CN104278660A - 水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法 - Google Patents

水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法 Download PDF

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Abstract

水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法：⑴在坝体施工完成的某坝面水平面放置注浆管；⑵在坝面分层填筑土石料并碾压；⑶坝面上升到特定高程后，通过注浆管注入水泥浆液；⑷检测浆液渗透状况；合格后，重复步骤⑴、⑵、⑶，直至所需高程和位置。本发明工序简便，省去了地基注浆的打入注浆管、钻孔、灌注套壳浆料等工序和材料，大大降低了施工费用。根据需要注浆可采用双栓塞对特定位置进行注浆。经本方法施工后，结石强度、单轴抗压强度大幅度提高。注浆后坝体密度可达2.32~2.39g/cm3。坝体的抗渗性能也有显著提高。渗透系数可达到10-6cm/s量级，相当于粘土的防渗性能。

Description

水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法
技术领域
本发明涉及一种土石坝建造筑坝施工方法，具体涉及一种采用水平埋管分层注浆直接固结强化土石材料的土石坝筑坝建造方法。
背景技术
挡水大坝的建造按筑坝材料分主要有两种类型：混凝土坝（包括混凝土重力坝、拱坝等）和土石坝（包括黏土坝、砂砾石坝、堆石坝等）。混凝土坝以混凝土材料为主建造，材料多系外运，需进行二次加工，填筑工艺复杂，坝体相对较小。土石坝以当地材料为主建造，运输便捷，填筑工艺简单，坝体庞大。一般来说混凝土坝对坝址地形、地质条件要求高，如拱坝对河道断面、河岸岩石及地基条件有一定要求，重力坝则要求建造在岩石地基上，而土石坝对地形、地质条件要求相对较低，可以建造在任何地基上。选择何种坝型需根据坝址水文、地形、地质、当地材料、环保、造价等多种因素综合确定。
鉴于技术上的原因历史上我国建造的水坝绝大多数是黏土坝，坝体高度较低。由于土地资源的稀缺有限，耕地宝贵需要保护，并且其材料本身强度低，压实性不佳，当前使用黏土材料筑坝越来越少，尤其是高坝很少采用。混凝土材料强度高，既能挡水又能防渗，可以建造高坝。但混凝土坝作为挡水建筑物其坝体结构主要由稳定条件控制，大多数区域其强度不能充分利用，尤其是混凝土重力坝材料强度富余较多。砂砾石、堆石材料强度高，填筑施工技术简便，施工造价低，适宜建造高坝。由于土石坝单方施工费用只有混凝土的十分之一甚至更低，尽管其体积可达混凝土坝的5~6倍，总的施工造价相对仍然较低，近年来使用土石材料筑坝越来越多，据统计百米以上高坝中土石坝坝型（主要是砂砾石坝、堆石坝，以下本文所述及的土石坝均指砂砾石坝、堆石坝）占50%以上，并且这一比例还有逐步上升的趋势。
当然土石坝也有其自身的缺点，如坝体断面较大，占地面积大，不利于其他水工建筑物如发电厂房、泄洪道的布置。砂砾石、堆石材料自身渗透性强，作为挡水坝体需另作防渗体，而这一防渗体的造价占整个挡水坝总体造价的相当大比例。由于其土石方需求量大，开山破地取土对当地生态环境有一定影响。土石坝运行期坝体变形量大，对坝体其他结构物的使用有不利影响。
两种坝型从结构或力学特性上说，土石坝属散体柔性结构，体积大刚度小，坝体在施工期及运行期变形大，混凝土坝属整体刚性结构，体积小刚度大变形也较小。
人们希望能够找到一种能够同时具有两种坝型的优点的坝型或坝体建造方法，如建造工艺简单，坝体体积较小而又具较大刚度，变形较小。但是现有技术中尚未有这样的坝型或坝体建造方法。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法。该方法建造的坝体能够同时具有两种坝型的优点，如建造工艺简单，坝体体积较小而又具较大刚度，变形较小。同时，建造方法简单可行，宜于推广使用。
完成上述发明任务的技术方案是，一种水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，其特征在于，步骤如下，
⑴.在坝体施工完成的某坝面水平面放置注浆管；
所述的“放置注浆管”，一般是横向放置注浆管，但根据需要也可沿坝轴线纵向放置；
管间距由试验确定；例如，采用1m或2m的管间距。
⑵.在坝面分层填筑土石料并碾压；
⑶. 坝面上升到特定高程后，通过注浆管注入特定配合比的水泥浆液；
所述的“特定高程”， 一般可以采用0.8m或0.8m的整数倍（一般土石坝的每层填筑厚度为0.8m）。
⑷.检测浆液渗透状况；合格后进，重复步骤⑴、⑵、⑶，直至所需高程和位置。
所述“特定配合比的水泥浆液”，一般采用的配合比是：水灰比0.1~0.2。在正式使用前试验确定。
这里提出土石坝埋管分层注浆固化土石坝筑坝方法，其特点是在土石坝分层填筑时水平向预埋注浆管，在填筑到预埋管上一定高度时，从预埋的注浆管中向填筑土石料注入水泥浆或其他材料浆液使土石材料固化，达到筑坝土石料提高强度降低渗透性的目的。
