满泥浆。

横缝灌浆时,坝坡和坝顶均要做阻浆盖,对于砂壳坝,则只需在坝顶做阻浆盖。

(2)冒浆。灌浆期间,坝体冒浆的部位在坝坡 (均质坝)、坝顶、孔口和放水洞内。冒浆部位、原因和程度不同,处理措施也应不同。

1)坝坡冒浆。据许多工程的观察和分析,可归纳为以下几种:

a.坝坡轻微冒浆。由于坝体内可能存在裂缝、洞穴、水平疏松层等,在灌浆压力下,冒浆多在坝高的2/3 以上部位发生。如在上游坡冒浆,因有护坡石,可用浓浆,采用灌—停—灌的间歇性灌浆方法进行处理;如在下游坡冒浆,可做阻浆盖,也可在冒浆出口处压砂做反滤层。

b.坝坡底部严重冒浆。有的土坝在坝坡底部发生严重冒浆,说明坝体内有与灌浆孔相连的大通道,这种情况多出现在松散坝体。处理方法为:一是封堵冒浆通道;二是控制灌浆量或灌入稠浆来防止冒浆,或采用灌—停—灌的办法,间隔时间适当延长。

c.上游或下游水位以下冒浆。若因灌浆压力大导致水下冒浆,应立即降低灌浆压力;若孔口并无压力而冒浆,说明原有裂缝、洞穴与灌浆孔相连通,应采有浓浆间歇灌注,等灌入的泥浆初凝后再继续灌注,或在泥浆中掺加适量水泥,以加速浆液初凝,达到封堵冒浆通道的目的。

2)放水洞内冒浆。发现冒浆即停灌,在冒浆处用木塞或棉纱堵塞后再灌,加大泥浆浓度和灌浆压力,增加复灌次数。待泥浆初凝或灌浆结束后进行剔缝和勾缝以防冲刷。

3)坝顶和孔口冒浆。在灌浆初期,通过孔口下护壁套管或设阻浆塞,可以阻止坝顶和孔口冒浆。灌浆后期坝顶已劈开,冒浆是必然现象,表明坝体内已灌满,不必采取封堵措施。

(3)串浆。串浆现象在一般灌浆工程中是比较普遍的,也是正常的,多因两钻孔之间有纵向裂缝相连或灌浆压力劈开两孔之间的土体而致。一般情况下,灌浆孔和串浆孔可同时灌注,如不能同时灌注,可将串浆孔堵住,然后再继续灌浆。

(4)塌坑。处理塌坑的方法是在塌坑内回填黏性土料,分层夯实;或往塌坑口灌注泥浆,初凝后用干土封口夯实。

(5)隆起。灌浆期间,护坡石和坝坡排水沟砌石会出现抬动架空现象,此时要查明原因,如果是因坝体土大量湿陷造成的,可继续灌浆,灌浆结束后将隆起的护坡石翻修重护;如果是因为滑坡等引起的,应找出原因,采取相应处理措施后再继续灌浆。

(6)单孔吃浆量过大。在劈裂灌浆中,常遇到单孔吃浆量数百立方米的情况,这往往是由于坝体填土过于疏松引起的,或者是由于坝体内部存在空洞或通道引起的。一般采用少灌多复的办法,直至灌饱为止;对有冒浆通道的情况,将出浆口封堵以后再继续灌浆。