粘土劈裂灌浆施工技术

粘土劈裂灌浆技术在临淮岗主坝工程中的应用（朱其超吴艳书）一、工程概况临淮岗洪水控制工程位于淮河干流中游的安徽霍邱、颖上两县交界处。临淮岗主坝是在原临淮岗主坝的基础上兴建的。原临淮岗工程主坝于1958年开工，1962年因经济困难停建。由于停工后无任何维护管理措施，坝体破坏严重，坝顶遍布民房、水井，坝体填筑质量较差，内部裂隙发育、孔洞较多，因此必须对其进行加固。本标段采用粘土劈裂灌浆技术进行加固，成孔量为30000m，灌注干土重35000t，施工工期6个月。目前，全国用该项技术已处理病险水库土坝2000余座，险堤2000余公里，为国家节约了大量资金，取得了显著的经济效益和社会效益。二、技术特点1、粘土劈裂灌浆施工方便、缩短工期、操作简单、就地取材、节约成本。2、粘土劈裂灌浆采用孔底注浆、全孔灌注、少灌多复、循序渐进的施工工艺，是保证劈裂灌浆质量和保证坝体安全的重要技术措施。3、通过粘土劈裂灌浆，可以形成一条或几条垂直连续的浆体帷幕，解决了坝体渗透稳定和变形稳定问题，确保了大坝的质量。三、适范围及条件1适用范围粘土劈裂灌浆技术适用于处理压实质量差、有范围较大的孔洞、裂缝、通道等隐患的土坝（堤）及结构性较强的粉细砂和土砂夹层的透水地基。2适用条件对于纯粹为了解决土坝（堤）的防渗问题，可采用单排或双排劈裂孔，形成单排或双排防渗帷幕；对于为了解决土坝（堤）的防渗问题和变形稳定问题，可采用多排劈裂孔（实际上也是冲填灌浆，只是注浆压力不同），破坏坝体内部原应力结构，使坝体内部应力得到重分布，达到变形稳定结构状态；对于纯粹为了解决土坝（堤）的变形稳定问题，则采用多排孔冲填灌浆方法，这里不再详述。本工程为第二种条件。四、施工工艺及操作要点4.1技术原理土坝粘土劈裂灌浆技术利用了土坝坝体的整体弹性特征，在灌浆过程中随着灌浆压力的反复增长和消失，具有弹性的坝体张开和回弹，使坝体和浆体反复挤压，形成连续的浆体帷幕和两侧压密的坝体联合防渗带。通过浆坝互压和土体湿陷作用，可以补救原坝体由于不均匀变形产生的小主应力不足，改变坝体内部的应力不平衡状态，从而比较彻底地解决了土坝坝体的变形稳定和渗透稳定问题。4.2对灌浆土料的要求粘土灌浆土料技术参数项目朔性指数（%）粘粒含量（%）粉粒含量（%）砂粒含量（%）有机质含量（%）可溶盐含量（%）允许指标8～1520～3030～5010～30<2<8浆液物理力学性能表项目容重（kg/m3）粘度(s)稳定性(g/cm3)胶体率(%)失水量(cm3/30min)允许指标1300~160020~700.1~0.15>7010~304.3施工工艺土坝粘土灌浆施工的各个环节要求密切合作，才能达到质量要求，施工顺序分两序孔进行，先进行一序孔灌浆施工，再进行二序孔灌浆施工。施工作业流程图如下：制浆布孔钻孔下管封口灌浆多次复灌终灌拔管封孔4.4操作要点（1）场地布置：堤坝灌浆场地布置，应根据地形、料场、水源位置和灌浆泵的扬程高低等条件而定，其原则是保证灌浆质量，便利施工，节约能源，减少运输，提高效率。本项目根据机械化程度较好，坝顶较宽的特点，将搅拌机布置在坝顶，土料在坝顶堆放位置，根据灌浆泵输浆距离，有计划地堆存，避免了二次运输，随运随用。（2）布孔：在坝顶中心线两侧对称布置三排孔，最终孔距为4.5m（一序孔则为9m），排距为3.5m。在布孔时，严格按照设计放样定位，采用木桩定位，测定孔位高程，为造孔深度提供依据。（3）造孔：根据灌浆设计所确定的灌浆孔位，把钻机移至钻孔位置，对准孔位用水平尺校准机台水平、立轴垂直（锤击钻调节地脚螺栓，液压钻调节两侧轮胎部位液压升降缸体），并使机架牢固，经技术人员检测合格后方可开钻，如钻孔施工时发现钻机倾斜超过规定时，则停机找平后再开钻。造孔采用干钻，方便快捷，效果较好，如果是成孔较为困难，则在孔中倒入少许清水，以起到润滑钻杆作用，严禁孔内倒入泥浆。造孔过程中，对地层变化情况要详细记录，遇到异常情况及时查明原因。钻孔结束后，由技术人员进行质量检查，合格后方可进行下一孔的造孔工作。为了保证粘土灌浆的质量，钻孔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。例如，临淮岗工程主坝底部高程约为EL20.0m左右，而粘土灌浆孔底高程为EL17.5m，孔深平均约为12m。