基岩化学帷幕灌浆.doc
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1、基岩化学帷幕灌浆为了截断大坝基础渗流,保证设计水头,以满足水库及坝工设计的经济效益;降低扬压力和防止集中渗流,确保大坝稳定和安全,在坝基上游部位,平行于坝轴线,用灌浆方法将浆液压入岩石裂隙或砂砾石层的空隙中去,形成一个类似帷幕形状的防渗条带。由于它的作用主要为防渗,故称为防渗帷幕。有关这方面的灌浆技术,称为防渗帷幕灌浆。过去防渗帷幕的灌浆材料主要为水泥,它应用于大坝防渗帷幕方面起了很大作用。随着工程上一些特殊问题的逐步暴露和要求日益提高,有的水泥帷幕不能完全满足设计要求,因此,将化学材料,特别是高分子材料应用于帷幕灌浆,其作用将更为重要,它在实际使用中已取得了较为显著的效果。1灌浆前的准备工作
2、为更好地满足基础防渗帷幕的要求,在进行化学帷幕灌浆前,必须注意以下几个方面。.1.1摸清地质情况在基岩帷幕化学灌浆前,首先应对整个基础的地质情况包括裂隙、断层、破碎带等影响大坝渗透稳定的主要地质缺陷和水文地质条件,进行调查研究,做到心中有数。这样才能决定是否有采用化学灌浆的必要和考虑相应的帷幕灌浆方案,以及施工工艺,以期取得较良好的防渗效果。1.2了解坝工条件灌浆方案中采用的帷幕深度、孔距、排距和灌浆压力等参数均与大坝本身要求有极大的关系,因此在设计帷幕前,必须对坝工条件作深入的了解,以确定上述各种参数。如根据坝工要求,进行帷幕灌浆的目的,除防渗外,还有一定程度的补强要求,这样,在选择化学灌浆
3、材料时,就可将此因素考虑进去。此外,可根据坝工条件来确定帷幕的防渗标准,以及允许水力坡降,从而决定幕体的厚度。1.3对水泥灌浆情况的了解化学灌浆,特别是基础化学帷幕灌浆,大都是在已做过水泥灌浆处理的基础上进行的。因此,在了解地质及坝工条件的同时,必须对过去水泥灌浆的情况与资料作全面了解与分析,查清水泥灌浆所以不能满足要求的原因:如裂隙太细,水泥灌浆时吸水不吸浆;或地下水流速较大,灌入的水泥浆易被冲走;或地下水对水泥有一定侵蚀性,缩短了幕体的使用年限等。根据这些来研究采用化学灌浆的可能性和必要性。1.4灌浆材料的选择化学灌浆材料的品种较多,至于采用何者为宜,须视具体工程的要求而定。防渗帷幕的主要
4、作用在于防渗,对材料本身的强度要求不高,这样,选用丙烯酰胺、铬木素等化灌材料比较适宜,因其粘度低、可灌性好,其凝胶体的渗透系数小,抗渗性能好,用于基岩帷幕灌浆,效果较好。鉴于目前高分子化学材料的单价较高,因此,有的临时性工程,如水利工程的围堰基础防渗,矿井、隧洞的预注浆等,就可选用其他价格较廉的材料,如水玻璃与水泥的混合材料等,这方面国内有许多经验,均获得了良好的效果。对通过断层破碎带部位的基础帷幕,如果需要其具有一定强度,可选用聚合体有一定强度的材料,如聚氨脂材料,改性脲醛材料如丙强等。可是一般帷幕灌浆大都是水泥灌浆之后进行的,因此,起强度作用的骨架主要是依靠水泥,这在一定程度上可以弥补化学
5、材料本身强度不足的缺点。2帷幕设汁2.1帷幕深度坝基帷幕最好能深入基础到相对不透水岩层,而相对不透水岩层的标准,与坝高、坝型等有很大关系。一般情况下,坝高些,标准就高些。在相对不透水岩层埋藏比较深的坝址区,帷幕没有达到相对不透水岩层的,这样常需配合其他防渗措施,才能满足设计要求。总之,化学灌浆帷幕的深度,可参照水泥灌浆帷幕来考虑。2.2帷幕钻孔的排数目前极大多数的化学灌浆常用于补充水泥灌浆的不足,因此,在设计时,应与水泥帷幕一起考虑。如设计水泥和化学帷幕各一排,二排水泥帷幕中间插一排化学帷幕;或者在某一段由于基础本身条件较差(如断层破碎带),在这一段内增设一排化学帷幕。在设有一排水泥和一排化学
