CN101736719A - 坝体防渗帷幕灌浆的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及坝体防渗帷幕灌浆的施工方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，采用“密孔、高压、湿磨细水泥、浓浆”技术灌浆，提高坝体帷幕防渗能力、抗腐蚀性和耐久性；采用前堵后排的方式防渗，降低坝体下游渗流出逸点高程和坝内扬压力，解决混凝土冻融、冻胀问题。解决该问题的技术方案是：坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，包括以下步骤：a、在坝顶向下钻设一组帷幕灌浆孔；b、在基础廊道内，向上游面钻设辐射状灌浆孔；c、在基础廊道内，向下钻设深入坝基的帷幕连接灌浆孔；d、采用高压、湿磨细水泥、浓浆进行灌浆；e、坝体内钻设与基础廊道连通的排水结构。本发明主要用于混凝土大坝防渗、排水补强加固处理。

Description

坝体防渗帷幕灌浆的施工方法

技术领域

本发明涉及一种坝体防渗帷幕灌浆的施工方法。主要适用于混凝土大坝防渗、排水补强加固处理，此外对于其它当地材料坝防渗处理也有借鉴作用。

背景技术

已建大坝防渗、排水处理难度很大，以往常常采用大坝上游面防渗、坝体内部防渗两种方法。其中，大坝上游面防渗通常采用混凝土、土工膜、特种防渗化学材料等，大都需要水下施工，难度大，工期长，效果不理想。如放空或降低库水位，则对周边环境、上下游工农业生产和居民生活产生较大影响；坝体内部防渗通常采用坝体帷幕灌浆(水泥或化灌)、置换混凝土防渗墙、坝顶切槽等方法。在蓄水情况下，置换混凝土防渗墙、坝顶切槽方式，对坝体内部损伤较大，存在施工期安全隐患。而坝体帷幕灌浆法是在坝顶、坝体基础检查廊道内施工，不存在施工导流及水位控制问题，施工相对简单，施工条件较好，同时施工对坝体和电站运行影响较小。防渗帷幕灌浆是一种常规、成熟的施工技术，具备一套完整的理论，施工相对简单，并被广泛运用于大坝坝基及坝体防渗及补强加固工程中，但现有坝体防渗帷幕灌浆存在以下缺点：1、工艺落后，通常套用坝基帷幕灌浆工法，采用“疏孔、低压、普通水泥、稀浆”工艺，此法难以形成具有一定厚度的有效幕体，抗渗性、抗腐蚀性、耐久性较差；2、排水系统不完善，现有坝体排水一般采用垂直向下排水法，直接在坝顶钻设垂直排水孔孔与坝内基础廊道相接，对帷幕体产生较大的水力剃度；3、对幕体抗腐蚀性措施不重视，以致幕体耐久性差，短期重复灌浆的现象比较普遍。

