劈裂施工

劈裂施工（共8篇）

劈裂施工 篇1

摘要：采用劈裂灌浆技术加固土堤防工程质量管理的关键在于控制好灌浆施工的各个环节, 特别是浆液控制、时间间隔和灌浆量控制、灌浆压力控制等灌浆综合控制环节。

关键词：劈裂灌浆,质量,综合控制

在大型堤防工程中, 堤身土料多为粘土、壤土及砂壤土, 在经过多年运行后, 特别是经受过洪水浸泡的大堤, 堤身往往多处出现塌陷、管涌、贯通裂缝等重大险情。为了增加大堤的抗渗性, 保证堤身安全, 对于堤身裂缝, 查明裂缝类型并进行处理。对不太深的表层裂缝可采用开挖回填的办法处理, 对较深的内部裂缝则可采用重力灌浆、压力灌浆或劈裂灌浆法处置。

劈裂灌浆利用最小主应力面和堤轴线方向一致的规律, 根据土体水力劈裂的原理, 顺堤向布孔, 在灌浆压力下以适宜的泥浆液为能量载体, 有控制地劈裂堤身, 将与浆脉连通的所有裂缝、空洞、空隙等隐患用泥浆充填密实, 同时浆压将筑堤土压密, 最终在堤内顺堤向形成密实、垂直、连续、有一定厚度的浆液防渗固结体, 从而达到防渗加固的目的。灌浆的浆液可采用粘土或黄土泥浆。

劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有设备简单、操作方便等优点, 投资小、见效快, 已被广泛地应用。在具体操作中还应注意施工过程各个环节的控制, 保证灌浆的质量, 才能达到预期的效果。

现就我局管理的横山水库除险加固劈裂灌浆工程、太湖大堤竺山圩劈裂灌浆等工程施工中, 总结一些该项技术施工质量控制体会。

1 灌浆施工准备

由于灌浆需要24h不间断施工, 为保证工程进度与质量, 施工前必须做好施工准备, 首先, 灌浆机、发动机应进行全面检修, 保证机械设备正常运行。第二, 选择符合要求的土料场, 由于灌浆孔吃浆量的不确定性, 所选择的料场土料必须充足。第三, 选好水源及送水车辆。

2 布孔与钻孔

钻孔之前, 先根据设计要求布好孔位, 造孔应保证垂直, 倾斜度不得大于2%。

3 安放护壁管

所谓劈裂式, 即在套管顶部加回浆管, 当孔口压力过高时, 从回浆管回浆, 以加快浆液的流动性, 减少和避免固形物在灌浆管中沉淀。灌浆流程如下 (如图1) 。

浆液由泥浆泵通过注浆管压入孔内, 排气完毕后, 关闭阀门, 向孔内注浆直至大堤劈裂冒浆。

护壁管的作用是使堤顶不致过早劈裂, 保证灌浆效果。护壁管可采用DN100的无缝钢管, 长比设计孔深浅50cm。下管方法:悬吊起护壁管放入孔内, 上管口在离地1.0 m时用布缠绕护壁管, 徐徐落下;在离地0.3m时, 再用布条二次封堵孔口并填土夯实, 防止浆液从孔口冒浆。上述封孔方法在施工中效果较好。

4 灌浆控制

因大堤下部情况较复杂, 有的为抛石基础, 内部存在架空现象, 有的土质较好, 因此根据实际情况, 在灌浆过程中, 采用不同的灌浆压力、时间、稠度以充填内部空隙即对灌浆进行综合控制。灌浆综合控制是保证灌浆期间堤身安全和灌浆质量的重要措施, 灌浆综合控制包括:浆液控制, 灌浆量控制, 灌浆压力控制, 横向水平位移控制, 裂缝开展宽度控制。灌浆综合控制施行于灌浆过程的始终。

4.1 泥浆比重的控制

制浆通常采用机械拌制, 水与干土重量比为1∶1~1∶1.6。灌浆过程中根据吃浆量的大小变化, 调节泥浆比重, 吃浆量大时浓些, 反之稀些。每孔初灌时, 为打开浆路, 采用比重为1.53~1.55g/cm3的稀泥浆, 随后逐渐增大泥浆稠度, 一般控制在1.64~1.66g/cm3之间, 封孔泥浆比重控制在1.70~1.7 4 g/c m3之间, 泥浆比重采用比重计测量。

4.2 时间间隔

初灌与第一次复灌的时间间隔通常为15 h, 复灌1~2、2~3等以后的复灌间隔时间则为30h。

4.3 灌浆压力

灌浆压力是保证灌浆质量的关键, 压力过大会对大堤的稳定不利, 过低则会降低灌浆效果, 达不到预期目的。设计虽有灌浆压力要求, 但在施工时, 不应把它作为控制性指标, 而是以大堤劈裂冒浆为原则。灌浆时压力由小逐渐加大, 达到起劈压力时持续灌浆5分钟, 如仍不出现劈裂, 加大注浆压力, 直至堤顶劈裂。裂缝出现后, 为了延长劈裂时间, 适当减少注浆量 (减少20%~30%) , 继续升压, 直至劈裂冒浆。