6、帷幕时,化学帷幕是设在水泥帷幕的上游,还是下游,何者较好,这还是有待研究的问题。如化学帷幕设在上游,它除能补充水泥的防渗效果外,还有保护水泥帷幕不被环境水侵蚀的作用,以延长其使用年限,不过由于有的化学帷幕在水泥灌浆以后才设置,又因灌浆廊道内布孔位置的限制,常在水泥帷幕的下游增设一排化学帷幕。2.3帷幕厚度基础帷幕的厚度主要是根据地质条件、帷幕允许水力坡降、大坝基础的防渗标准和幕体本身的密实性、稳定性而决定的。由于化学帷幕的抗渗性能好,因此在相同的允许水头下,化学帷幕的厚度可较水泥灌浆帷幕薄些。2.4孔距与排距为了形成一个完整的抗渗性能好的帷幕体,孔距必须设计得合理。化学灌浆材料的可灌性较好,扩
7、散半径大,在理论上讲,设计的孔距一般应大些,但孔距大,势必会增加幕体的厚度,会耗用过多的浆液。由于大多是在水泥灌浆处理后或是在细微裂隙中灌注,故孔距一般也不会很大。根据目前一般的经验,化学灌浆的孔距约在11.5米之间,有的甚至还短些(如0.5米)。当然孔距的缩小,虽可节省浆液,也会增加钻孔的工作量,这方面应很好地权衡其利弊。当帷幕由两排或多排钻孔组成时,它们的排距,可以根据孔距和幕体厚度的要求计算而得,但由于浆液在岩层中的扩散情况,常与理论计算不符,故一般常凭经验而定。2.5孔径的选择在进行水泥灌浆时,孔径一般为7591毫米,检查孔的孔径要稍大些,如110130毫米。对孔径的选择,习惯上认为孔
8、径大一些,钻孔会遇到更多的裂隙,易获得较好的灌浆效果。化学灌浆时,一般也采用这种孔径钻进,但是,随之带来的问题是孔径大,灌浆时的孔内占浆量多,无效地耗用了较多的化学浆液。目前的趋势是向小口径的方向发展,如国外最近多采用孔径为46毫米的金刚石钻头钻孔,不仅钻进快,灌浆效果也好。对一般地质条件的岩层,钻孔又不很深时,多以同一孔径终孔,并不采用变径方式。3帷幕钻孔的钻进、冲洗和压水试验帷幕灌浆的钻孔是一个很重要的工序,他直接关系到将来帷幕的质量和完整性,因此必须重视钻孔的各项工作。3.1钻孔要求3.1.1钻孔方法基岩的钻孔,一般有硬质合金钻进、钻粒钻进和金刚石钻进等,根据岩层的硬度选择合适的钻孔方法
9、如67级以下的岩石,多用硬质合金钻进,7级以上的多用钻粒钻进,对岩石质地坚硬而且较完整的,可用金刚石钻进。从钻孔的质量来说,金刚石钻孔为最好,它不但岩粉少,不易堵塞裂隙,而且孔壁光滑。3.1.2钻孔方向帷幕钻孔的方向,取决于岩层的构造和裂隙的角度。最有利的钻孔方向是与裂隙面或岩层面垂直,这样,同样孔深的钻孔可以穿过较多的裂隙或岩层面,不但可节省钻进的工作量,而且灌浆效果也较好。在没有特定要求,不影响灌浆质量和不过多地增加钻孔工作量的情况下,为便于钻进和灌浆施工,帷幕钻孔特别是浅孔可尽量采用垂直孔。在某些特定条件下,要求钻斜孔时,就必须按照设计所规定的倾斜度和方位角钻进,并保证其偏斜率不超过允
10、许值,这样才易形成一连续性良好的帷幕,增强防渗效果。孔斜的测定,与水泥灌浆钻孔相同。在钻进中,必须严格按照设计的孔向钻进,尤其是深孔更要注意。钻进的具体要求,亦与水泥灌浆相同。3.1.3注意事项3.1.3.1必须按设计定位开孔,其误差一般不宜大于10厘米。3.1.3.2孔位确定后,钻机立轴方向必须准确控制,以保证孔口段的孔向准确,因为这是全孔能按设计方向钻进的关键。3.1.3.3及时了解孔斜情况,如果钻孔偏斜超过允许范围,应及时分析原因,并采取相应措施,便于及时纠正。3.1.3.4当第一孔段灌浆结束,需继续往下扫孔钻进时,应俟第一孔段灌浆结束48小时后进行,具体时间视所采用材料的性能而定。3.