具体如下：a、疏孔，一般套用坝基帷幕灌浆工艺，帷幕孔排距采用1.5-3m。由于坝体混凝土缺陷之间贯通性较差，灌浆的扩散范围往往有限。根据水东大坝灌浆补强和2006年丰满大坝14^#坝段灌浆试验及2008年降渗工程的成果分析，部分区域的I序孔(间距2m)、II序孔(1m)单耗分序递减规律并不明显，最终孔距达到0.5m才能有效。过疏的帷幕孔距，在低压、普通水泥、稀浆的工艺下，由于扩散半径较小，难以形成有效连续的防渗幕体。b、低压，一般套用坝基帷幕灌浆工艺，根据工程和地质情况进行分析计算并结合工程类比拟定，并通过灌浆试验论证，而后在施工过程中调整确定。目前基本在1.5MPa以下，有些工程甚至更小，在1.0MPa以下。灌浆压力是帷幕灌浆的重要参数，直接影响帷幕的防渗性能和耐久性，确定灌浆压力时要与坝体帷幕承受的水头相匹配。研究表明，在不会抬动坝体和混凝土不产生劈裂的情况下，尽量采用较大的灌浆压力。按规定加大灌浆压力，才能促使水泥浆由“填满”阶段向“饱和泌水”阶段过渡，同时，因提高了灌浆压力，缝隙扩张，便于浆液向更大范围扩散。“泌水”“扩散”过程要达到预期效果，需要一定的时间延续，在这个延续的时间内，水泥颗粒从浆液中陆续沉积下来，填充空隙，形成致密的结石，其中灌浆压力和灌注时间是影响浆液结石强度的重要因素。c、普通水泥，一般套用坝基帷幕灌浆采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥的纯水泥浆液，由于其颗粒粒径较大，在相同灌浆压力下，其渗透基体的能力小于细水泥浆液。d、灌浆浆液目前大都沿用坝基帷幕灌浆由稀变浓、逐级变换的方法：浆液水灰比一般采用5、3、2、1、0.8、0.6(或0.5)等六个比级，灌注细水泥浆液时，水灰比一般采用2、1、0.6或1、0.8、0.6三个比级。一般以稀浆开灌，如5∶1(甚至8∶1)。水泥浆由固体颗粒材料(水泥)和水按一定比例配制而成。灌浆的目的是要求水泥浆在被灌体的空隙中凝结和硬化，形成的结石具有足够的强度和抗渗性。水泥水化需水量少，而配制的水泥浆却是较稀的，灌入空隙的稀浆若不采取措施排除多余水分，浆液凝固后就会留有孔隙，使结石强度变低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：根据坝体混凝土灌浆特点，提供一种坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，采用“密孔、高压、湿磨细水泥、浓浆”新型灌浆技术，以达到提高坝体帷幕防渗能力、抗腐蚀性和耐久性的目的；本发明的另一发明目的在于采用前堵后排的方式进行大坝防渗，进一步降低坝体下游渗流出逸点高程，降低坝内扬压力，尤其在寒冷地区，可有效解决坝体渗漏引起的混凝土冻融、冻胀问题。

本发明所采用的技术方案是：坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

a、在坝顶垂直向下钻设一组帷幕灌浆孔，孔底距离基础廊道顶部3-5m，孔距为0.5-1.2m、排距为0.3-0.7m，并呈梅花形布置；

b、在基础廊道内，向上游面钻设扇形辐射状灌浆孔，并与垂直的帷幕灌浆孔交叉、相连；

c、在基础廊道内，垂直向下钻设深入坝基2-5m的帷幕连接灌浆孔，使坝体、坝基防渗帷幕相连，形成完整的防渗体系；

d、采用自上而下分段、孔口封闭、孔内循环重复式、三序灌浆方式分别对帷幕灌浆孔、辐射状灌浆孔和帷幕连接灌浆孔进行灌浆及孔口封堵，灌浆浆液采用湿磨后水泥颗粒平均粒径小于10μm的湿磨细水泥，始终按照0.6∶1或0.8∶1的单一水灰比进行灌浆；坝体帷幕表层孔段的灌浆压力为1-1.5倍帷幕的工作水头，帷幕底部灌浆压力为2-3倍帷幕的工作水头；

e、在坝体内钻设与基础廊道连通的排水结构。

为了增加灌入水泥材料的耐蚀性，所述湿磨细水泥内添加重量百分比为20％～25％的I级粉煤灰。

由于浓浆可灌性相对较差，灌浆过程中添加减水剂。

所述减水剂为浓度为2％的萘磺酸盐。

所述帷幕灌浆孔的孔径为56mm、76mm或110mm。

所述排水结构包括在坝顶、帷幕下游侧钻设至基础廊道顶拱的垂直坝体排水孔，基础廊道内向下钻设坝基排水孔，该坝基排水孔深入坝基以下的深度为0.4-0.6倍坝基帷幕深度，基础廊道内向下游侧钻设一组呈扇形分布的辐射排水孔。