4.4 结束标准

灌浆采用初灌一次, 复灌两次。如果复灌2的吃浆量大于总吃浆量的15%, 则应进行第三次复灌、第四次复灌……直至最后一次的吃浆量小于总吃浆量的15%为止。

4.5 封孔

终灌结束后在孔内注满容重大于1.6g/cm3泥浆, 浆面下沉后再灌, 直至浆面不再下沉为止, 施工中一般注入3~5次。

4.6 观测记录

灌浆过程中, 应做好现场施工记录工作, 动态观测灌浆过程中的各种变化, 如劈裂缝的宽度、长度、方向的变化、地基的鼓起范围和高程、堤坡局部平面位移、各孔吃浆量等, 以备查询, 确保堤体的安全。

5 灌浆效果检测

灌浆结束后, 随机挖深3.0m、长3.0m、宽1.5m的深坑若干个, 检查深坑中劈裂缝是否由灌浆孔底部贯通到了堤顶、裂缝最宽厚度、浆脉是否清晰、浆液固结体密实度。距浆脉10cm、30cm处各取5组土样进行检测, 10cm组的干容重与30cm组的干容重差异, 以确定灌浆效果是否明显, 灌浆施工是否能达到了堤防防渗加固的目的。

6 结语

横山水库除险加固劈裂灌浆、太湖大堤竺山圩劈裂灌浆工程施工检测数据和竣工后实际运行观测结果, 均表明劈裂灌浆质量控制良好, 堤坝防渗效果可靠, 达到了除险加固的目的。这说明只要在控制好灌浆施工的各个环节, 特别是灌浆综合控制, 就能够保证灌浆的质量, 从而确保工程质量处于受控状态。

劈裂施工 篇2

关键词：劈裂灌浆；堤坝；防渗加固

劈裂灌浆技术利用了土坝内部存在弱应力面的规律（通常沿坝轴线方向），在土坝上沿弱应力面方向布置一排或两到三排灌浆孔，通过选择适当的灌浆压力，使土坝沿弱应力面产生裂缝（即劈裂土坝），同时在泥浆充填、压密、固结以及浆坝互压等综合作用下，形成有效的防渗帷幕，最终达到加固土坝的目的。这项技术是我国水利工作者在总结土坝灌浆实践经验基础上提出的一项卓有成效的技术，已成功处理土坝、土堤数千公里，具有施工便捷、经济高效之优点，因而在水利水电行业受到欢迎和重视。为了更好地将劈裂灌浆技术应用于堤坝除险加固工程，本文对相关问题进行了分析和探讨。

1 劈裂灌浆技术原理与施工工艺

1.1 劈裂灌浆技术原理

图1为堤坝断面内部的应力分布。一般情况下，堤坝竖向应力 、纵剖面水平应力 、横剖面水平应力 之间存在 的关系。在堤坝轴线附近有近似关系： ， ， （ 为坝内纵向应力， 为坝内竖向应力， 为坝内水平应力），由此得到 。可见坝内纵向应力是堤坝内部三个主应力中最小一个（即小主压力），因此灌浆时沿坝轴线方向最易发生劈裂。在坝轴线上布置若干灌浆孔，当灌浆压力 时，坝体内部就会被劈开[1]。事实上，从灌浆孔注浆加压到坝体劈裂经历了以下几个阶段：（1）浆液进入堤坝内部，土体被挤密；（2）土体被挤密到一定程度就会出现拉裂现象；（3）挤压应力超过了土体强度的极限，土体断裂，坝体被劈开出现劈裂缝；（4）随着多次复灌，坝体内裂缝、洞穴等缺陷被充填、回弹压密。起始劈裂压力可以用 表示，其中 为堤坝钻孔平面的小主应力， 为土体单轴抗拉强度， 为圆孔应力集中系数（一般 =2.3～3.0）。发生劈裂的泥浆压力条件是 。

