水泥膨润土在组合防渗结构坝体裂隙灌浆中的应用

GXF360 2017-11-12

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水泥膨润土在组合防渗结构坝体裂隙灌浆中的应用

孙　宁1,2，林云生3

(1.水利部农村电气化研究所，浙江杭州310012；2.水利部农村水电工程技术研究中心，浙江杭州310012；3.宁海县大佳何镇水利站，浙江宁海315600)

摘　要：浙江省宁海县的力洋水库在巡查中发现下游侧坝顶混凝土预制块之间裂缝出现逐渐增大趋势，经对裂缝的成因进行调查分析，提出了处理方案，取得不错的效果。图3幅，表2个。

关键词：水库；坝体裂缝；原因分析；处理方案

1　工程概况

浙江省宁海县力洋水库总库容1 351.7万 m3，是1座以供水为主，结合灌溉、防洪的中型水库，大坝为混凝土防渗墙加粘土心墙砂壳坝，最大坝高31.9 m。力洋水库于1979年完成一期工程， 2004年开始实施二期续建加固工程建设，并于2006年完成，二期加高的同时对一期坝体采用塑性混凝土防渗墙加固，防渗墙最大深度60.85 m；二期加高坝体采用粘土心墙，续建加固后坝顶高程为47.8 m，坝顶全长266 m。

2011年3月中旬，力洋水库巡查发现坝顶0+118 m至0+195 m坝段下游侧坝顶混凝土预制块之间裂缝出现逐渐增大趋势，特别是0+126 m至0+160 m坝段裂缝变化显著，最大裂缝宽度有10 mm左右。经对0+135 m断面开挖检查，发现心墙顶部下游侧部位存在宽8 mm沿坝轴线方向的纵缝，深度4 m左右，缝宽自上而下由宽变窄。

经南京水利科学研究院对裂缝成因分析，库水位在42.61 m以下运行，坝体防渗效果正常，但库水位超过42.61 m后，0+090断面存在异常，其他部位防渗效果正常。渗流分析库水位下降速度应控制在1 m/d以内，通过稳定分析，各工况下安全系数均能满足规范要求。虽然裂缝的存在并不影响坝体的稳定，但裂缝的存在有可能影响防渗效果；因此有必要实施水库坝体心墙裂缝处理，以消除裂缝来提高土体间的抗剪强度及防渗性能。

2　裂缝探查及施工方案的确定

2.1　裂缝调查情况

裂缝处理前必须掌握裂缝的分布、性状等，但对土体中的裂缝目前尚没有有效的无损检测方法，只能开挖检查。

为查明裂缝分布，首先清除坝顶预制混凝土块及粘土心墙上部碎石层，沿坝顶心墙每10 m左右采用人工开挖1条1 m宽的横槽检查裂缝分布情况。发现裂缝时，沿着裂缝灌入墨水，再沿裂缝走向开挖检查，选取裂缝最宽处进行探井开挖，再结合每隔10～25 m间距的探坑开挖等措施，查明裂缝的深度、宽度、走向等情况。检查过程中对裂缝进行全面编录，经过全面探查，裂缝分布情况如下：

共查明4条裂缝(分别用裂缝LF1、LF2、LF3、LF4表示)，分别位于坝轴线上游1.1 m至轴线下游0.7～1.0 m；裂缝出现在大坝桩号0+044～0+215之间，均为沿坝轴线的纵缝，局部为平行裂缝密集带，未发现贯穿性的横向裂缝；裂缝面较光滑局部有铁锰质渲染现象，顶面最大裂缝缝宽约2～5 mm，探明裂缝深度约4 m左右，断面揭示裂缝从上到下基本呈闭合状(见图1)。

图1　裂缝探查及测量

2.2　裂缝成因分析

探查发现裂缝基本分布于大坝3个部位：防渗墙上游侧面部位附近(位于坝轴线上游1.15 m处)、防渗墙下游侧面附近(位于坝轴线上游0.35 m处)、坝顶下游外侧相对较松软的部位，局部有裂缝密集带。