注浆技术是用气压、液压或电化学原理，把能固化的浆液注入到某种介质的裂缝或空隙中，以改善介质的物理力学性质，满足工程需要。制作浆液的主剂材料种类很多，最常用的用到兼有加固和防渗功效的是水泥，以防渗功效为主的常用浆液材料则有粘土、水玻璃等，其他一些在具有特殊功效无机、有机化学浆液材料工程上也有使用。
以上方法的优化方案中，增加有以下步骤：
在步骤⑵之后，增加步骤⑵-1：根据以下公式进行计算，以确定步骤⑶中所注入水泥浆液的粒径：
D15/d85≥15，
D10/d95≥8，
式中D表示土石料的粒径，d为注浆料的粒径，下标表示小于该粒径的颗粒质量的比例。
把水泥或其他材料浆液灌入土石料（砂砾石、堆石）中，可产生三种作用：（1）化学胶结作用。浆液发生化学反应产生胶结力，把分散的土（砂砾、堆石）粘结在一起，使岩土的整体结构得到加强；（2）惰性充填作用。充填在岩土孔隙中的浆液凝固后，强度、刚度变大，能加强岩土对外力的反应机制，使岩土的变形受到约束；（3）离子交换作用。浆液在化学反应过程中能与岩土中的某些元素进行离子交换，形成具有更加优良工程性质的新材料。
注浆管的形式规格、空间具体布置、上覆压力大小（注浆管上填筑厚度）、栓塞位置、浆液配合比、注浆的压力和先后次序需要根据筑坝土石料的性状和所形成坝体的具体技术要求进行试验后确定。
单一水泥浆凝结后的结石强度可达8~12MPa(普通425水泥，水灰比0.75：1~1：1)，一般砂砾石、堆石料的单轴抗压强度在40MPa以上，经水泥注浆施工后的砂砾石、堆石体坝体强度应能达到10MPa以上。砂砾石、堆石体坝体填筑密度一般在2.2~2.25g/cm3，以每立方坝体注入100kg水泥，水化后用水20~40kg计算，注浆后坝体密度也可达2.32~2.39g/cm3。从强度和密度方面来看都相当于低标号的混凝土。
坝体的抗渗性能也有显著提高。根据对砂砾石地基注浆加固实例来看，对渗透系数为10-1cm/s~10-2cm/s砂砾石地基注浆后渗透系数可达到10-6cm/s量级，相当于粘土的防渗性能。
由此可知注浆后所形成的坝体与原土石材料相比性质已有很大改变，注浆把原先无凝结力的散体颗粒胶结起来，孔隙率显著减小，形成一种类似于混凝土的新材料，其强度、刚度较大提高，坝体的整体性、稳定性和抗渗性能都大为提高。相应地，坝体的断面可以减小，整个坝体的的体积和施工工程量也大为减小。
1、可注性
注浆方法在地基与基础工程中应用甚广，常用于提高强度、加固基础、改善地基防渗能力等方面。作为注浆对象的土石料的颗粒级配一般需满足可注性指标：
D15/d85≥15
D10/d95≥8
式中D表示土石料的粒径，d为注浆料的粒径，下标表示小于该粒径的颗粒质量的比例。由上式可知注浆料的粒径需显著小于土石料的粒径。从一些堆石坝的颗粒组成来看，D10、D15最小约为1~5mm，而普通水泥最大粒径44-100μm，d85、d95不超过0.1mm，即使用普通水泥作注浆料便可满足可注性要求。
2、施工工艺
注浆施工从工艺上主要分为以下三种：（1）渗透注浆。在不破坏地层颗粒排列的条件下，浆液充填于颗粒间隙中，将颗粒胶结成整体，土体的强度和防渗性有较大幅度的提高。渗透注浆的必要条件是浆液的粒径远小于土颗粒的。（2）压密注浆。在注浆点注入浓稠的浆液，使注浆点周围形成浆泡，将注浆点附近的土体挤压密实，提高土体的密度和强度。（3）劈裂注浆。使用较高的注浆压力，浆液克服土体的初始应力和抗拉强度，使土体在沿垂直于小主应力平面上发生劈裂，浆液在沿此面贯入，可用于裂隙岩体的防渗和补强和坝体、地基的治水防渗与加固。
土石坝坝体由于采用分层碾压填筑施工，其密实度是比较高的（压实度一般在0.96以上），一般不需注浆压密。因而对于土石坝坝体的注浆应以渗透注浆为主，必要时采用劈裂注浆。
在地基中注浆，要在注浆位置打入注浆管至指定深度分段注浆，注浆管直径一般50~100mm，管壁凿有多个孔径2-5mm的注浆孔，由注浆泵驱使浆液通过注浆管从注浆孔向外压出，但这只适用于浅层注浆。对于较深地基或注浆管难以打入的地基注浆需预先钻孔。为防止由钻孔冒浆，在钻孔先灌注一定粘度的套壳浆液，然后放入注浆管，待套壳浆液具有一定强度再施行注浆，如广泛使用的袖阀管注浆施工工艺，注浆效果较好。
本发明克服了现有技术的不足。对于土石坝坝体的注浆，由于坝体采用分层碾压填筑施工，注浆管可以在填筑面水平向铺设，注浆管之上再填筑上面坝体作为上覆压力荷载，然后通过水平向注浆管向管周围的坝体进行注浆。此方法补管工序简便，省去了地基注浆的打入注浆管、钻孔、灌注套壳浆料等工序和材料，大大降低了施工费用。根据需要注浆可采用双栓塞对特定位置进行注浆。注浆管的形式规格、空间具体布置、上覆压力大小（注浆管上填筑厚度）、栓塞位置、浆液配合比、注浆的压力和先后次序需要根据筑坝土石料的性状和所形成坝体的具体技术要求进行试验后确定。
具体实施方式
实施例1，水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，工程实施步骤如下：
⑴.在坝体施工完成的某坝面水平面横向放置注浆管（根据需要也可沿坝轴线纵向放置），管间距试验确定；⑵.在坝面分层填筑土石料并碾压；⑶. 坝面上升到特定高程后注浆管注入特定配合比的水泥浆液；⑷.检测浆液渗透状况，合格后重复步骤⑴-⑶，直至所需高程和位置。