1.2 劈裂灌浆施工工艺

劈裂灌浆的施工工艺如图2所示。根据设计要求放样布孔，即确定孔位、孔距和孔深等。目前，堤坝劈裂灌浆一般采用冲击、挤压、旋转等型式钻机。较矮的堤坝（≤10m）常选用前两种型式的钻机，多用干钻方式；较高堤坝（>10m）应采用旋转钻机，并以湿法钻进。钻孔必须分序钻进，以先疏后密方式造孔。孔序多采用2序～3序。造孔孔位偏差一般≯50mm，孔斜≯2%。劈裂灌浆浆液的选择和使用，对堤坝灌浆质量影响很大，应当满足流动性、稳定性、凝结性和经济性等要求。一般情况下，首选当地价廉易得的黏土浆，必要时可掺入膨润土及其他外加剂，以改善浆液性能，如水玻璃等，为防治白蚁还可加入白蚁灵等药剂；特殊部位可采用水泥浆或水泥黏土浆、自凝灰浆。制浆方法包括干法和湿法两种，以湿法居多，如采用WJG80、WJ100搅桨机制浆。浆液黏度一般控制在20～100s，密度在1.1～1.6g/cm3，稳定性0.1～0.16 g/cm3。灌浆一般采用孔底注浆全孔灌注法，主要控制灌浆压力和一次灌浆量，即应遵循“先稀后浓，分序灌浆；少灌多复，控制浆量”的原则。前两次灌浆采用密度1.1～1.3 g/cm3的稀浆，然后再将密度提高至1.4～1.6 g/cm3。复灌次数保持5～10次，矮坝每孔复灌间隔不少于3d，高坝复灌间隔不少于5d。施工时应控制裂缝，按照“先内劈后外劈”的原则，控制前两次灌浆堤顶不产生裂缝，出现裂缝也要立即停灌；第3次开始堤顶裂缝宽度也不能超过2cm宽。每次单孔灌浆量应控制在0.5m3/m左右，并合理分配各序孔的浆量，采用两序灌浆时Ⅰ序孔灌浆量要达到总灌浆量的60%以上。灌浆压力的控制与堤坝质量、坝高、孔深、泥浆密度以及坝体隐患状况、堤坝安全性等众多因素相关，并没有统一的数据标准，可以这样理解：如果灌浆压力太小不足以劈开坝体，就不成为劈裂灌浆；但灌浆压力太大，很可能会对坝体造成破坏。以沙壤土为例，孔口压力值一般控制在150～200kPa，但有些工程孔口压力值达到300kPa仍然未出现险情，这是因为孔间坝体结构等因素不相同所致[2]。一般可通过灌浆量、压力突变来判断灌浆压力，灌浆量突然增大或压力表值突然降低，往往预示着坝体内部已发生劈裂。终灌标准一般以连续复灌3次不吸浆且外观上饱、满、实为依据。终灌后以稠泥浆封孔，静置一周后抽出表面清水，注入泥浆，再用干土或砂、石、土配成混合土封口，压实。由于灌浆后坝顶存在坑凹、表面裂缝、坝高降低等现象，应进行铺土夯实及碾压处理。

2 劈裂灌浆技术在堤坝除险加固中的应用

2.1 工程概况

某水库是灌溉为主兼防洪、发电、供水、淡水养殖的综合性水利工程，总库容1.31×108m3[3]。水库枢纽建筑包括1主坝、2副坝以及溢洪道、输水涵管、水电站等。主坝长2846m，坝顶高程60m。坝基为玄武岩全风化土，局部搀杂玄武岩孤石，透水性较强。坝体填土为粉质土，结构较为松散。土体孔隙比高，透水性强，并且坝体与坝基结合部处理不好，防渗性较差。根据多年观测结果，主坝坝脚与下游坝坡处渗漏较为严重，因此决定采用劈裂灌浆技术处理坝体和坝基。

2.2 施工方法

灌浆方案是在桩号2+430～5+000约2670m坝段布设单排孔，其中坝高8m以下坝段采用2序孔，孔距2～2.5m；坝高8m以上坝段采用3序孔，孔距2.5m。99%以上采用湿法造孔，不足1%采用干法成孔。浆液采用水泥黏土浆，水泥含量约9%。浆液配比采用8：1、5：、3：1、2：1和1：1，稀浆开灌，逐步变浓。施工机械采用XY-100型钻机、XY-150型钻机各1台，BW250/50、HB80灌浆泵各2台，以及其他配套设备。成孔孔径80mm。灌浆采用孔底注浆全孔灌注方法，并同时灌3～4孔。开灌泥浆密度1.19 g/cm3，终灌泥浆密度1.46 g/cm3，封孔泥浆密度1.60 g/cm3。遵循“少灌多复”原则，先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序及Ⅲ序孔。最大灌浆量控制在0.5～1.0m3/m，复灌次数平均约6次，间隔5d。孔口压力控制在50～300kPa。本项工程总共灌浆605孔，总进尺近1万m，共灌浆28368m3，消耗黏土7511t，使用水泥693t。灌浆结束1年后，验收钻探发现大坝洇湿渗漏现象消失，说明灌浆效果达到了设计要求。

3 结语

我国水利工程中土坝、土堤数量众多，既要满足防渗加固要求，又要成本易于接受，劈裂灌浆就是解决此类问题的可靠有效技术。由于劈裂灌浆也属于隐蔽性工程，需要施工单位具备丰富的经验和娴熟的技术水平，因此施工过程中应加强质量控制和数据记录，以便对灌浆效果评价更科学合理。

参考文献：

[1] 卓林.浅谈劈裂灌浆在堤坝加固中的应用[J].甘肃水利水电技术，2013，49（7）：56-58，61.

[2] 刘成伟，陈晓峰，沈金荣.关于劈裂灌浆加固法几个问题的研究[J].江苏水利，2013（12）：19-20.

