劈裂灌浆的加固原理及其施工方法

【摘要】文章主要介绍了劈裂灌浆的加固原理及其在秋风岭水库主坝加固工程中的施工过程和质量控制。

【关键词】劈裂灌浆；加固原理；方法
一、劈裂灌浆的加固原理和特点
堤体劈裂灌浆的理论基础是水力劈裂原理，即向土体内的孔内压水或灌浆时，作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张，使孔壁土体受劈裂挤应力，而当这些应力超过土体的抗拉强度时，就会在土体内产生一些裂缝，这种裂缝的产生过程称之为水力劈裂。

水利上的堤坝是人工堆筑成的长条形土料建筑物，为梯形断面，由于受多种自然因素的影响，常出现一些不稳定现象。

如果向不稳定的堤段造孔并向堤体孔内压注浆液，加上浆液自重因素，使堤体沿轴线方向形成一道或数道粘土帷幕，则可达到消险固堤的作用。

这种施工过程我们称之为劈裂灌浆。

劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，已经被广泛地运用。

但在具体操作中应注意施工工艺，保证灌浆的质量，才能达到预期的效果。

二、工程简介
秋风岭水库位于广东省潮阳市西南部的两英镇境内，距市区36公里，距324国道约7. 5公里，属练江支流的秋风水系。

坝址以上集雨面积105.1平方公里，总库容6903万m3。

水库兼顾防洪、灌溉、供水、发电等效益，是潮阳市库容最大的一宗水库。

秋风岭水库主坝总长为1650米，为广东省最长的大坝之一，坝体平均高度约20米。

坝体建于20世纪50年代末期，主要依靠人工挑土筑坝，因此施工质量存在一定的问题，且经过多年的水压作用，坝体部分已出现险情，渗水现象较严重，对坝体的加固已刻不容缓。

坝体的劈裂灌浆工程量约为11127.2m，采用单排布孔，孔距4.0m，劈裂灌浆孔施工轴线为平行于坝顶轴线，位于大坝改建后坝顶轴线下游0.5m。

劈裂灌浆形成的墙体与高喷防渗墙相连接。

水库主要挡水建筑物为均质土坝，坝顶高程48.0m，坝顶宽度7.0m，坝顶长1650m，根据地层地质资料，从上而下为：
第一，人工回填土，为花岗岩风化土，局部为岩脉风化粘性土及粉质粘土。

主坝上部1 0m段渗透性较强，中下部土质较密实，渗透性较弱。

第二，花岗岩全风化土，透水性较弱。

第三，强风化花岗岩，透水性中等，局部破碎带透水性强。

三、施工方法
（一）劈裂灌浆孔施工平面布置
施工孔平面布置如下图所示：（空白孔为Ⅰ序孔，阴影孔为Ⅱ序孔）
图1灌浆孔平面布置图
（二）劈裂灌浆的主要施工设备
表1 主要施工设备的名称、规格型号、数量
（三）劈裂灌浆注浆试验
根据设计要求和本劈裂灌浆防渗工程有代表性地质的地层，进行试验。

开挖检查以便直接观察情况，测定灌浆厚度。

有关技术要求分别参照《水利水电工程钻孔试验规程》执行。

根据试验确定起初劈裂压力P、裂缝扩展压力Pc、最大控制注浆压力Pmin、注浆量Q等，以指导本工程整个过程的施工。

（四）劈裂灌浆施工主要技术参数
1.注浆深度、布孔、段高
注浆深度：为坝体清基线以上人工填土部分。

布孔：采用单排布孔，孔距4.0m，分二序施工。

段高：为全孔一次灌注法。

2.浆料选择
选用红粘土浆，浆液比重为1.30。

（五）劈裂灌浆施工
劈裂灌浆施工采用“坝体分段，单排布孔，分序钻灌，孔底注浆，全孔灌注，综合控制，少灌多复”的原则。

1.劈裂灌浆施工工艺流程
开挖沟槽→钻孔→制浆→灌浆→终灌→封孔
2.劈裂灌浆施工方法
劈裂灌浆施工采用XY-100型钻机2台套造孔，YSB-250/120型调速注浆泵2台套，分两序施工，先进行Ⅰ序孔施工，再进行Ⅱ序孔施工。

材料采用粘土浆，浆液比重为1.30。

（六）施工要点
1.钻孔施工：
（1）钻孔采用回转钻机钻进，泥浆护壁；钻孔孔径φ89mm。

（2）钻孔开孔位置与设计位置偏差不得大于50mm。

（3）钻孔施工时应采取预防孔斜的措施，并应按设计要求测量孔斜。

孔底偏斜率不应超过1.5%。

（4）钻孔的有效深度应穿过待注浆地层进入下部地层1.0～2.0m为宜。

（5）选定部分一序孔作为向导孔，采用芯样、划分层位，其深度应大于墙体深度，间距不宜大于20m。

钻进时应详细记录孔位、孔深、地层变化和漏浆、掉钻等特殊情况。

（6）孔口管埋设：注浆钻孔时埋设孔口管，以防止孔口塌落及孔口返浆，使坝的顶部注浆压力由孔口管承担，以避免地层表面劈裂，使灌注浆液在地层内始终处于封闭状态，因而可施加较大的注浆压力，促使浆液析水固结；当孔口压力消失后，地层所产生的回弹压力较大，有利于提高浆液的固结速率和浆体固结的密实度。