所述辐射排水孔有1-3排，仰角为30-60度，每排相邻各辐射排水孔之间的距离为2-3m，辐射排水孔的直径为110mm-150mm。

所述坝体内部靠近下游侧开设排水廊道，并在该排水廊道内向上游侧钻设一组呈扇形分布并与辐射排水孔交叉连通的排水槽。

本发明的有益效果是：本发明中采用“密孔、高压、湿磨细水泥、浓浆”新型灌浆技术进行灌浆，相比以往坝体混凝土灌浆套用坝基帷幕灌浆技术的做法，减小帷幕灌浆孔的孔距和排距，增加了帷幕厚度，提高了幕体耐久性，同时采用湿磨细水泥、高压、浓浆进行灌注，灌浆过程中添加减水剂，使湿磨细水泥浆液对微细裂隙的可灌性达到最优，提高了灌浆的结石强度，从整体上提高了坝体的帷幕防渗能力；在帷幕下游侧钻设垂直坝体排水孔、坝基排水孔和辐射排水孔，采用前堵后排的方式，进一步降低了坝体下游渗流出逸点高程，降低了坝内扬压力，尤其在寒冷地区，有效解决了坝体渗漏引起的混凝土冻融、冻胀问题；在灌浆水泥中掺入活性的混合材(粉煤灰)，减少了软水的溶蚀程度，从而提高了坝体防渗帷幕的耐久性；综合来看，本发明可实施性、可靠性均较好，解决了传统坝体帷幕灌浆方法存在的抗渗性、抗腐蚀性、耐久性较差的缺陷，相比上游面防渗和置换混凝土防渗墙、坝顶切槽等方法，工期大为缩短、综合投资省、降低了工程处理施工难度和施工风险，各方面效益显著。

附图说明

图1是本发明的截面图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例具体施工方法如下：

a、在坝顶垂直向下钻设一组帷幕灌浆孔1，孔底距离基础廊道2顶部4m，孔径为56mm，孔距为1m、排距为0.5m，并呈梅花形布置；

b、在基础廊道2内，向上游面钻设扇形辐射状灌浆孔3，并与垂直的帷幕灌浆孔1交叉、相连；

c、在基础廊道2内，垂直向下钻设深入坝基5m(该深度为坝体防渗帷幕的深度，须与坝基防渗帷幕连接)的帷幕连接灌浆孔4，其孔径为56mm、孔距为1m，使坝体、坝基防渗帷幕相连，形成完整的防渗体系；

d、采用“高压、湿磨细水泥、浓浆”新型灌浆技术，自上而下分段、孔口封闭、孔内循环重复式、三序灌浆方式分别对帷幕灌浆孔1、辐射状灌浆孔3和帷幕连接灌浆孔4进行灌浆及孔口封堵。本例中，灌浆浆液采用湿磨后水泥颗粒平均粒径小于10μm的湿磨细水泥，始终按照0.6∶1(也可选择水灰比为0.8∶1的浆液)的单一水灰比进行灌浆，灌注帷幕灌浆孔1时，坝体帷幕表层孔段的灌浆压力为1-1.5倍帷幕的工作水头，帷幕底部的灌浆压力为2-3倍帷幕的工作水头，在实际施工过程中各段灌浆压力见下表：

帷幕灌浆孔1的孔距和排距的确定

根据研究和工程实践，高压灌浆有效扩散半径一般不小于1.5m。帷幕厚度与排距、浆液扩散半经的关系：

帷幕厚度T＝(1.5N-L)R

式中：N-帷幕钻孔的排数取2；

L-排距(m)取0.5m；

R-浆液扩散半经(m)取1.5m。

上述公式估算，当坝体帷幕灌浆排距为0.5m的二排灌浆幕体有效厚度将达到3.75m以上。

根据《碾压混凝土坝设计规范》SL314-2004的规定，采用常态混凝土作为碾压混凝土坝的防渗层时，其厚度和抗渗等级应满足坝体防渗要求，碾压混凝土防渗层的有效厚度，宜为坝面水头的1/30～1/15。由于防渗帷幕幕体前的坝体混凝土本身也有部分防渗功能，防渗帷幕的有效厚度取坝面水头的1/30。如大坝水头H按100m计，则帷幕灌浆防渗幕体允许厚度为3.33m。因此，本例中坝体帷幕灌浆采用二排、孔排距分别为1.0m、0.5m，则坝体帷幕灌浆幕体有效厚度可达3.75m，能满足50～100m级水头作用下坝体防渗幕体允许厚度3.33m的要求。若幕体工作水头更高，则需采用更加密集的灌浆孔。

灌浆压力的确定

灌浆压力是帷幕灌浆的重要参数，直接影响帷幕的防渗性能和耐久性。确定灌浆压力时要与坝体帷幕承受的水头相匹配，坝体帷幕表层孔段的灌浆压力不宜小于1～1.5倍帷幕的工作水头；帷幕底部的灌浆压力以2～3倍的工作水头为宜。在不会抬动坝体和混凝土不产生劈裂的情况下，尽量采用较大的灌浆压力。