桩基挖孔劈裂施工技术探究 篇3

一、人工挖孔劈裂施工技术适用范围。

1、劈裂施工技术适用于石质人工挖孔桩开挖, 尤其硬石效果更明显。劈裂工艺, 纯利用物理原理进行, 针对石材抗拉能力差的弱点通过楔块扩大推理的进行。

2、对于安全性要求较高的区域, 不能采用爆破施工, 风镐施工效率比较低, 采用劈裂施工技术就解决了这一难题。

二、挖孔桩劈裂施工技术工艺原理

利用劈裂机、水钻和风钻的成套使用, 先在桩孔石方中间由水钻取出一个大孔, 然后利用风钻在大孔周围分布小孔, 在小孔内利用劈裂机进行劈裂作业, 分解石料, 从而进行挖孔。

劈裂机 (图1) 主要利用液压和楔块原理 (图2) 增大作用力, 从而达到对石方的劈裂的效果。

三、挖孔桩劈裂施工技术特点

1、代替炸药人工挖岩石孔桩, 施工过程无爆破, 安全性高无污染。

采用劈裂工艺进行挖孔桩石方开挖, 其过程无振动、无冲击、无噪音, 无粉尘。

2、成孔质量高, 扩孔率小。

采用劈裂机进行桩孔内石方开挖, 其开挖的界面完全由钻孔的位置决定, 其劈裂的尺寸准确, 从而保证了成孔的质量。

3、施工速度快, 成本低。

劈裂工艺不计打孔仅仅需要数秒钟, 且一个劈裂机可同时带多个劈裂头, 工作效率高, 设备操作简单、维护保养方便。

四、挖孔桩劈裂施工技术艺流程及操作要点

1、施工工艺流程 (图3)

2、施工准备

1) 检查劈裂机等设备的状态, 保证设备良好, 能够正常使用。仔细核实劈裂机的性能, 确定劈裂能力, 获取最大劈裂距离和深度。

2) 布孔时, 大孔居中, 小孔分布周围;从内圈至外圈间距逐渐增大, 最大间距不超过设备能力;桩径边缘位置为了控制尺寸, 密度适当增大。

3) 根据布孔的形式, 在桩孔内进行标识, 以控制钻孔的位置。

3、钻大孔

1) 钻大孔根据空间的大小, 可选用手持式或固定式水钻, 其钻头直径选择10cm或者15cm。

2) 取孔的长度不低于50cm, 并大于劈裂头长度的2倍;以满足临空面和保证劈裂空间的要求, 从而保证工作效率。

3) 布孔形式分三种:第一种--对于小直径的桩基可钻一个大孔, 周边以圆周的形式布设小孔 (图4) ;第二种--大直径的桩基根据需要可分布2-3个大孔 (图5) , 中间位置散布小孔, 周边尽量以圆周的形式布设小孔, 以满足桩径尺寸的控制。第三种--对于方形桩可按方形布设。

4、钻小孔

1) 围绕大孔的周围用风枪钻孔, 钻孔位置应按照打孔布设图执行;孔径以劈裂机的型号而定, 一般直径为38~42mm。

2) 按照布孔的设计, 一次性施打完毕;钻小孔后使用预先准备好的钢筋插入比试, 以保证钻孔深度满足劈裂机的要求。

3) 小孔的深度必须大于劈裂头长度的2倍。

4) 桩径处打小孔时, 其方向宜向桩基外倾斜, 倾斜角度不大于5°。

5、劈裂作业

1) 劈裂工艺可一个孔一个孔的进行, 也可多个劈裂头同时进行;同时进行劈裂时应按照布孔在半圆内进行。劈裂作业如图6。

2) 劈裂头插入必须保证其劈裂的方向正确, 楔块的平整面应于石方开裂方向在同一直线上。

3) 内圈劈裂完成后, 应用撬棍把石块裂缝加大, 以保证下一圈的劈裂临空面。

4) 劈裂前将中心楔块伸出, 在受力表面以及外楔块内槽内, 涂抹专用润滑脂 (图7) 。每使用5~10次, 在外楔块处涂抹一次, 以充分减少摩擦, 增大实际劈裂力。

5) 劈裂完成后, 打开回油阀退出中楔块, 才能将劈裂头取出。

6、石块清理外运

1) 石块清理时, 利用吊桶进行, 每桶装石块的数量以不超出桶沿为宜。

2) 较大石块应进一步解小后方能放入桶内吊出。

桩基挖孔采用劈裂施工工艺无需爆破, 分裂过程无振动、无冲击、无噪音, 无粉尘, 安全性高。成孔尺寸完全符合桩基成孔的要求, 施工质量高。工作效率高, 投入资源少, 可以降低成本30%以上效益明显。同时, 采用本工法避免了爆破产生的炮损赔偿的费用。在未来的公路桥梁桩基施工中, 基于以上的优点该技术将会得到广泛应用。

参考文献

[1]液压劈裂机在阿尔及利亚沙漠水管线项目中的应用[J].石油天然气学报, 2010 (03) .