在黏性土地层注浆压力不大的情况下，直接将孔口管打入地层3～5m，利用黏性土的黏结力来防止冒浆及平衡注浆顶托力；在松散无黏性地层或注浆压力较大的情况下，应在孔口预先挖2m左右深的坑，将孔口管下入3～5m后，在管周边回填黏性土并夯压密实，必要时可回填塑性混凝土。

2.制浆。

采用搅拌机湿法制浆，随时测定泥浆密度，控制达到设计要求，浆液比重为1. 30。

开始采用稀浆灌注，待坝体被劈裂后，改用浓浆。

3.灌浆。

施灌原则是“稀浆开始，浓浆灌注，分序施灌，先疏后密，少灌多复，控制浆量”，施工时要将注浆管下到离钻孔底部0.5～1.0m处。

启动灌浆泵泥浆由射管喷出。

浆液劈裂坝体始于注管底部，沿小主应力作用面，逐渐向上发展。

孔底注浆可施加较大压力，使坝体内部劈开，把较多的泥浆压入坝体，产生挤压变形，待停灌后，坝体产生回弹，有利于提高坝体和浆脉的密度。

全孔灌注，浆液从注浆管底部涌出，自下而上、从压力大处向压力小处、从坝体质量好部分向质量差部分、从已充填部分向未充填的部分、从裂缝中间向边缘流动和充填。

要求每次灌浆后，要提一提注浆管，以免孔底堵塞和孔口冒浆。

灌1～2次后，可提管1～2m。

4.终灌。

经反复轮注后，浆体帷幕厚度须达到设计标准20cm。

如连续3次不再吃浆或坝顶连续3次冒浆即可终灌，直观上要以饱、满、实为度。

5.封孔。

在终灌后，先将注浆管插入孔底，再注入浓浆将稀浆或清水置换掉，直至浓浆（采用0.5∶1以上的浓浆）填满全孔为止，待浆液折水沉淀后，再进行第二次封填，直至钻孔封满为止。

6.灌浆期原型观测。

按设计要求沿坝轴线方向每隔20m设一观测标点，每级至少分别在坝顶上、下游坝肩处各设一个观测标点，标点用砼桩或木桩做成。

灌浆施工前应对布设的各桩垂直位移点观测2次，灌浆期每班观测1～2次，坝面出现裂缝时，应增加观测次数，灌浆间歇期每2天观测1次。

灌浆期间坝顶上下游坝肩处横向水平位移每次不得大于25mm。

7.注浆中特殊情况的处理。

注浆过程中，有时会遇到冒浆、串浆等一些特殊情况，对这些情况的处理往往需采用一些特殊的方法。

分述如下：
（1）冒浆：对孔口冒浆可采用重新回填黏土或在黏土中掺入少量水泥的方法，封堵套管外壁与孔壁之间间隙。

对孔口以外部分的冒浆，可采用限流、限压及嵌缝的方法处理，如该法处理无效，则应停注待浆液凝结后再进行复注。

（2）串浆：在注浆过程中，若出现相邻两孔或隔孔冒浆，这表明堤坝地基已经劈裂，串浆两孔之间浆脉已经沟通。

处理这种现象，一是将冒浆孔用止浆塞堵上，然后在注浆孔再继续注浆，另一种是将注浆孔与冒浆孔并联，同时进行灌注。

（3）隆起：注浆期地层隆起，一是由于注浆时产生水平劈裂，在注浆压力作用下，对地层产生抬动。

在这种情况下，应采取限压方法或在保持注浆压力的前提下，控制注入量。

二是由于在注浆压力作用下，对湿陷性大的土体产生挤压变形，而造成局部隆起。

这时，则应降低注浆压力或调整施工方案。

总之，注浆中地层的隆起是应尽量避免的，若发生，则应找出原因，采用相应的处理措施后，再继续注浆，以免对土坝质量造成不良影响。

（4）吸浆量过大：一种情况是注浆土体过于疏松，在注浆压力作用下，伴随着出现较大的压缩变形，使裂缝加宽，吸浆量增大。

这时，伴随注浆量的增加，压力将逐步上升，应继续灌注到压力上升至设计压力或反复灌注到地层不吸浆为止。

另一种情况是地层存在掏刷形成的空洞，这时应一直灌注到空洞填满为止。

四、效果评价
劈裂灌浆完成以后，经过一段时间，等粘土浆完全析水固结后，随机对灌浆的部位进行开挖，检验粘土墙的生成质量。

经现场开挖检验，在坝体沿坝轴线方向形成数道粘土帷幕，宽度为10mm～50mm，浆脉累计厚度100mm（见图2）。

图2劈裂灌浆探槽开挖平面图
在理论上，坝体沿坝轴线方向存在粘土帷幕，能使坝体的浸润线骤然降低，有效地降低了水向背水坡脚的渗水，同时也提高了坝体的稳定性；从灌浆施工完全结束后，主坝坝后坡脚渗水严重的情况已经得到了明显的改善。

【参考文献】
[1]土坝坝体灌浆技术规范SD266-88[S]．北京：中国水利水电出版社，1988.。