在大规模灌浆施工前先进行生产性灌浆试验，灌浆前试验时应密切关注灌浆情况，适时调整灌浆压力。压力控制应采用电脑控制的灌浆记录仪，灌浆时应进行施工安全监测，发现异常现象应立即停止加压，经试验验证参考灌浆压力不会对坝体造成破坏后，确定试验正式采用的灌浆压力。

灌浆材料的确定

与普通水泥浆材相比，湿磨细水泥浆材具有颗粒粒径小、稳定性好、浆液结石抗压强度高和抗渗性能好的特点。在微细裂隙发育、破碎带地基及坝体混凝土中，使用磨细水泥浆材的灌浆效果明显优于普通水泥浆材，该浆材可以在裂隙宽度为0.05～0.2mm的岩体/混凝土中取得良好的灌浆效果，虽其成本仅增加了高效水泥湿磨机，略高于普通水泥灌浆，却比化学灌浆低得多。湿磨采用三台湿磨机串连进行，湿磨后水泥颗粒平均粒径不大于10μm，水泥浆液经二次湿磨后，水泥的比表面积由原来的3680cm²/g增加到8200cm²/g以上，具有更好的可灌性。且与普通水泥浆相比，湿磨细水泥浆具有较好的析水稳定性。水灰比越小，湿磨后的浆液稳定性越好。另外，湿磨细水泥浆在实际施工中因施加较大的灌浆压力，结石形成前有一个压力析水过程，密实度增大，结石强度和抗渗性能会大幅度提高。

浆液浓度的确定

为提高灌浆结石的强度，本实施例采用单一水灰比-0.6∶1(也可选用0.8∶1的水灰比)，浓浆贯穿始终，改变了以往“由稀变浓、逐级变换”的方法(以往如采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1等6个比级，开灌水灰比为5∶1，若漏水量Q＞5L/min，则采用3∶1开灌)。灌注浓浆，可缩短“饱和泌水”进程，增大混凝土密实度，提高结石强度，提高帷幕质量和耐久性。灌浆过程中加入水泥重量0.5％的非引气型缓凝高效减水剂，本例中减水剂选用2％的萘磺酸盐(据有关资料，浓度为2％的萘磺酸盐可使水灰比在0.6∶1至0.75∶1范围内的细水泥浆获得粘度的最优减少量)。在浆液配置过程中使用减水剂或高效减水剂是非常必要的，这可以使磨细水泥浆液对微细裂隙的可灌性达到最优。萘磺酸盐以β-萘磺酸钠甲醛高缩聚物为主，具有不引气、保水、缓凝等性能，能极大地改善混凝土或水泥浆液的和易性，提高流动度且无泌水离析，充分满足浆液在混凝土体细微缝隙中的扩散要求。

此外，为了提高幕体的抗腐蚀性，在湿磨细水泥内添加重量百分比为20％～25％的I级粉煤灰。其原理是：软水溶蚀主要是因为水泥水化以后产生氢氧化钙的结果，粉煤灰的活性部分能和氢氧化钙作用，生成一些不溶于水且侵蚀溶解不了它的低碱性硅酸钙和铝酸钙，它具有一定的强度，减少了氢氧化钙量，减少了软水的溶蚀程度，从而提高坝体防渗帷幕的耐久性。

e、在坝顶，坝体帷幕下游侧钻设垂直坝体排水孔5至基础廊道2顶拱，本例中垂直坝体排水孔5的直径为110mm，相邻各孔之间的距离为2.25m；在基础廊道2内，向下游侧钻设坝基排水孔6至坝基以下一定深度(满足规范坝基排水孔深度要求，坝基排水孔深入坝基以下的深度为0.4-0.6倍坝基帷幕深度，本例中坝基排水孔深入坝基以下15m)，使坝体、坝基排水形成完整的排水体系，本例中坝基排水孔6与竖直方向的夹角为30度，孔径为110mm，相邻各孔之间的距离为3m，在实际使用中，需要在基础廊道2内布置抽水泵，将渗入坝基排水孔6内的水抽入基础廊道2内，集中排放。同时，在基础廊道2内，向下游侧钻设若干排呈扇形分布的辐射排水孔7，进一步完善坝体排水系统，降低坝内扬压力，本例中，辐射排水孔7共有两排，其中一排仰角为30度，另一排仰角为60度，各排相邻的两个辐射排水孔7之间的距离为2.25m，排水孔4的直径为110mm，长度为25-30m。

