乡宁县清峪水库大坝坝基固结灌浆

张瑞宇

乡宁县清峪水库坝址位于乡宁县县城西13 km留太村北1 km处清川河上,坝址以上流域面积45 km2。大坝为堆石混凝土重力坝,坝顶高程856.50 m,最大设计坝高42.3 m,坝顶宽度5.5 m,坝底设计最大宽度36.18 m。

1 地质概况

清峪水库坝址出露的基岩是三叠系下统刘家组(T11)地层,岩性以紫灰色、紫红色粉砂岩、细砂岩为主,间夹薄层砂质泥岩、泥岩和砾岩层;在河床最低高程以下21 m为界,其下是上古生界二叠系石千峰组(Psh2)紫红色厚层泥岩;出露基岩以较硬的砂岩为主,其间夹的薄层砂质泥岩等易风化、强度低,具有一定程度膨胀性和崩解性,形成了基岩地层的软弱夹层。

大坝基岩在被深埋时被压挤得很紧,没有裂隙,当上面覆盖的物质被大量移走以后,由于应力松弛和回弹,沿着层面和薄弱结合面将会产生密集的“片状空隙”网。在开挖暴露出来以后,经失水收缩,很快龟裂,再遇水便软化成泥。

2 固结灌浆的目的

坝基固结灌浆的主要目的是提高基岩的整体承载力,使坝体能够长期稳定地存在。

3 固结灌浆孔的布置

清峪水库0+034～0+119段共分5块,坝基固结灌浆由上游至下游共12排171孔,孔间距4 m,各排孔呈梅花形布置。坝轴线上下游两排孔灌浆采用中深孔固结灌浆,灌浆深度8.5 m,孔径50 mm;其余各孔采用浅孔固结灌浆,灌浆深度6.0 m,孔径50 mm。布置形式见图 1。

4 固结灌浆施工

固结灌浆的施工依照逐渐加密的原则施工。先钻、灌第Ⅰ次序孔,而后开始第Ⅱ次序孔的钻进和灌浆工作。

4.1 钻孔

1)钻孔方法。基岩中采用回转式钻机方法,硬质合金钻进。

2)钻孔方向。钻孔采用铅直孔,按铅直方向钻进。两相邻钻孔底端的最大偏距不应超过两孔孔距的50%,以保证两相邻钻孔在最不利的条件下其底部也不会相交。根据规范要求固结灌浆孔的孔底偏差应不大于1/40孔深。根据测量,清峪水库钻孔孔底偏差10 cm～15 cm,满足设计要求。

4.2 冲洗

冲洗包括钻孔冲洗和裂隙冲洗。

冲洗采用导管通入大流量水流,从孔底向孔外冲洗的方法进行冲洗。冲洗水压力采用0.36 MPa(设计最大灌浆压力的80%)。

冲洗应冲至回水澄清10 min后结束,且总的时间要求单孔不少于30 min,串通孔不少于2 h,对回水达不到澄清要求的孔段,应继续进行冲洗,孔内残存的沉积物厚度不得超过20 cm。

4.3 简易压水

简易压水采用单点法,压力为0.36 MPa(设计最大灌浆压力的80%)。具体步骤:压水20 min,每5 min测读一次压水流量(连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%,或最大值与最小值之差小于1 L/min时,本阶段试验即可结束),取最后的流量值作为计算流量。压水试验的成果以透水率表示,单位为吕荣(LU)。即:在1 MPa压力下,每米试段长度每分钟注入水量为1 L时,q=1 LU。

4.4 制浆

清峪水库固结灌浆浆液采用纯水泥浆液,水泥使用普通硅酸盐水泥42.5。制浆材料采用重量称量法,称量误差不大于5%。纯水泥浆液使用普通搅拌机搅拌,搅拌时间应不少于3 min;浆液在使用前应过筛,从开始制备至用完的时间宜少于4 h。

4.5 灌浆压力

灌浆压力是保证和提高灌浆效果的重要手段。根据试验以混凝土垫层不抬动为准,最后设计灌浆压力确定为0.45 MPa。

具体灌浆方法:将灌浆塞卡在混凝土盖板中,若能达到设计灌浆压力,施工可顺利进行,否则需要采取低压、浓浆、限流、限量等技术措施,缓慢升压,使之达到设计压力,甚至可以试用加大浆液液柱高度,利用自重进行灌注,待起压后,再逐渐升高到设计压力。若仍无效,只有在该部位采取加密灌浆孔的方法解决。

