基于土石坝黏土心墙充填灌浆实验

崔 强

(哈尔滨市磨盘山水库管理处，黑龙江五常 150200)

1 试验目的

充填灌浆是利用坝体应力的分布规律进行布孔，对坝体施加一定的灌浆压力，有控制地充填坝体，灌注适宜的泥浆，通过浆坝互压和坝体的湿陷固结等作用，使所有与浆脉连通的裂隙洞穴、水平砂层等隐患得到充填挤压密实，改善坝体密实度，增强坝体的抗渗性能和变形稳定性。

1)确定灌浆压力、复灌次数、灌浆量、灌浆孔距等参数;

2)确定土料及浆液配比和性能;

3)验证灌浆后坝体黏土心墙能否满足K≤10－5cm/s的技术标准。

2 试验位置及布置

1)试验位置桩号0+151.5～0+157.5，孔位为81～85号孔，灌浆顶高程为现状黏土心墙顶高程(322.5)，底高程为307.5，灌浆线布置在距前坝肩2.5 m的位置。

2)单排布置，孔距为1.50 m，布置形式根据现场先导孔灌浆效果再行调整。共布置5个钻孔，钻孔深度17 m，每孔灌浆长度为15 m，共分为3段灌浆，每段5 m。

3)5个钻孔分为二序孔施工。先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔;检测孔2个，钻孔30 m，注水试验4段。

3 充填灌浆防渗设计

防渗指标:坝体黏土心墙渗透系数K≤10－5cm/s;

主要工艺参数如下:

浆液材料:含水泥6% ～16%的水泥黏土浆，浆液相对密度为1.2－1.6;钻孔斜率:≤1.5%;孔径:5～10 cm;孔口压力:≤0.3 MPa。

4 施工工艺流程

施工工艺采用“坝体分段，区别对待，单排布孔，分序钻浆，孔底注浆，分段灌注，综合控制，少灌多复”的原则。施工主要过程包括钻孔、制浆、灌浆和封孔工序，工艺流程见图1。

图1 施工工艺流程

5 施工方法及技术要求

5.1 施工放样及确定孔深

按设计图的要求进行布孔，孔深偏差≤2 cm。

5.2 钻孔

按孔位分序施工，采用冲击或锤击钻进，干法成孔，孔径¢50 mm，注浆管底部距孔底≤0.5 m。钻孔施工中保证孔深位偏差 ＜±2 cm，孔深偏差 ＜±10 cm，偏斜≤孔深的1.0%。钻孔过程中详细记录造孔过程，如孔径、孔深、进尺速度等情况。

5.3 孔口及孔内阻浆设置

下入灌浆管后，采用孔口阻浆措施。管与孔壁空隙采用黏土捣实。在孔口挖0.5m×0.5m，深度≥0.5m的坑，回填适宜含水量的黏性土，并夯实做好孔口阻浆盖。

5.4 浆液

1)制浆土料的选择:灌浆用材料要符合设计要求，采用黏粒含量20% ～30%、砂粒含量＜20%、水泥6% ～16%，其余为颗粒，泥浆比重1.2～1.6 g/cm3左右。在浆液中掺加约1%的外加剂(Na2SiO3)以利改善浆液的浓度和提高浆液的流动性，并加速浆液排水固结。采用黏土水泥(普硅32.5R水泥)混合浆灌注，按先稀后浓的原则进行施灌，稀浆密度1.2 g/cm3左右，浓浆密度1.3～1.6 g/cm3。稀浆黏度25～30 s，浓浆黏度 35 ～45 s。

2)制浆方法及对浆液的要求:制浆采用WGJ80－2型高速泥浆搅灌机，将土与水泥的混合料及清水按计算出的比例，以适当速度连续均匀地用下料机从搅拌桶的进料口加入，土料经过连续高速搅拌后，经过另一端的出浆口排至转筛内，筛选过的浆液经泥浆泵灌入孔内。浆液保证无沉淀、无杂质，且能保证连续均匀供应。

5.5 灌浆

5.5.1 灌浆方法

利用灌浆泵将一定比例搅拌均匀的黏土浆，泵人已钻完孔内。施工过程中掌握“稀蒋开始，浓浆灌注，分序施灌，先疏后密，少灌多复，控制浆量”的原则。认真记录灌注的时间。仔细观测孔口压力表的读数，特别是压力变化较大的数值。并认真做好记录。施工中控制好的环节有:①灌浆开始先用稀浆(密度1.2 g/cm3左右)灌注3～5 min，待坝体孔内吸浆量较大时改用浓浆灌注(密度≥1.3 g/cm3)。②施工作业时取土、运土、填土、搅拌、泵送等工序采取流水作业，来保证浆液的连续均匀供应。③灌浆过程中采用比重秤随时监测浆液的浓度，初始浆液浓度、中间浆液密度及结束时浆液密度均要测量，使浆液的浓度满足技术要求。

5.5.2 浆液压力计算:

影响灌浆压力的因素很多，如堤坝土质密度、灌浆浓度、浆液浓度，甚至与堤坝的断面尺寸、地址条件和挡水高低等情况有关。根据设计要求，孔径压力≤0.3 MPa。为了确定准确的起灌压力和正常施工灌浆压力，应进行理论计算和现场试验。参照水利部SD266—88《土坝坝体灌浆技术规范》中有关公式进行计算。

5.5.2.1 坝体的抗劈力

坝体抗劈的计算公式为:

式中:δt为土的抗拉强度，Kpa(由现场灌浆试验测定);δ3为坝体内的小主应力，受拉区取(﹣)，受压区取(+)值(由现场灌浆试验测定)。

5.5.2.2 浆液的灌浆压力

忽略浆液在管路中的摩阻力时，简化为:

式中:ΔP为孔口压力，KPa;h'为注浆管高程，m;γ浆为浆液密度，t/m3。

5.5.2.3 钻孔起裂压力

钻孔起裂压力的计算公式为:

式中:δ3为最小水平主应力;δ2为最大水平主应力，相当于三向应力状态的第二主应力，对于平面问题δ2=u(δ1+δ3)，式中u为泊松比，一般可取0.35～0.40，δ1为三向应力状态的最大主应力，取0.9倍土柱重;δt为土的单轴抗拉强度，由试验确定;a为圆孔的应力集中系数，由原型试验测得，在坝体中取a=2.5～3.0，在坝基中取a=3.0～4.0。

5.5.2.4 最大控制灌浆压力一般采用防止土坝产生劈裂的灌浆压力作为控制压力

式中:γ为被灌浆土体的天然密度，t/m3;h为灌浆处以上的土柱高度，m。

5.5.3 压力控制

灌浆的控制压力，是灌浆时限制的最大压力，可等于或稍小于设计的压力值。孔口灌浆压力应逐渐升高。钻孔越深，控制压力越大，随灌浆次数的增加，灌浆控制压力应逐渐升高。

5.5.4 灌浆复灌次数和灌注量

采用孔底注浆纯压式灌注。采取少灌多复及控制泵流量等措施，施工中每次灌浆控制灌入量，但遇吸浆较大较大孔采用浓浆充填，来保证下次灌浆质量。每孔复灌次数一般不能＜3次，每次服灌间隔时间≥3 d。施工中，控制每次灌浆的数量，可以提高灌浆效果，促使呢将加快固结。一般控制最大灌浆量为平均灌浆量的两倍。

5.5.5 终灌标准及封孔

灌浆终灌标准根据《土坝坝体灌浆技术规范》和设计要求控制:①连续3次达到设计要求孔口压力，并不再吃浆。②开灌较短时间内坝顶连续3次冒浆。封孔采用稠泥浆封空那个的方法进行，每孔灌完后，拔出注浆管，注满密度 ＞1.5 g/cm3稠浆，以机械封孔，次日再灌1次，封后再用黏土封填夯实。直至将面升至坝顶不再下降为止，最后用黏土回填孔口并夯实。

6 位移观测

在井陉充填灌浆时，必须同时进行坝体表面变形(水平位移和沉降)观测，随时了解土坝灌浆一集引起的回弹情况，监测大坝的安全，保证灌浆质量。在灌浆期，还应观测浸润线、渗流量、坝体裂缝、坝坡冒浆、坡面塌坑、隆起及孔口压力等。即使分析观测数据，如发现不正常现象，应采取措施，防止事故发生，确保工程安全。

施工前在主要坝段内每隔30 m测放1组位移观测桩约计10组，位移观测桩采用钢筋位移测量法观测，取¢20 mm钢筋两根，在所定位置镀金垂直堤轴线南、北两侧提肩各钉一根，观测桩统一编号。位移观测桩安放好后测定初始值，灌浆过程中，在位移桩控制范围内，灌浆前测试2～3次读数，施工中每天观测≥1次。每次坝体位移量≤15 mm。

7 灌浆终出现的问题及处理方法

7.1 漏浆的处理

漏浆的原因是，坝体内钻孔遇上了空洞或裂缝。其表现形式是吃浆量过大，不起压，处理的方法是在前后坝坡找出冒浆口，处理好冒浆再进行复灌。

7.2 不进浆

灌浆开始，长出现不进浆现象，其主要原因是管路堵塞或灌浆压力小而造成。管路堵塞应查出堵塞的部位，采用长钢筋疏通或将灌浆压力上提10～20cm左右，用稀浆将堵塞物冲出，正常后浆注浆管重新下入设计标高继续灌浆;灌浆压力小，应适当加大灌浆压力。

7.3 冒浆

7.3.1 坝坡或坝脚冒浆

在灌浆的后期，常出现堤脚或提坡冒浆，这时应加浓浆液灌3～5 min后停止灌浆，并将冒浆出用黏土夯实，然后加紧复灌，增加复灌次数，加大灌浆压力，充分发挥浆坝互压的作用。

7.3.2 孔口冒浆

主要由孔壁与管壁之间空隙过大而引起的。处理方法是采用孔内深阻浆的办法来防止孔口冒浆现象的发生。

7.3.3 坝顶裂缝冒浆

灌浆过程中由于灌浆压力使坝顶出现纵向裂缝，这说明浆液已灌入堤内。出现的裂缝冒就现象处理方法是，可顺缝开挖并用黏土回填夯实或采用降低孔口压力，以“少灌多复”的办法处理。

7.3.4 串浆

在灌浆过程中，常出现相邻两孔或隔孔注浆管内冒浆，这种现象说明坝体内浆脉已经连通。处理方法通常采用专制堵浆塞将串浆管堵上，继续灌浆或两串浆孔并联，同时灌浆，达到预期效果。

7.3.5 灌浆压力突然下降

应封堵冒浆口、改换浓浆、限量灌注、少灌多复的措施。

［1］中华人民共和国水利部.SD266－88土坝坝体灌浆技术规范［S］.北京:水利水电出版社，1988.