劈裂施工 篇4

1 工程概况

湖南某水库坝址以上集水面积为25km2, 上世纪60年代建成蓄水。它是一座以灌溉为主, 兼顾养殖等综合利用的中型水库, 水库总库容1245万m3, 大坝高30m, 工程由主坝、副坝、溢洪道、梯级放水管组成。

水库主坝为均质土坝, 坝体迎水面为浆砌石护坡, 本水库设计洪水位为301m, 坝顶高程304.5m, 正常蓄水位299.7m, 主坝长750m, 副坝长250m, 坝顶宽5m。经多年运行, 已进入了老化期, 加上年久失修, 有相当多的土坝不同程度地出现坝外坡洇湿、漏水、渗透变形等现象, 给水库蓄水防洪带来巨大的安全隐患, 水库主坝防渗加固工程已刻不容缓。

2 水库主坝渗漏的成因分析

本水库大坝工程是上世纪60年代大搞群众运动时期修建的, 属“三边”工程, 只注重工程建设速度, 不注重质量, 致使有些工程自完工之日起, 就存在着不同程度的安全隐患, 造成土坝渗漏的原因主要有以下几方面:

⑴坝体疏松:在筑坝过程中, 由于施工时采用了不符合要求的土作为大坝填筑材料, 或土料填筑质量控制不严、碾压不实, 导致坝体漏水。

⑵坝体裂缝:在筑坝时, 清基不彻底, 坝基可压缩性土层的厚度相差悬殊, 填筑时铺土层高度不一, 坝料性质差别较大, 就会产生大坝沉降不均, 发生拉应变, 使坝体产生各种不同形式的裂缝, 导致大坝漏水。

⑶坝外坡洇湿漏水:土坝施工过程中, 由于接头多、合拢口抢修等造成压实质量不好, 或芯墙中夹有砂层等, 蓄水后会导致这些薄弱环节发生洇湿、渗水, 库水位越高, 大坝外坡洇湿面积越大, 渗水越严重。

⑷坝体发生渗透变形:土坝土体结构在渗流作用下遭到破坏, 主要有流土、管涌、接触冲刷等形式, 其中以管涌的危害性最大, 如不及时处理, 就有溃坝的可能, 经分析可采用以下几种方案进行防渗加固处理:

方案1:槽孔式混凝土防渗墙方案, 墙厚0.6m;

方案2:高压旋喷桩柱列式防渗墙与坝体劈裂灌浆方案, 防渗墙厚0.54m, 两道劈裂灌浆厚0.20m;

方案3:坝体劈裂灌浆方案, 劈裂灌浆厚0.2m。

经组织专家论证, 从经济、技术等角度分析, 最终决定采用劈裂式灌浆方法进行水库主坝防渗加固处理。

3 水库主坝劈裂式灌浆设计

3.1 劈裂式灌浆原理及适应范围

劈裂式灌浆是运用坝体应力分布规律, 用一定的灌浆压力, 将坝体沿坝轴线方向劈裂, 同时灌注合适的泥浆, 形成铅直连接的防渗泥墙, 堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层, 以提高坝体的防渗能力, 同时通过浆、坝互压和湿陷, 使坝体应力重新分布, 提高坝体变形稳定性。

劈裂式灌浆适用于坝高在50m以下的均质土坝和宽心墙土坝, 当坝体质量普遍不好, 坝体外部有裂缝、塌陷、浸润线溢出点过高、坝外坡出现大面积湿润, 坝体有明显渗漏或坝体内部有较多隐患时, 均可采用劈裂式灌浆法处理。

3.2 坝体灌浆的防渗作用分析

根据防渗试验结果, 粘土浆的渗透系数为3.89×10-8cm/s几乎是不透水的, 而坝身土的平均渗透系数为2.39×10-4cm/s, 二者相差6000倍。

在劈裂过程中, 因泥浆的比重和外界的压力对坝体的挤压, 当坝体的主应力小于泥浆的劈裂力时, 将坝体劈裂, 泥浆渗入裂缝, 使浆液与缝壁紧密地结合在一起, 构成一道防渗帷幕。此外, 粘土浆能充填土坝空隙, 坝体吸收泥浆水份后变湿, 使坝体土增加密度, 从而使坝体的防渗性能得到改善, 灌浆还能起到堵塞填方漏洞的作用。

3.3 主坝劈裂式灌浆设计

鉴于该水库主坝隐患的实际情况, 采用劈裂灌浆法进行主坝防滲加固较好。灌浆时由下而上, 少灌多复;泥浆由稀到稠, 循序渐进;压力由大到小, 灵活掌握。这样, 可以较好地处理灌浆中出现的冒浆、串浆、滑坡、局部隆起等问题, 使灌入的泥浆沿坝的轴线方向形成一道帷幕, 达到改善坝身质量、防止渗漏的目的。