11、1.3.5在对第、次序孔和检查孔钻进时,必须经常注意回水情况,并视回水中有无聚合体带出;仔细观察岩心的裂隙中有无浆液聚合体,及其充填和胶结情况,以便逐序了解灌浆质量和效果。3.2钻孔冲洗钻孔冲洗是一个很重要的工序,它的目的是用压力水将孔底和粘附在孔壁处的岩粉、铁砂、碎屑以及在岩石裂隙或空洞中所充填的松软或风化的泥质充填物冲出孔外,或是将充填物推移到需要灌浆处理的范围以外,这样才能保证浆液很好地充填裂隙,起到防渗或加固作用。钻孔冲洗有单孔和群孔二种。单孔冲洗有高压水冲洗、高压脉动冲洗和扬压力水冲洗等三种,根据不同的冲洗要求而选择。所谓群孔冲洗就是把两个以上的钻孔组成一个孔组,进行冲洗,它在实际工
12、程上虽然取得了一些效果,但由于工艺比较复杂,技术上目前尚存在一些问题,所以只有对地质条件比较复杂的少数或个别地段,为了达到特殊要求和目的,才采用群孔冲洗。一般帷幕灌浆都采用单孔冲洗法。3.3压水试验压水试验就是将水压入岩层,以测定其渗透性。压水试验的成果,是用单位吸水量来表示,其计量单位为升分米米。实性上,因为相同的单位吸水率可能存在两种不同的情况:一种是岩层的裂隙多而细,另一种是少而宽。因此,它不能如实反映该段内各部位渗透性的真实情况,故所求得的单位吸水率只能代表该灌浆段的岩石渗透性的平均值。3.3.1压水试验的顺序一般钻孔段的压水试验大多采用自上而下的次序分段进行,也就是钻完第一段后,将阻
13、塞器放在第一试验段顶部作试验,做完压水试验或灌浆结束后,再继续钻进。在孔深到达第二试验段底部时,将阻塞器塞在第一试验段底部做试验,依此类推,直至设计孔深。至于全孔综合压水,使用较少。3.3.2压水试验段的段长为了便于施工和比较灌浆前后的防渗效果,压水试验段长与灌浆段长应一致。3.3.3压力阶段和压力值一般常用的为一个压力阶段,即所谓简易压水试验,采用的压力为同段灌浆压力的7080。三个压力阶段的压水试验,可通过三个不同压力的五个阶段绘出压力与漏水量的关系曲线。化学灌浆一般是在水泥灌浆后进行的,单位吸水率已较小,大都用简易压水试验方法。在同一区域内的压水试验压力应采用统一的压力标准,以便各孔段资
14、料可相互比较。3.3.4流量的稳定时间自压水试验开始到漏水量稳定的这段历时,称为压水过渡时间。过渡时间的长短主要决定于地质条件。流量达到稳定状态后所延续的时间,称为稳定时间。稳定时间一般为3060分钟。稳定标准为达到稳定时间时,所有记录的漏水量数值,其最大流量与最小流量之差不大于诸流量读数平均值的10。3.3.5压力的计算压水试验压力,即指作用到试验段上的实际压力,又称全压力。它实际上是由数种压力所组成。3.3.5.1当地下水位在阻塞器以上时。压力的组成如下式:Hh1h2式中H-压水压力,换算成水柱高(米);h1-压力表指示压力,换算成水柱高(米);h2-压力表至地下水位的水柱高(米)。3.3
15、5.2地下水位在压水孔段之内时。压力的组成见下式:Hh1十Sx式中H-压水压力,换算成水柱高(米);h1-压力表指示压力,换算成水柱高(米);S-阻塞器以上的水柱高(米);x-自阻塞器底起向下至压力起算点的距离,其计算式为:x(L一)2L-压水试验孔段长;-孔段内的地下水深。4灌浆工艺4.1灌浆方法由于化学浆液是真溶液,无颗粒,不存在象水泥颗粒那样的沉降现象,所以一般都采用纯压法灌浆。就是灌入灌浆段内的浆液,都注入岩层的缝隙中去,不再从灌浆段内返出循环。化学灌浆通常有单液和双液法两种。单液法就是将浆液的所有组份都混在一起,用灌浆机械进行灌注,俗称泵前混合。双液法是将浆液配成两大组分,分别用灌
16、浆机械由二路输送至孔口混合装置,而后灌入裂隙,俗称孔口混合(也有在孔底进行混合的)。这两种方法可根据所需的浆液胶凝时间和进浆量的大小进行选择。在帷幕灌浆时,为了使浆液在一定压力下,扩散得远一些,可使浆液的胶凝时间较长些(30分钟以上),因此,采用单液法较多。两种方法的主要特点比较如表1所示。 表1 单液法与双液法的比较单 液 法双 液 法1. 适用于进浆率较小的孔段2. 适用于胶凝时间较长的浆液3. 浆液配比(甲、乙液之比)较精确4. 易堵塞设备与管路5. 灌浆后必须拆洗整套设备与管路6. 一般水泵或灌浆泵均能使用7. 可能造成浆液的浪费1. 不受进浆率大小的限制2. 不受浆液胶凝时间长短的限
17、制3. 浆液配比可能有误差4. 不易堵设备,仅可能堵住混合器以下的管路5. 灌浆后,设备管路冲洗方便6. 要求用计量泵,能调节流量7. 不会有剩余的已经混合浆液,浪费小4.2灌浆次序化学灌浆施工次序的原则与水泥灌浆基本相同,也是采用逐渐缩小孔距的方法,就是一般所谓的逐步加密法。同时,根据各序孔的单位吸浆量和单位吸水率的成果分析,可作为逐序检查灌浆质量的参考。对多排孔帷幕的施工次序,如在设计时,已考虑水泥和化学帷幕共同作用,那首先应灌水泥帷幕排。如设计多排孔的化学灌浆帷幕时,则可先灌下游排,后灌上游排(两排);或先灌下游排,后灌上游排,最后灌中间排(三排)。总之,在排序上也采用逐渐加密的原则。帷
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