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水库大坝基础固结灌浆补强加固施工技术

2022-06-23黎炎春

科技创新导报 2022年4期
关键词:大坝浆液灌浆

黎炎春

摘要:在水库大坝基础建设过程中,通过固结灌浆补强加固施工技术,能在一定程度上提升水库大坝结构的稳定性,不仅能提升抗压强度,还能提升其弹性模量,降低水库大坝发生渗水的概率,且整个施工过程成本较低、过程比较便捷。本文在分析固结灌浆补强加固施工技术基本原理的基础上,结合具体案例详细介绍了相关技术的施工工艺过程,对提升水库大坝基础的可靠性,促进固结灌浆补强加固施工技术的应用范围具有重要的实践意义。

关键词:水库大坝固结灌浆补强加固基础施工

本文对某水库除险加固工程进行详细分析,水库中安装有混流式水轮发电机组,每个机组的容量为260 MW,共安装了4台发电机组。根据设计要求,水库正常的蓄水位需达到745 m。水库大坝采用碾压混凝土重力坝形式,整个坝体高度和坝顶高程分别为200.5 m和750.5 m,对大坝基础实施固结灌浆施工时的最低高程设置为550 m。经过前期对水库大坝基础的地质勘查发现,基礎所在区域范围内的地层主要包括T1yn1-1、T1yn1-2、T1yn1-3等,属于中等坚硬的岩体和坚硬的岩体,岩体整体上比较完整,并且力学性能比较好。但是存在一个F1断层,存在裂隙发育、泥化夹层等问题,会在很大程度上影响水库大坝基础的稳定性,威胁大坝长时间地安全可靠运行。

1 固结灌浆补强基本原理与优势

1.1 固结灌浆补强原理

在对水库大坝进行修建过程中,可能会使用爆破技术对土方进行处理,会对水库大坝基础的稳定性产生一定影响[1],此外,在修建大坝时如果遇到地质比较松软的区域,也会对水库大坝的稳定性产生不良影响,对以上问题需要采用一定的技术手段对基础进行加固处理[1],以保障水库大坝的抗变形能力和抗渗水性能。目前固结灌浆补强技术的应用比较多,所谓固结灌浆指的是将特殊配置的具有一定胶凝性和流动性的浆液,通过钻孔并施加压力的方式将其注入岩体内部,通过浆液凝结以提升岩体的强度和弹性模量的技术方式。通过上述技术措施,不仅能提升岩体强度,还能改善岩体致密度,从而提升岩体的抗渗性和整体性。其中,在实践工程中应用的浆液主要就是指水泥浆液。

本水库除险加固工程在开展固结灌浆补强加固施工技术时,需要在F1断层附近加大钻孔密度,以提升断层区域岩体的整体性和稳定性。本水库整体上呈现出梅花形布置,钻孔之间的排距和间距均设置为300 cm,钻孔时确保垂直岩体向下推进,钻入的深度控制在25 m左右。

1.2 固结灌浆补强技术优点

目前固结灌浆补强技术中使用较多的是水泥浆液,通过将水泥浆液注入到岩体内部然后凝结,能提升整个岩体的整体性,进而保障岩体的均匀性和强度。水库大坝由于长时间受到水的浸润,特别容易出现不均匀沉降、大坝渗水,甚至岩石变形等问题,通过对大坝基础进行补强,则可以显著改善上述问题。

为了在最大限度上发挥固结灌浆补强技术的优势,针对不同类型的水库大坝基础,需要采取不同类型的施工技术方案。比如混凝土重力坝,通常需要对整个水坝基础实施固结灌浆技术。对混凝土拱坝或者重力拱坝,需要重点对承受较大作用力的坝肩拱座岩体部位实施固结灌浆技术[2]。当需要在土石坝防渗体底部位置进行混凝土垫层施工时,对垫层下部区域的岩体同样需要开展固结灌浆施工技术,以提升岩体的稳定性。工程应用中为了确保固结灌浆技术的施工质量,通常需要在待加固的岩体表面浇注一定厚度的混凝土或者盖板,再开始注浆。