4.6 浆液配比与变换

浆液采用水灰比为2,1,0.8,0.5四个比级,先用较稀的浆液开始灌注,而后逐渐变浓。灌浆浆液应由稀到浓逐级变换。当灌浆压力保持不变,注入率持续减少时,或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时,不得改变水灰比。当某一比级浆液注入量已达300 L以上,或灌注时间已达1 h,而灌浆压力和注入率均无显著改变时,应换浓一级水灰比浆液灌注;当注入率大于30 L/min时,可越级变浓。

4.7 结束标准和封孔

封孔采用压力灌浆封孔法。具体方法:先将孔内余浆置换成水灰比0.5∶1的浓浆,将孔中余浆全部顶出,直至孔口返出浓浆为止。在最大设计压力下,当注入率不大于1 L/min,继续灌注30 min,灌浆即可结束。

5 灌浆过程中特殊情况的预防和处理

5.1 灌浆中断

1)中断时间短者。中断后,估计极短时间内能够复灌,中断前灌的又是稀浆,中断时注入率也很大。根据具体情况,可以不进行净孔冲洗,排除故障后就可复灌。

2)中断时间长者。中断后,根据中断的原因和当时的情况,估计短时间内难以复灌的,应立即冲洗钻孔。如果由于停电、停水或机械故障等原因不能立即冲洗钻孔,而中断前灌的又是浓浆时,则应松开灌浆塞,上提射浆管,以免由于浆液沉淀被凝固住。待具备冲洗条件时,再行强力冲洗。中断后,冲洗越早,效果越好;冲洗越迟,效果越差。如果裂隙内的浆液已达到初凝状态,即使孔内的沉淀可以冲出,复灌时也难以有良好的结果。

3)扫孔到底,重新灌浆。当中断时间较长,又未能及时冲洗钻孔,预计钻孔内有浆液沉淀,并可能已经初凝时,则应将灌浆塞提出孔外,在恢复灌浆前,用钻具重新钻扫到孔底,用压力水冲洗后,作为未灌孔看待,重新开始灌浆。

5.2 串浆

发生串浆后,常采用的处理措施有以下几点:1)当串浆孔为正在钻进的钻孔时,应立即停钻,在串浆孔内漏浆处以上的部位安设灌浆塞,堵塞严密,在灌浆孔中依照施工技术要求正常地进行灌浆。待灌浆结束后,串浆孔间恢复正常钻进。2)若串浆孔为待灌的灌浆孔时,最好是串浆孔与灌浆孔同时进行灌浆,一台灌浆泵灌注一个孔,如无此条件,则只得采用上述1)的措施。

5.3 基岩中的大量漏浆

当发生大量漏浆,一般可按下述几个原则进行处理:

1)降低灌注压力。用低压甚至用自流式灌浆,待裂隙逐渐充满浆液,降低流动性后,再逐渐升高压力,按正常的施工要求进行灌浆。

2)限制注入率。将注入率限为15 L/min～20 L/min,或更小一些,使用浓浆进行灌注,待注入率明显减少后,将压力提高,使注入率又达到15 L/min～20 L/min,仍使用浓浆继续灌注,至注入率又明显减少时,再次升高压力,增大进浆量,如此反复进行灌注,直至达到灌浆结束条件为止。

3)增大浆液浓度。使用浓度大的浆液或使用掺加细砂的浓浆灌注,降低浆液的流动性,同时再适当地降低压力,可以限制浆液的流动范围,不使浆液流失过远。待注入率已降低到一定程度,再灌较稀的水泥浆,并逐渐升高压力灌至符合结束条件为止。

4)间歇灌浆。在灌浆过程中,每连续灌注一定时间,或在灌入一定数量的干料后,就暂时停灌,待凝一定时间后再灌。

5)必要时,在水泥浆液中可以加入速凝剂或采用水泥—水玻璃、水泥—丙凝等特殊浆液进行灌注、堵漏。

6 固结灌浆效果检查

固结灌浆施工完毕后,钻了9个检查孔做压水试验。压水试验所用的压力与该段同样高程的灌浆段所用的灌浆压力相同,做一个压力阶段,稳定时间为1 h。压力试验共计20段,单位吸水量的算术平均值为 0.025 L/(min·m·m),小于 0.05 L/(min·m·m)的共17段,占总段数的85%,大于 0.05的有3段,最大值为0.082,说明灌浆效果是比较好的。

7 结语

1)乡宁县清峪水库坝基经过固结灌浆处理后,降低了透水性,单位吸水量和单位注入量值随着灌浆次序的增进,均有明显的降低。证实固结灌浆质量和灌浆效果良好。基岩能满足大坝基础的要求。2)采用逐渐加密的方法,可以减少邻孔串浆现象,有利于施工。3)在有盖重的情况下进行灌浆可以增大灌浆压力,减少冒浆。4)增大灌浆压力是保证和提高灌浆质量的主要因素之一。