为了进一步提高排水性能，在坝体内部靠近下游侧开设排水廊道8，并在该排水廊道内向上游侧钻设一组呈扇形分布并与辐射排水孔7交叉连通的排水槽9。本例中，排水槽9有一排，其仰角为30度，各排相邻的两个排水槽9之间的距离为2.25m，排水槽9的直径为130mm，且该组排水槽9与另一排仰角也为30度且与基础廊道2连通的辐射排水孔7交叉相连。排水时，大部分渗漏水分别通过垂直坝体排水孔5、坝基排水孔6和辐射排水孔7汇集至基础廊道2，集中排放，小部分渗漏水则通过排水槽9汇集至排水廊道8，集中排放。

全部灌浆结束后，在坝顶布置检查孔，检查灌浆质量和效果。坝体灌浆质量及效果检测包括：各灌浆孔灌前压水试验、灌后检查孔压水试验、灌前声波测试、灌后声波测试、检查孔取芯强度及弹模测试、坝面变形观测、灌浆前后渗压观测、孔内电视成像检测等。

Claims (8)

1.一种坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

a、在坝顶垂直向下钻设一组帷幕灌浆孔(1)，孔底距离基础廊道(2)顶部3-5m，孔距为0.5-1.2m、排距为0.3-0.7m，并呈梅花形布置；

b、在基础廊道(2)内，向上游面钻设扇形辐射状灌浆孔(3)，并与垂直的帷幕灌浆孔(1)交叉、相连；

c、在基础廊道(2)内，垂直向下钻设深入坝基2-5m的帷幕连接灌浆孔(4)，使坝体、坝基防渗帷幕相连，形成完整的防渗体系；

d、采用自上而下分段、孔口封闭、孔内循环重复式、三序灌浆方式分别对帷幕灌浆孔(1)、辐射状灌浆孔(3)和帷幕连接灌浆孔(4)进行灌浆及孔口封堵，灌浆浆液采用湿磨后水泥颗粒平均粒径小于10μm的湿磨细水泥，始终按照0.6∶1或0.8∶1的单一水灰比进行灌浆；坝体帷幕表层孔段的灌浆压力为1-1.5倍帷幕的工作水头，帷幕底部灌浆压力为2-3倍帷幕的工作水头；

e、在坝体内钻设与基础廊道(2)连通的排水结构。

2.根据权利要求1所述的坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，其特征在于：所述湿磨细水泥内添加重量百分比为20％～25％的I级粉煤灰。

3.根据权利要求1或2所述的坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，其特征在于：灌浆过程中添加减水剂。

4.根据权利要求3所述的坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，其特征在于：所述减水剂为浓度为2％的萘磺酸盐。

5.根据权利要求1或2所述的坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，其特征在于：所述帷幕灌浆孔(1)的孔径为56mm、76mm或110mm。

6.根据权利要求1所述的坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，其特征在于：所述排水结构包括在坝顶、帷幕下游侧钻设至基础廊道(2)顶拱的垂直坝体排水孔(5)，基础廊道(2)内向下钻设坝基排水孔(6)，该坝基排水孔深入坝基以下的深度为0.4-0.6倍坝基帷幕深度，基础廊道(2)内向下游侧钻设一组呈扇形分布的辐射排水孔(7)。

7.根据权利要求6所述的坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，其特征在于：所述辐射排水孔(7)有1-3排，仰角为30-60度，每排相邻各辐射排水孔(7)之间的距离为2-3m，辐射排水孔(7)的直径为110mm-150mm。

8.根据权利要求6或7所述的坝体防渗帷幕灌浆的施工方法，其特征在于：所述坝体内部靠近下游侧开设排水廊道(8)，并在该排水廊道内向上游侧钻设一组呈扇形分布并与辐射排水孔(7)交叉连通的排水槽(9)。

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