如果水库大坝基础的岩石地质条件非常复杂,通常需要在现场开展相关试验工作。通过现场试验确定最优的注浆工艺参数,包括钻孔的布置形式、孔的深度、孔之间的排距和间距、灌浆顺序和压力等。常见的钻孔布置形式有六角形、方格形、梅花形等,钻孔之间的排距和间距通常控制在3 ~ 6 m,钻孔注浆时应逐渐增加钻孔密度[2]。

2固结灌浆技术施工措施

2.1 分段施工

分段灌浆的施工方法是一种由上到下的灌浆技术,这种技术经常被应用在水电工程的施工中。分段灌浆施工的主要特点就是可以很好地达到想要的深度,并且也能达到合适的条件,一般在灌浆即将结束的时候就可以进行下个施工阶段。

2.2 止浆塞灌浆

利用这种方式来开展从下到上的灌浆操作,可以在开始之前进行一次性的成型工作,同时还要将设计深度作为主要的依据来施工,根据水压试验的结构来从顶的底部开始向上灌浆,采用止浆塞来实现对灌浆的控制和分段。

2.3 分期灌浆

灌浆的位置是从岩石的顶部开始,采用低压灌浆的方式一直到最上面的灌浆可以达到预计好的强度才结束。当固结灌浆进入到第二阶段的钻孔工作之后,需要从岩层的顶部出发来利用高压的技术进行灌浆。最后是依据钻孔的深度再进行第三次的钻孔与灌浆,一直到达到要求为止。

3 固结灌浆补强加固施工技术应用

以下主要结合某水库除险加固工程,从机械设备准备、施工工艺过程控制方面进行详细介绍。

3.1 机械设备准备

进行钻孔灌浆时需要用到的重要设备主要是灌浆机,还需要配套使用压力表、灌浆塞、输浆管以及拌浆筒等设备或工具。灌浆机根据其工作原理可以划分成为液压式、活塞式和气压式3种类型。由于灌浆机的运行状态和稳定性会对灌浆质量产生决定性的影响,因此在正式使用灌浆机前,需要对其运行状态进行仔细检测,对各个零部件进行维护保养,以提升其运行的稳定性,确保设备在良好的状态下进行灌浆工作[3]。

3.2 施工工艺过程

本工程案例中基于预埋管法开展固结灌浆施工工艺技术,整体上可以划分成为两大步骤,分别为钻孔和灌浆。以下对施工中涉及的关键环节进行详细介绍。

(1)钻孔。利用专业钻孔设备配合使用直径为40 mm的合金钻头开展钻孔工作。钻孔过程中需要利用风管将孔底的岩屑、土屑等及时吹出,确保孔内没有碎屑、保持干净,直到钻进到设计深度为止。完成钻孔工作后还需对其进行保护,防止出现孔壁坍塌、异物落入等问题[4]。

(2)注浆管预埋。将直径和长度分别为1 in和5 m的铁质耐压管预埋在注浆孔上部区域,高出孔口20 cm左右。在距离基面4 m左右的位置通过橡胶封隔片对孔进行封堵,并在孔与管壁中间的间隙填充高标号砂浆进行封堵,使孔口附近形成密闭的空间结构。此举的作用是防止灌浆过程中出现冒浆的问题。

(3)洗孔。利用高压清水对孔进行彻底清洗,可以将孔内存在的碎屑以及缝隙中存在的风化泥质充填物等都冲出孔外,为水泥浆液更好地充填到各个岩体缝隙中提供更好的便利,从而强化固结灌浆补强技术的效果。通常情况下,洗孔时的水压控制在灌浆压力的80%为宜,以回水较为干净为宜。