3.3.1 设计的材料要求

该法建造的防渗帷幕为泥土幕或水泥土幕, 浆液指标或水泥掺入量按设计要求执行。选用中、重粉质粘土, 控制粘粒含量20%～35%, 砂粒含量15%～30%, 塑性指数15左右;若在灌浆时掺入水泥, 水泥一般为P32.5级, 掺量10%左右;浆液固结体渗透系数小于K×10-6cm/s。

考虑到该水库堤坝质量普遍较差, 填土不密实, 因而采用水泥黏土劈裂灌浆, 在坝体内部形成一道水泥黏土防渗帷幕、堵塞漏洞、裂缝, 切断软弱层, 提高坝体的防渗能力, 同时通过浆、坝互压和湿陷, 使坝体内部应力重新分布, 提高坝体变形稳定性。

3.3.2 劈裂灌浆设计

⑴灌浆孔布置:劈裂灌浆孔在大坝纵轴中心线布置一排, 采用2序孔, 第一序孔距10m, 第二序孔距5m, 梅花形布孔, 孔深以穿过坝身钻入基础1～2m为宜, 共需布置劈裂孔89个。

⑵浆液配比:为加速泥浆硬化, 浆液采用水泥粘土浆, 水泥含量约为10%。灌浆开始采用稀浆, 比重为1.2左右, 当坝体被劈开后采用稠浆, 浆液比重为1.5左右。水泥与粘土按重量比配制好并拌和均匀后, 再投放制浆筒内加水制浆, 不允许将水泥直接倒入制浆筒, 以防水泥与粘土混合不匀造成堵塞、堵孔事故, 影响灌浆质量。

⑶孔口压力计算:灌浆压力是劈裂灌浆中的一项重要控制指标。灌浆压力的主要作用, 是沿坝轴线劈开坝体, 形成垂直连续的浆体防渗帷幕, 使疏松的坝体得到密实, 裂缝、洞穴得到充填, 改善坝体小主应力不足的缺点, 加速泥浆浆体的排水, 保证帷幕的防渗效果。灌浆压力设计, 分为三级控制。

结起劈裂压力△P1, 按下式控制:

式中,

γ———坝体土湿容重;γ=18.9kN/m3;

γ'———浆体容重;γ'=14kN/m3;

σt———坝体土单轴抗拉强度;σt=13kPa;

k3———坝体土横向侧压力系数, k3;

H———坝高加入岩3m, H=9m;

h'———浆柱高;h'=9m。

经计算, △P1=18.67kPa;最大单孔瞬时压力△P2按下式控制:

当坝体全部或大部被劈开之后, 抗劈裂能力已很低, 处于屈服状态, 灌浆中应予以特别注意。根据以往土坝的灌浆试验, 屈服压力P可以近似采用下式控制:P≤0.98γ'h'。

4 水库主坝劈裂式灌浆施工工艺

4.1 钻孔

⑴灌浆机械的选择。造孔机械采用锥探机, 造孔孔径为75mm, 灌浆机械采用泥浆泵。灌浆主要机械设备有:土钻机1台, BW200/40型双缸泥浆泵2台, D-07单桶打浆机1台, 潜水泵1台, 195柴油发电机1台, 295柴油机2台, 195柴油机1台, 摩擦杆、输水管若干。

⑵造孔。钻孔的方法和孔径的大小应根据各地条件和坝体的高低和隐患部位的深浅而定。首先按设计要求布孔, 然后按序进行造孔。造孔应保证铅直, 偏斜不得大于20cm。造孔应采用干法, 不得用清水循环钻进。

单排布置, 造孔分两个工序进行。先打一序孔, 孔距10m, 计44个, 进尺938.4m, 一序孔灌浆结束后, 再在一序孔中间插入二序孔, 孔距10m, 计45个, 进尺980.0m, 最终孔距为为5m。

灌浆造孔机械采用土钻机, 利用卷扬机牵动锤, 锤击钻杆成孔。造孔采用干法, 端部和中上部摩擦杆50mm, 下部花杆38mm, 孔深穿过坝身钻主基础1～2m。

4.2 制浆

⑴制浆机械。坝体劈裂灌浆主要是灌注泥浆, 目前国内制造泥浆的机械, 多用WJG80-1TWJ100联合搅拌机制浆, 这种搅拌机的结构型式基本相同, 主要特点是泥浆可自动过滤, 有一储浆筒自动拌浆防沉淀, 灌浆泵和储筒直接相连, 制出的泥浆质量高, 控制较高的含砂量。

⑵制浆。在迎水坡坡肩处开挖一个泥浆过滤池、一个泥浆池, 用D-07单桶打浆机制备纯黏土浆及黏土水泥浆, 制成浆液经2mm网筛过滤后流入泥浆池。制浆的土料塑性指数IP>12, 泥浆比重在1.2～1.6g/cm3之间。如结合灌浆消灭白蚁, 可在浆液中掺入灭蚁药, 但要控制药量防止污染水源, 由上级主管部门指定地点并经检验合格后确定使用。