锤击式钻机（锤重300kg，行程1～2m）为一次成孔，成孔直径为80mm；液压锥孔机由于受到自重及锥孔压力限制，需三次成孔，先是用直径为25mm的钻头成孔，然后用直径为40mm的钻头扩孔，最后再用直径为50mm的钻头扩孔，达到下管要求。锤击式钻机成孔速度平均15m/h，液压锥孔机成孔速度平均30m/h。在本工程施工中，锤击式钻机每成一孔（孔深12m）需48min，而液压锥孔机每成一孔（孔深12m）需24min，每扩孔一次仅需6min左右。（4）下管；造孔结束后，立即将注浆管下入孔内，注浆管下端距孔底0.5~1m，注浆管高出地面以上0.5～0.8m。注浆管上端装好孔口装置（包括孔口三通管和孔口压力表），孔口装置的孔口管与注浆管采用管箍丝扣连接，孔口装置的进浆管、排浆管与输、排浆胶管用铁丝捆扎，紧密连接。锤击式钻机成孔后，下直径为50mm的注浆钢管，液压锥孔机成孔后，下直径为30mm的注浆钢管。注浆管每节长度为6m（标准）、2m、3m三种规格，节间采用管箍丝扣连接。（5）封口：灌浆前，在钻孔上部设1～1.5m(经验数据)长的阻浆塞，减少孔口冒浆，更重要的是使泥浆在坝体内处于封闭状态，因而可以施加较大的灌浆压力，使浆液在坝体内劈开裂缝，达到劈裂灌浆的目的。此项工作极为重要，不可粗心大意。阻浆塞制作，先将孔口部位人工开挖成扩大口，顶口直径约60cm，底口直径约20cm，深约60cm，然后采用编制袋或绵纱等缠绕于注浆管壁，缠绕后直径应比孔径大0.5cm左右，缠绕高度为15～20cm，人工用钢钎将其捣入孔内，深度满足阻浆塞深度要求，最后用粘土分层回填捣（夯）实。（6）制浆：在临淮岗工程粘土灌浆中，泥浆比重采用1.3～1.6g/cm3之间，制浆采用WJG80型泥浆搅拌机，其特点是高速连续搅浆，自动筛浆，制出的浆液质量高。制浆有干法和湿法制浆两种：干法制浆即将选用的土料从料场运回晒干后，储存在工棚内，然后用粉碎机加工成土粉，储存作为备用；湿法制浆就是采用天然料场中的湿土（土样经试验后符合灌浆要求的合格土料）直接倒入搅拌机中搅拌制浆。本工程采用湿法制浆，它与干法制浆相比，具有节省人力、设备、时间、场地和简便等优点。此时，泥浆浓度采用一下公式进行控制：gw=kgsEQ\A()k=1/[λ(1+ω)]+1/(1+ω)-1式中：gw为欲配泥浆的加水量（kg）；gs为用来拌浆的湿土量；k为加水系数；λ为欲配泥浆的土水比；ω为湿土的含水量（kg）。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灌浆质量。泥浆由浓变稀要加水，由稀变浓要加土。此时，可用一下公式算出加水量和加干土量。1m3浓泥浆变稀的加水量ΔGw为：ΔGw=1/(1+λ/Δs)(λ/λ－1)1m3稀浆变浓的加干土量ΔGs为：ΔGs=(λ－λ)(1+λ/Δs)式中：Δs为土粒相对密度一般为2.70～2.74；λ、λ分别为浓稀泥浆的土水比。浆液比重（浓度）的变化，在正常施工中主要是通过熟练制浆工艺、常测泥浆比重来控制的。（7）灌浆试验：正式施工前需做灌浆试验，以确定各施工控制参数（如灌浆压力、复灌次数、复灌间隔时间、裂缝宽度、水平位移等）及施工工艺。试验孔可选5～7孔，布置在具有代表性地段。（8）施工期观测：施工观测包括坝面巡视及变形观测。在灌浆过程中，设置专职人员，通过眼看、耳听和使用简单工具对坝面进行巡视检查，了解坝面的变化情况，以防止意外事故发生。检查内容包括裂缝观测、冒浆观测、塌坑和隆起观测、渗水观测。巡视人员应将观测结果详细记录，并绘制成图表，以利分析。变形观测是一个常规的观测项目，包括沉降和位移两项内容。可在坝体的两坝肩部位及坝坡中部各设一排观测点，排内点间距以30m为宜。观测频次按照规范要求进行。（9）灌浆工艺：临淮岗主坝粘土劈裂灌浆采用孔底注浆、全孔灌注、少灌多复、循序渐进的施工工艺，是保证劈裂灌浆质量和保证坝体安全的重要技术措施。灌浆机以不超过100kpa的压力将浆液压入注浆管，浆液从管底流出，顺注浆管外侧向上流动，当浆液受到阻挡后，灌浆压力升高，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。通过实践和理论证明，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。在灌浆过程中记录灌浆起止时间、浆液比重、浆液粘度、孔口压力、裂缝走向及冒浆情况等。