(4)压力灌浆。灌浆过程中应遵循逐渐加密的基本原则,先在水坝基础的四周进行灌浆,逐渐向中间孔位靠近[3]。本工程案例中基于一次全孔灌浆法进行压力灌浆,过程中需将注浆管深入到距离孔低20 cm左右的位置。启动注浆泵向孔内输入水泥浆液,随着注浆过程的进行,注浆管逐渐向上移动。灌浆时会设置有一定的压力,确保浆液能够深入地渗入到孔壁裂隙中,并将缝隙中存在的水分挤走。待水泥浆液固结后可以确保孔壁周围的岩体形成一个整体,提升其强度和防渗性能。

(5)封孔和孔位处理。灌浆完成后,水泥浆液凝固時会有收缩现象,导致孔顶部位置形成孔洞,需要将孔洞内的积水进行处理,并用高标号砂浆对孔洞进行封填,将孔口管凿平后使用高标号砂浆进行抹平处理。

(6)灌浆记录。固结灌浆补强施工工艺过程中,需安排专门人员对整个工艺过程,特别是钻孔、清孔和灌浆过程进行准确记录,尤其是出现异常情况时更应该如实、及时记录。压水和灌浆时使用的仪器设备会对相关数据进行自动记录监控,此外还要通过人工方式进行记录,并将两者进行对比。如果数据方面出现了明显的偏差,需要及时找到原因。本工程案例中使用的灌浆仪器设备为JLY-Ⅳ,可以自动对水泥浆液的注入率、水灰比以及灌浆压力等参数进行记录。

(7)抬动观测。灌浆时为了避免混凝土被抬裂,需要沿着灌浆方向均匀设置观测孔,并且通过千分表对抬动情况进行观测。利用φ15 mm的钢筋将千分表测杆固定在套管上,并对外管和锚固头进行密封处理,防止水泥浆液渗入到内部对千分表造成损坏。本工程案例中,在对钻孔进行冲洗并灌浆时,均对抬动情况进行观测记录。根据工程设计规范要求,最大抬动值不得超过200 μm。具体实施过程中,抬动值都达到了设计规范要求。

4 常见问题处理及施工质量检测

4.1 常见问题处理

水泥浆液灌注过程中,如果出现了外漏或者冒浆等问题,可以采用表面封堵、降低灌浆压力以及嵌缝等方式实施处理。如果出现了串浆现象,即两个孔的浆液串通到一起时,如果两孔均具备灌浆条件,则可以采用“一泵一孔”的方式对两孔同时进行灌注。如果串通孔无法开展灌浆工作,可以利用栓塞对串通孔进行堵塞,待正常灌浆的孔完成灌浆工作以后,重新对串通孔进行清孔、灌浆工作。灌浆过程中尽量保持连续性,如果确实因不可抗力因素需要中断灌浆时,尽量将灌浆中段时间压缩到半小时以内,如果时间超过半小时,则需要进行清孔后重新钻孔灌浆。因灌浆中断再次进行灌浆时,如果出现吸浆量减小甚至不吸浆时,则需要重新钻孔灌浆。如果遇到涌水孔时,首先要对涌水量及其压力进行准确检测,针对涌水段进行单独灌浆,根据实际情况适当增加灌浆压力,完成灌浆工作后还需要继续施加压力1 h,特殊情况下还可以在水泥浆液中添加一定的速凝剂[5]。

4.2 施工质量检测

固结灌浆工作完成后的3~7 d左右,可以对固结灌浆施工质量进行检查,检查时主要基于孔压水试验结果,并配合灌浆过程中的记录数据进行综合分析。质量检查时需要对3种类型的灌浆情况进行检查:第一,水泥浆液注入量相对较大的部位;第二,灌浆过程中数据方面出现了异常情况的部位;第三,大孔隙、断层、岩石破碎等地质情况相对较为复杂的部位。开展质量检查工作时,试水压力设置在1 MPa,要求基岩的透水率Q ≤ 3 Lu。本工程案例中对5%的钻孔灌浆情况进行质量检查,经过检查合格率超过了85%。经过分析发现,检查不合格的部位基岩的透水率Q未超过4.5 Lu,并且不合格的灌浆孔位比较分散,并没有集中。基于此,通过施工质量检查,认为本次固结灌浆补强加固施工质量是否达标的,能够满足基本工作需要。