4.3 灌浆施工

劈裂式灌浆采用全孔灌注法, 全孔灌注法分孔口注浆和孔底注浆两种。实践证明, 孔口注浆全孔灌注法吃浆量小, 不能保证灌浆质量, 因为孔口注浆会使浆液冲刷孔壁, 孔壁塌落淤堵钻孔下部, 使钻孔变浅, 而钻孔下部因泥浆流动造成沉淀, 导致钻孔下部不能吃浆或浆量很小。采用孔底注浆全孔灌注的方法则避免了上述问题, 使孔内泥浆由孔底反向全孔, 处于半循环状态, 钻孔底部先被劈裂, 裂缝逐渐沿小主压力面自下而上地发展, 吃浆量大, 浆压坝效果好。同时, 停灌后坝体产生的回弹量也大, 坝压浆也能取得良好的效果。灌浆分2～3序进行, 灌浆时, 先用稀浆灌注, 待坝体被劈裂后, 改用浓浆灌注。岸坡段和弯曲段的劈裂灌浆, 可采用加密孔距, 减少灌浆压力和灌浆量, 轮灌或几孔同时灌注, 增加复灌次数的方法。

⑴一次灌浆量和灌浆次数控制。

每次灌浆量和灌浆次数应根据坝高和吃浆量大小确定, 每孔每次平均灌浆量, 以孔深计每米孔深控制在0.5～1m3, 每孔灌浆次数应在5次以上, 每次间隔时间不少于5天。

⑵压力和裂缝控制。

控制灌浆压力“以内劈外不劈”为原则。对于被灌和复灌时不起压的钻孔, 控制压力小于0.05MPa, 单孔最大压力按1.5倍左右的坝体下部起始劈裂压力控制。正常施灌压力在0.05MPa左右, 但应适当控制坝顶开裂宽度, 坝顶开裂宽度控制在3cm以内, 注浆压力计算:

式中,

P1———注浆压力;

△P———孔口压力表读数;

γ浆———浆液比重, 取1.5g/cm3, 如h=20m, γ浆h=0.3Mpa, 已接近起裂压力;

h———注浆管垂直长度;

η———管壁阻力系数, 与管径有关。

4.4 终孔标准和封孔

劈裂式灌浆终灌标准为:当启动灌浆泵后, 几分钟坝顶表面即冒浆, 说明裂缝里的泥浆从下而上已灌满, 这时应在各孔无压情况下反复轮灌, 至少要灌3次, 使灌浆孔内的泥浆面基本不下降, 表明“灌饱”, 即可终灌, 封孔一般用稠泥浆封孔。

4.5 灌浆效果

在该工程灌浆施工过程中, 共计完成灌浆89孔, 进尺1918.3m, 灌浆 (水泥粘土浆) 1746.6m3, 粘土干重1345.5t, 水泥干重137.9t。均严格按照《施工方案》和《灌浆技术规范》进行施工。施工前有50多m2渗水, 反滤坝脚有4处漏水, 用劈裂式灌浆处理后, 当库水位达正常蓄水位时, 大坝外坡渗水全部消失, 反滤坝脚3处漏水消失, 只有1处还有少量漏水, 大坝已恢复到正常运行水平。

5 结语

综上所述, 劈裂式灌浆具有造价少、省工、效果显著和就地取材等优点, 大多数土坝渗漏均可采用劈裂式灌浆方法进行加固处理, 该技术在土坝防渗加固工程中得到了广泛应用。

参考文献

[1]水利部水工程技术咨询中心.水工建筑物水泥灌浆规范 (SL62-94) [S].北京:中国水利水电出版社, 1994.

[2]张景秀著, 坝基防渗与灌浆技术.北京:中国水利水电出版社, 1992.

[3]卢廷浩, 汪荣大.瀑布沟土石坝防渗墙应力变形分析[J].河海大学学报, 1998, 2.

劈裂施工 篇5

鹅岭隧道进口DK6+625-DK7+482处在隧道浅埋段, 覆盖层10-30m不等, 地质条件极差, 围岩为流-软塑性粘土, 地下水丰富, 湧水量17-25m3/h, 土层强度低, 灵敏度高, 开挖后自稳能力差。其中DK7+330-DK7+482段覆盖层仅10-15米, 地面上斜穿一段河道和公路, 极易造成穿水和塌方。虽然也采用了锚杆、小导管超前注浆、型钢钢架等预加固措施, 但效果均不够理想。究其原因, 采用单液水泥注浆也可能是围岩加固失败的原因之一。

本试验研究的目的旨在克服单液水泥注浆强度发展缓慢、易被地下水稀释失效的缺点, 寻求一种固化速度快, 早期强度高的注浆料, 水泥—水玻璃双液注浆料是首选品种之一。

1 水泥—水玻璃浆液性能试验

水泥—水玻璃浆液性能能主要表现为:①浓度 (可灌性) ;②凝胶时间 (指在水泥浆液中混入水玻璃浆液后, 混合浆液突然变稠的时间) ;③强度等三个指标, 试验对以上三个指标进行研究。

1.1 原材料的选择与配制

(1) 水泥采用齐峰P.O42.5;