（10）终灌标准：由于规范并没有明确界定终灌的可操作性标准，因此根据本工程的灌浆试验情况，由建设单位、设计单位、监理单位、施工单位四方共同研究确定终灌标准：各单元各孔灌浆次数应大于5次；在复灌中，当启动灌浆泵后吃浆时间小于10分钟即发生坝顶裂缝冒浆，可视为该孔不吃浆，应连续三次不吃浆方可封孔；各单元终灌时不得发生横缝，并且有大于80%的孔数达到终灌标准、达不到终灌标准的不得形成集中连片，则该单元所有灌浆孔可同期封孔。(11)封孔：当每单元达到终灌标准后，方可将注浆管拔出，采用无压方法注满容重大于1.5t/m3的稠浆，停5~7天（视固结情况），若孔内析出清水，则应取出清水，再注入稠浆，使浆面与坝顶齐平为止，最后用粘性土封堵孔口并夯实。五、设备配置见《机械设备配置表》及《检测设备配置表》。机械设备配置表名称规格型号单位数量备注钻机XJ-100A型台2山东省泰安市水利机械厂全液压锥探机HD24-1型台2湖北省洪湖县水利机械厂泥浆搅浆机WGJ80台5山东省泰安市水利机械厂名称规格型号单位数量备注单缸泥浆泵HB-80/10台8山东省泰安市水利机械厂双缸泥浆泵BW-200/125台2安徽省合肥市探矿机械厂柴油机20匹（14.7KW）台7江苏省常州市柴油机厂发电机8KW台2江苏省泰州市发电机厂潜水泵4KW台8检测设备配置表名称规格型号单位数量备注经纬仪J6台2南京测绘仪器厂水准仪NAL100台2苏州一光泥浆比重计1002型天平式套5上海地质仪器厂泥浆粘度仪1006型漏斗式套3上海地质仪器厂泥浆失水量仪1009型套2上海地质仪器厂备注：另有量筒、秒表、环刀、天平等。六、人员配置：见《台班劳动力组合表》。台班劳动力组合表人员岗位责任人数质检、技术员制定计划、质量控制、组织施工、事故处理2队长安排任务、跟班生产、统计进度、施工记录1施工观查员位移裂缝观测，施工控制，质量检查，观测记录2人员岗位责任人数试验员泥浆检测试验1机械工班长接受任务、安排施工2搅浆工机械操作、泥浆配置3灌浆工机械操作、泥浆灌注3钻工钻孔4电工电源、水源、线路维修1普工装土、清理场地4机动工机动用2合计25七、质量控制根据设计文件、《土坝坝体灌浆技术规范》（SD266-88）进行质量控制。1、严格控制灌浆土料质量，对粘粒含量、砂含量等必须达到设计要求。2、注浆开始，先送稀浆3~5分钟，泥浆容重控制在13~13.5kN/m3，然后将泥浆容重提高到14kN/m3以上。3、每个灌浆孔都要进行几次复灌，第一次灌浆量一般为0.5~1m3/m。4、每孔复灌不少于4次，每孔每次灌浆时间间隔不少于5天，裂缝不大于3cm。5、灌浆压力控制，一般不允许超过最高灌浆设计压力100kPa，如果灌浆压力超过设计压力，则应采取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。6、坝顶出现冒浆时，在灌浆初期，处理后再灌，后期冒浆则停灌1~3天后再灌，坝坡出现冒浆要进行处理并灌稠泥浆。7、封孔措施。每孔达到终孔标准后，拔出注浆管，孔口用土堆成“浆盆”或挖坑，反复充填稠浆，最后回填夯实。八、安全措施1、施工人员应戴安全帽和穿工作服，禁止非操作人员上机操作。2、非专职电工禁止拆卸和修理电器设备。3、如遇大雪或大雨天，禁止施工。4、制浆时，施工人员禁止把手伸进料斗或旋转筛网内。5、回浆阀门严禁对人。九、经济效益分析本工程土坝是五、六十年代建造，当时没有专门的碾压设备，基本上是人工堆筑而成，经过几十年的变化，至今已是破坏严重，内部孔洞较多、裂缝发育，已不能再独自发挥作用，必须对其采取处理措施。一是完全挖除，重新筑坝，即挖走重建方案，二是通过采取粘土劈裂灌浆技术对其进行加固处理，达到使用要求，即劈裂灌浆方案。如果采取前者，则以本标段为例，老坝现有土方约70万方，开挖单价以9元、填筑单价以15元计，则此项需投资1680万元，另外土料场征地约需750亩（开采深度2m），每亩以5000元计，投资需375万元，合计投资2055万元。而通过粘土劈裂灌浆处理后，需投资粘土劈裂灌浆的360万元，坝体表层清挖与填筑约15万方，各项单价按上述单价计，需投资360万元，料场征地约需45亩，投资约23万元，合计投资743万元。由以上对比可知，采用劈裂灌浆方案处理经济效益非常显著，基本上是挖走重建方案投资的1/3，仅此一项节约资金达1312万元。十、存在问题及对策1、采用XJ-100A型锤击式钻机，效率低、移动不便，且注浆管为Φ50的钢管，材料投资较