5 固结灌浆施工技术的质量保障措施

5.1 灌浆施工准备

固结灌浆施工首先需要对施工现场的状况进行仔细的勘察,根据地质特点选择合适的技术手段,这样才能够保证后续施工的顺利进行。其次,还应该根据工程项目的实际状况,设置合理的施工方案,确保工作人员都能够严格按照施工方案的内容完成灌浆作业,根据具体的状况,一旦发现施工方案不完善的情况,一定要及时纠正,充分发挥施工方案的指导价值,提高水利工程建设质量[6]。

5.2 浆液水灰比控制

进行固结灌浆时,水灰比例会对整个灌浆质量产生极大的影响,需要保证注入量超过300L,而且时间超过1h,如果注入率和灌浆压力仍然没有明显的变化,就需要适当增加水灰比的浓度,如果注入率过快,而且每分钟超过30L,那么就需要根据施工的具体要求,来适当调整灌浆的比例。在灌浆过程中一旦出现停止的现象,必须及时找到出现这种现象的原因,并且选择恰当的处理方式,在最短的时间内恢复灌浆,如果停止的时间过长,必须对钻孔进行彻底的清理以后,才能够开展后续的灌浆工作[7]。

5.3 优先使用长钻具

针对地质较厚而且岩土层比较松软的地区,一旦出现钻孔倾斜的状况,工作人员需要立即更换钻具,减少钻具的直径,而且适当增加钻具的长度。如果钻具的直径小较大,使用这样的钻具很有可能会导致钻孔过程中出现钻孔方向倾斜的现象,工作人员需要将岩心管控制在1.5m左右,当钻进的长度到达3m时,立即检查是否出现倾斜的状况,一旦检查结果表明倾斜有所缓解,那么可以考虑换回原来的钻具,如果倾斜问题仍然比较严重,那么就需要再次更换钻具,使用长钻具对修正区域进行扫孔处理,然后再根据具体的倾斜状况进行相应的调整,防止出现质量问题,影响到施工的顺利进行。

6 结语

水库大坝基础的稳定性会对水库运行的安全性产生决定性的影响,因此必须确保水坝基础的施工质量。利用固结灌浆补强施工技术对水坝基础进行强化处理,可以在很大程度上提升基础的强度及其防渗水性能。开展固结灌浆补强工艺技术时,需要充分分析施工现场的实际情况,必要情况下开展现场试验工作,对工艺参数进行严格控制,包括钻孔深度、灌浆压力等,只有这样,才能够在最大限度上发挥过节灌浆补强施工技术的优势,提升水库大坝基础的稳定性。本文结合具体案例总结固结灌浆补强施工技术经验,对提升施工质量具有一定的现实意义。

参考文献

[1] 寇福星.千泉湖水库大坝除险加固措施研究[J].陕西水利,2021(12):210-211.

[2] 李钦哲.浅析水利水电工程中的大坝加固设计技术[J].珠江水运,2021(21):39-40.

[3] 陈刚.努尔加水库大坝基础防渗灌浆参数设计及施工分析[J].地下水,2021,43(3):235-236.

[4]薛孟.汉中石门水库除险加固工程施工技术研究[J].科技资讯,2020,18(4):38-39.

[5]张太俊.特殊地质条件下除险加固水闸的基础设计和地基处理方案[J].水利技术监督,2022(1):224-227.

[6]李乐.前咀子水库除险加固方案设计及相关问题的分析研究[D].咸阳:西北农林科技大学,2021.

[7]何江,陈念辉,潘益斌.锦屏二级水电站引水隧洞围岩固结灌浆设计与实践[J].广西水利水电,2021(1):56-60.

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