基于土石壩黏土心墻充填灌漿實驗

崔 強

(哈爾濱市磨盤山水庫管理處，黑龍江五常 150200)

1 試驗目的

充填灌漿是利用壩體應力的分布規律進行布孔，對壩體施加一定的灌漿壓力，有控制地充填壩體，灌注適宜的泥漿，通過漿壩互壓和壩體的濕陷固結等作用，使所有與漿脈連通的裂隙洞穴、水平砂層等隱患得到充填擠壓密實，改善壩體密實度，增強壩體的抗滲性能和變形穩定性。

1)確定灌漿壓力、復灌次數、灌漿量、灌漿孔距等參數;

2)確定土料及漿液配比和性能;

3)驗證灌漿后壩體黏土心墻能否滿足K≤10－5cm/s的技術標準。

2 試驗位置及布置

1)試驗位置樁號0+151.5～0+157.5，孔位為81～85號孔，灌漿頂高程為現狀黏土心墻頂高程(322.5)，底高程為307.5，灌漿線布置在距前壩肩2.5 m的位置。

2)單排布置，孔距為1.50 m，布置形式根據現場先導孔灌漿效果再行調整。共布置5個鉆孔，鉆孔深度17 m，每孔灌漿長度為15 m，共分為3段灌漿，每段5 m。

3)5個鉆孔分為二序孔施工。先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔;檢測孔2個，鉆孔30 m，注水試驗4段。

3 充填灌漿防滲設計

防滲指標:壩體黏土心墻滲透系數K≤10－5cm/s;

主要工藝參數如下:

漿液材料:含水泥6% ～16%的水泥黏土漿，漿液相對密度為1.2－1.6;鉆孔斜率:≤1.5%;孔徑:5～10 cm;孔口壓力:≤0.3 MPa。

4 施工工藝流程

施工工藝采用“壩體分段，區別對待，單排布孔，分序鉆漿，孔底注漿，分段灌注，綜合控制，少灌多復”的原則。施工主要過程包括鉆孔、制漿、灌漿和封孔工序，工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程

5 施工方法及技術要求

5.1 施工放樣及確定孔深

按設計圖的要求進行布孔，孔深偏差≤2 cm。

5.2 鉆孔

按孔位分序施工，采用沖擊或錘擊鉆進，干法成孔，孔徑￠50 mm，注漿管底部距孔底≤0.5 m。鉆孔施工中保證孔深位偏差 ＜±2 cm，孔深偏差 ＜±10 cm，偏斜≤孔深的1.0%。鉆孔過程中詳細記錄造孔過程，如孔徑、孔深、進尺速度等情況。

5.3 孔口及孔內阻漿設置

下入灌漿管后，采用孔口阻漿措施。管與孔壁空隙采用黏土搗實。在孔口挖0.5m×0.5m，深度≥0.5m的坑，回填適宜含水量的黏性土，并夯實做好孔口阻漿蓋。

5.4 漿液

1)制漿土料的選擇:灌漿用材料要符合設計要求，采用黏粒含量20% ～30%、砂粒含量＜20%、水泥6% ～16%，其余為顆粒，泥漿比重1.2～1.6 g/cm3左右。在漿液中摻加約1%的外加劑(Na2SiO3)以利改善漿液的濃度和提高漿液的流動性，并加速漿液排水固結。采用黏土水泥(普硅32.5R水泥)混合漿灌注，按先稀后濃的原則進行施灌，稀漿密度1.2 g/cm3左右，濃漿密度1.3～1.6 g/cm3。稀漿黏度25～30 s，濃漿黏度 35 ～45 s。

2)制漿方法及對漿液的要求:制漿采用WGJ80－2型高速泥漿攪灌機，將土與水泥的混合料及清水按計算出的比例，以適當速度連續均勻地用下料機從攪拌桶的進料口加入，土料經過連續高速攪拌后，經過另一端的出漿口排至轉篩內，篩選過的漿液經泥漿泵灌入孔內。漿液保證無沉淀、無雜質，且能保證連續均勻供應。

5.5 灌漿

5.5.1 灌漿方法

利用灌漿泵將一定比例攪拌均勻的黏土漿，泵人已鉆完孔內。施工過程中掌握“稀蔣開始，濃漿灌注，分序施灌，先疏后密，少灌多復，控制漿量”的原則。認真記錄灌注的時間。仔細觀測孔口壓力表的讀數，特別是壓力變化較大的數值。并認真做好記錄。施工中控制好的環節有:①灌漿開始先用稀漿(密度1.2 g/cm3左右)灌注3～5 min，待壩體孔內吸漿量較大時改用濃漿灌注(密度≥1.3 g/cm3)。②施工作業時取土、運土、填土、攪拌、泵送等工序采取流水作業，來保證漿液的連續均勻供應。③灌漿過程中采用比重秤隨時監測漿液的濃度，初始漿液濃度、中間漿液密度及結束時漿液密度均要測量，使漿液的濃度滿足技術要求。

5.5.2 漿液壓力計算:

影響灌漿壓力的因素很多，如堤壩土質密度、灌漿濃度、漿液濃度，甚至與堤壩的斷面尺寸、地址條件和擋水高低等情況有關。根據設計要求，孔徑壓力≤0.3 MPa。為了確定準確的起灌壓力和正常施工灌漿壓力，應進行理論計算和現場試驗。參照水利部SD266—88《土壩壩體灌漿技術規范》中有關公式進行計算。

5.5.2.1 壩體的抗劈力

壩體抗劈的計算公式為:

式中:δt為土的抗拉強度，Kpa(由現場灌漿試驗測定);δ3為壩體內的小主應力，受拉區取(﹣)，受壓區取(+)值(由現場灌漿試驗測定)。

5.5.2.2 漿液的灌漿壓力

忽略漿液在管路中的摩阻力時，簡化為:

式中:ΔP為孔口壓力，KPa;h'為注漿管高程，m;γ漿為漿液密度，t/m3。

5.5.2.3 鉆孔起裂壓力

鉆孔起裂壓力的計算公式為:

式中:δ3為最小水平主應力;δ2為最大水平主應力，相當于三向應力狀態的第二主應力，對于平面問題δ2=u(δ1+δ3)，式中u為泊松比，一般可取0.35～0.40，δ1為三向應力狀態的最大主應力，取0.9倍土柱重;δt為土的單軸抗拉強度，由試驗確定;a為圓孔的應力集中系數，由原型試驗測得，在壩體中取a=2.5～3.0，在壩基中取a=3.0～4.0。

5.5.2.4 最大控制灌漿壓力一般采用防止土壩產生劈裂的灌漿壓力作為控制壓力

式中:γ為被灌漿土體的天然密度，t/m3;h為灌漿處以上的土柱高度，m。

5.5.3 壓力控制

灌漿的控制壓力，是灌漿時限制的最大壓力，可等于或稍小于設計的壓力值。孔口灌漿壓力應逐漸升高。鉆孔越深，控制壓力越大，隨灌漿次數的增加，灌漿控制壓力應逐漸升高。

5.5.4 灌漿復灌次數和灌注量

采用孔底注漿純壓式灌注。采取少灌多復及控制泵流量等措施，施工中每次灌漿控制灌入量，但遇吸漿較大較大孔采用濃漿充填，來保證下次灌漿質量。每孔復灌次數一般不能＜3次，每次服灌間隔時間≥3 d。施工中，控制每次灌漿的數量，可以提高灌漿效果，促使呢將加快固結。一般控制最大灌漿量為平均灌漿量的兩倍。

5.5.5 終灌標準及封孔

灌漿終灌標準根據《土壩壩體灌漿技術規范》和設計要求控制:①連續3次達到設計要求孔口壓力，并不再吃漿。②開灌較短時間內壩頂連續3次冒漿。封孔采用稠泥漿封空那個的方法進行，每孔灌完后，拔出注漿管，注滿密度 ＞1.5 g/cm3稠漿，以機械封孔，次日再灌1次，封后再用黏土封填夯實。直至將面升至壩頂不再下降為止，最后用黏土回填孔口并夯實。

6 位移觀測

在井陘充填灌漿時，必須同時進行壩體表面變形(水平位移和沉降)觀測，隨時了解土壩灌漿一集引起的回彈情況，監測大壩的安全，保證灌漿質量。在灌漿期，還應觀測浸潤線、滲流量、壩體裂縫、壩坡冒漿、坡面塌坑、隆起及孔口壓力等。即使分析觀測數據，如發現不正常現象，應采取措施，防止事故發生，確保工程安全。

施工前在主要壩段內每隔30 m測放1組位移觀測樁約計10組，位移觀測樁采用鋼筋位移測量法觀測，取￠20 mm鋼筋兩根，在所定位置鍍金垂直堤軸線南、北兩側提肩各釘一根，觀測樁統一編號。位移觀測樁安放好后測定初始值，灌漿過程中，在位移樁控制范圍內，灌漿前測試2～3次讀數，施工中每天觀測≥1次。每次壩體位移量≤15 mm。

7 灌漿終出現的問題及處理方法

7.1 漏漿的處理

漏漿的原因是，壩體內鉆孔遇上了空洞或裂縫。其表現形式是吃漿量過大，不起壓，處理的方法是在前后壩坡找出冒漿口，處理好冒漿再進行復灌。

7.2 不進漿

灌漿開始，長出現不進漿現象，其主要原因是管路堵塞或灌漿壓力小而造成。管路堵塞應查出堵塞的部位，采用長鋼筋疏通或將灌漿壓力上提10～20cm左右，用稀漿將堵塞物沖出，正常后漿注漿管重新下入設計標高繼續灌漿;灌漿壓力小，應適當加大灌漿壓力。

7.3 冒漿

7.3.1 壩坡或壩腳冒漿

在灌漿的后期，常出現堤腳或提坡冒漿，這時應加濃漿液灌3～5 min后停止灌漿，并將冒漿出用黏土夯實，然后加緊復灌，增加復灌次數，加大灌漿壓力，充分發揮漿壩互壓的作用。

7.3.2 孔口冒漿

主要由孔壁與管壁之間空隙過大而引起的。處理方法是采用孔內深阻漿的辦法來防止孔口冒漿現象的發生。

7.3.3 壩頂裂縫冒漿

灌漿過程中由于灌漿壓力使壩頂出現縱向裂縫，這說明漿液已灌入堤內。出現的裂縫冒就現象處理方法是，可順縫開挖并用黏土回填夯實或采用降低孔口壓力，以“少灌多復”的辦法處理。

7.3.4 串漿

在灌漿過程中，常出現相鄰兩孔或隔孔注漿管內冒漿，這種現象說明壩體內漿脈已經連通。處理方法通常采用專制堵漿塞將串漿管堵上，繼續灌漿或兩串漿孔并聯，同時灌漿，達到預期效果。

7.3.5 灌漿壓力突然下降

應封堵冒漿口、改換濃漿、限量灌注、少灌多復的措施。

［1］中華人民共和國水利部.SD266－88土壩壩體灌漿技術規范［S］.北京:水利水電出版社，1988.