Claims (8)

1.一种水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，其特征在于，步骤如下，
⑴. 在坝体施工完成的某坝面水平面放置注浆管；
⑵. 在坝面分层填筑土石料并碾压；
⑶. 坝面上升到特定高程后，通过注浆管注入特定配合比的水泥浆液；
⑷. 检测浆液渗透状况；合格后，重复步骤⑴、⑵、⑶，直至所需高程和位置。
2.根据权利要求1所述的水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，其特征在于，所述的“放置注浆管”，是横向放置注浆管，或者沿坝轴线纵向放置。
3.根据权利要求1所述的水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，其特征在于，所述的管间距采用1m或2m的管间距。
4.根据权利要求1所述的水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，其特征在于，步骤⑶中所述的“特定高程”，采用0.8m或0.8m的整数倍。
5.根据权利要求1所述的水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，其特征在于，步骤⑶中所述“特定配合比的水泥浆液”，采用的配合比是：水灰比0.1~0.2。
6.根据权利要求1所述的水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，其特征在于，在步骤⑵之后，增加步骤⑵-1：根据以下公式进行计算，以确定步骤⑶中所注入水泥浆液的粒径：D15/d85≥15，D10/d95≥8，式中D表示土石料的粒径，d为注浆料的粒径，下标表示小于该粒径的颗粒质量的比例。
7.根据权利要求1-6之一所述的水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，其特征在于，步骤⑶中所述的“注入特定配合比的水泥浆液”，是指：以渗透注浆为主，或采用劈裂注浆。
8.根据权利要求7所述的水平埋管分层注浆直接固结强化的土石坝筑坝建造方法，其特征在于，步骤⑶中所述的“注入特定配合比的水泥浆液”，其注浆管直径50~100mm，管壁凿有多个孔径2-5mm的注浆孔。 
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