分析裂缝产生原因：由于二期续建加固工程混凝土防渗墙的施工，导致一期大坝土体中渗入较多水分，土体承载力降低；而二期大坝加高填筑对一期坝体的压载，由于混凝土防渗墙与土体的不均匀变形造成沿防渗墙两侧出现沉降变形裂缝，因此产生了LF1、LF2两条主体纵缝(坝顶表面局部因土质关系发展出多条平行状裂缝)。而LF3、LF4是由于坝顶下游外侧土体较坝中部粘土心墙相对松软，在外力压拉作用下不均匀变形产生的裂缝；尤其是桩号0+135附近约14 m宽的范围内，土体变形较大，坝顶产生2～5 mm的裂缝；同时该部位因土体牵引等作用于坝顶表面产生4～5条平行裂缝的密集带(见图2)。

3mm。80mm,BP〛

图2　坝顶裂缝位置分布

综上所述，力洋水库坝顶裂缝主要是由于多种因素形成了不均匀沉降的变形裂缝，裂缝位于二期加高的坝体中上部，无深层贯穿。裂缝一旦产生会因坝体土含水量的多少、水库蓄水位的高低而影响裂缝的变化，直至稳定。

2.3　裂缝处理方案

(1)灌浆方案确定

结合类似工程处理经验，采用坝体裂缝灌浆+浅层裂缝开挖回填的方案进行处理。首先实施灌浆试验孔，以确定灌浆参数和检验标准。灌浆试验孔布置在坝轴线附近的裂缝密集带和裂缝开展度最大的地段，沿裂缝布置，最大灌浆压力要求不得大于劈裂灌浆压力(即0.1 MPa)。

(2)浆液配合比试验

作为土坝裂缝灌浆，力洋水库的灌浆材料需满足以下要求：浆液固结体低强、塑性，尽量与土体匹配；浆液为真溶液，固化后全部成浆体，无水等附产物；浆液要有足够的流动度，以保证进浆效果；浆液要有足够的可灌性，能灌注0.3 mm级裂缝；浆液凝固后，有一定的微膨胀，与周围介质能够紧密结合，达到灌浆后坝体的整体性；地处水源保护地，浆液必须无毒，以防止可能泄漏对水质的危害。

综合以上分析，选择水泥膨润土作为裂缝灌浆材料，但需要进行比重、粘度、胶体率等试验来选取最合适的浆液配合比。通过选取9种不同比例的浆液进行试验，得出了各种配合比浆液性能(见表1)。

表1　不同比例的浆液配合比

水泥∶膨润土∶水水土搅拌难易程度粘度/s密度/(g·cm-3)胶体率/%外加剂/%1∶3∶4可拌601.4198201∶3∶5易拌401.3497121∶4∶4难搅拌1∶4∶5可拌751.3899301∶4∶6可拌591.3497201∶4∶7易拌321.2959581∶5∶6难搅拌1∶5∶7可拌521.3698321∶5∶8易拌301.2929710

注：外加剂掺量为水泥用量的XX %。

配置浆液的原则是选取合适的比重，再添加不同比例的外加剂(高效泵送剂)来控制合适的粘度，经过试验：当水土比小于1.25时，搅拌桶会因粘土浆的粘度太大而无法搅拌；水土比大于1.75时，浆液的比重若要控制到密度大于1.3时，需加入较多的水泥、添加剂才能提高浆液的密度，且土和水搅拌后，再加入减水剂，其粘度会有所增加(通过试验，“膨润土∶水=1∶1.5”的浆液中加入减水剂后其粘度为42 s，而不加减水剂粘度为34 s)。

水泥比例含量越高，加入减水剂的变化越明显，从表1可知水泥与膨润土的比例为1∶3时减水剂加入相对较少，水泥比例小的浆液只有多加入减水剂才能配置到合适粘度的浆液。试验显示由于粘土颗粒的较大吸附作用，造成水泥粘土浆减水剂的加入量相对于混凝土中的加入量(一般2%左右)要增加较多，以上配比的浆液胶体率均大于95%(见图3)。

图3　浆液终凝后的试验样品

试验结果显示，当水与膨润土比例在1.25～1.75之间，水泥与膨润土比例在0.2～0.33之间，可以配制出合适的水泥粘土浆，浆液的比重与粘度满足灌浆要求。因此，综合考虑搅拌、结石体硬度、密度、添加剂用量等多方面因素，选取“水泥∶膨润土∶水=1∶3∶5”的混合浆液最适合本工程的施工；此时浆液密度测量值为1.30～1.35，粘度为32～45 s，浆液可灌性良好；但随着灌浆时间延长，搅拌桶内的浆液粘度有增加的现象，浆液会变得越来越浓。

(3)灌浆试验

针对裂缝位置进行干法造孔，孔口下入1根套管进行塞橡塞灌浆，开灌表压力为0.05 MPa时，进浆量约4 L/min；当压力增加到0.15 MPa时，裂缝不断增大，缝宽从1 mm增大到5 mm，并有浆液从孔两边裂缝冒出；暂停处理(开挖回填)后继续灌浆，再次于孔右边约2 m范围出现冒浆，缝宽从1 mm扩大到5 mm，压力减小到0.05 MPa灌浆，裂缝再次冒浆后结束灌浆。

在试验孔灌浆部位进行开挖检查，发现裂缝中充满水泥粘土浆液，且密集带部位多条裂缝也是充满浆液的。可见通过灌浆，裂缝已完全被充填，达到了试验的目的。

3　裂隙灌浆处理施工

3.1　施工工序控制

根据灌浆试验结果，并经参建单位及有关专家充分商议，力洋水库心墙裂缝处理方案为：对现有裂缝进行充填灌浆，孔深至混凝土防渗墙顶部80 cm(即42.3 m高程)，沿混凝土防渗墙顶部轴线位置进行全坝段劈裂灌浆，孔深至混凝土防渗墙顶即41.5 m高程。选择水泥∶膨润土∶水=1∶3∶5的配合比进行灌浆，浆液粘度为30 s左右，密度在1.3～1.36之间；灌浆水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，膨润土选取杭州仇山漂土有限公司的酸性白土，高效减水剂选用浙江老虎山建材有限公司的TOR704高效泵送剂。

充填灌浆孔距为2.0 m，劈裂灌浆孔距为3.0 m，灌浆分Ⅰ、Ⅱ序孔钻灌，采用自上而下灌浆法灌浆施工。施工中为保证水泥浆液的扩散半径和可灌性，先选用粘土稀浆开灌，后再用水泥粘土浆进行灌浆，这样更容易使裂缝最大限度的灌入浆液。

灌浆压力：充填灌浆允许表压力为0.05 MPa，劈裂灌浆压力控制在0.05～0.15 MPa之间。

灌浆结束标准、待凝：在设计压力下若灌浆至浆液有冒出，经过开挖回填压实后，继续灌浆浆液依然有冒出，则结束灌浆。实际施工在开挖回填继续灌浆后，若再次于裂缝出现冒浆则结束灌浆；或若裂缝在增大，待压力回落后续灌，浆液仍有冒出，可结束灌浆；这说明该处裂缝已填满浆液，满足设计要求。

3.2　质量检查

(1)力洋水库的裂缝处理共实施充填灌浆83只孔，进尺390.1 m；劈裂灌浆87只孔，进尺466.9 m。灌浆质量检查主要以开挖检查及灌浆成果分析为主要手段，灌浆结束后，由建设各方及质监部门联合进行现场开挖检查。经现场随机检验，所开挖的各检查段水泥粘土浆均充满裂缝。

(2)灌浆成果分析。全坝坝段劈裂灌浆单位孔深灌入干土量>50 kg/m的有33段，占总段数的38%；单位孔深灌入浆量113.5 L/m。现场检查劈裂灌浆基本有浆液从坝顶或挡浪墙底部冒出，局部有多条裂缝，且裂缝基本纵向相连。从坝顶裂缝冒浆情况显示，在劈裂灌浆时，裂缝位置处有浆液冒出；说明在进行劈灌时，浆液已灌入该裂缝，达到充填的效果(见表2)。

表2　劈裂灌浆幕厚统计