按水泥:水=1∶1 (重量比) 搅拌均匀成水泥浆后备用。

(2) 水玻璃 (液体硅酸钠) 采用佛山市南海区大沥中发水玻璃厂生产的模数2.2～2.5, 50Be (密度1.53g/ml) 的水玻璃, 按以下两种比例加水稀释, 调成40Be和25Be两种水玻璃溶液。

①40Be:水玻璃原液:水 (体积比) =100∶40;

②25Be:水玻璃原液:水 (体积比) =100∶100;

1.2 试验配合比的选择 (体积比)

(1) 水泥浆液与40Be水玻璃浆液的体积比采用1∶1;1∶0.8;1∶0.6;1∶0.4;1∶0.2;1∶0.1;1∶0.05进行试验;

(2) 水泥浆液与25Be水玻璃浆液的体积比采用1∶0.6;1∶0.4进行试验。

1.3 凝胶时间与强度试验结果水泥—水玻璃浆液的试验结果

2 试验结果分析

从以上试验结果可以看出, 在水泥浆液水灰比为1的情况下, 凝胶时间随水玻璃的掺量减少而减少, 而强度随水玻璃掺量的减少而增加, 在水泥浆液:水玻璃浆液 (体积比) =1∶0.4时达到峰值, 随后随着水玻璃浆液掺量继续减少, 强度也随之下降, 25Be的水玻璃亦呈现同样的规律。

水泥的凝结和硬化, 主要是水泥水化析出的凝胶性的胶体物所引起的。水泥水化生成硅酸二钙、硅酸三钙和氢氧化钙等水化矿物, 当加入水玻璃以后, 水玻璃马上与新生成的氢氧化钙产生反应, 生成具有一定强度的凝胶体水化硅酸钙, 因此水玻璃的加入加快了水泥的水化速度, 也加快了水泥的凝结和硬化。随着水玻璃和氢氧化钙之间反应的进行, 生成的胶体物质越来越多, 结石体强度也越来越高, 所以水泥—水玻璃浆液结石体的初期强度是水玻璃与氢氧化钙的反应起主要作用。而后期强度则是水泥本身水化起主要作用, 因为水泥水化所产生的氢氧化钙量是固定的, 而与之起反应的水玻璃的量也是固定的, 如果水玻璃加入过量, 有一部分水玻璃不能与氢氧化钙产生反应而存留在结构体中, 造成强度下降, 如果掺量过少, 有一部分氢氧化钙不能与水玻璃产生反应生成水化硅酸钙, 早期强度同样不高。所以在双液灌浆中严格控制水泥、水玻璃浆液的比例是隧道围岩注浆成败的关键所在。

3 施工方案

3.1 经研究和论证, 开挖掘进决定采用正台阶法施工, 下台阶应滞后3-5m。

围岩土体加固采用两种方案

(1) DK6+625-DK7+330段对拱部施作Φ42超前小导管加强支护, 小导管长度3.5m, 顶部20cm切削成尖靴, 尾部预留止浆段为1m, 并对尾部焊接垫圈, 在起拱线以上沿拱边轮廓线安设, 尾部与型钢钢架焊接 (钢架纵向间距为0.8m) 使之连为一体, 其环向间距为0.4m, 纵向间距1.8m, 小导管安设后用塑料胶泥封堵孔口及周围裂隙, 开挖长度应小于导管长度, 预留部分作下一循环的止浆墙

(2) DK7+330-DK7+482段从起拱线开始环向等距增设28根Φ108钢管与钢架焊接成大管棚, 以提高围岩的稳定性, 其余同上。

3.2 双液劈裂注浆的目的

双液劈裂注浆的目的主要是通过对超前小导管进行劈裂注浆在隧道开挖轮廓线上25cm～30cm范围内形成一加固的环状土体, 并对隧道掌子面的地层进行劈裂注浆改良, 然后在加固围岩和管棚的保护下进行开挖支护与衬砌。根据鹅岭隧道进口土质性状采用劈裂注浆施工方法, 是实现以上目的的最佳途径。

3.3 劈裂注浆原理

劈裂注浆是近年来地下工程使用最广泛的加固软弱土层的施工方法, 它与普通注浆工艺不同之处在于采用了高压注浆工艺 (压力一般达到1～2MPa) 。它的加固原理是:通过高压注浆将流—软塑性土体劈裂成网状通道, 浆液通过网状通道填充到其中, 凝固后形成网脉骨架。另一方面在形成网脉骨架的同时又挤密了土体使流—软塑性土体得到压密和脱水形成硬塑性土体。这样使整个土体性状发生了根本的改变, 变形得到约束, 围岩强度提高, 稳定性抗渗性都得到极大的改善。

3.4 劈裂注浆参数

(1) 注浆压力:1.0MPa～1.5MPa 终注压力2.0MPa;

(2) 浆液扩散半径18cm～30cm;

(3) 注浆速度:不大于30L/min;

(4) 双液注浆机:水玻璃压注速度可调, 注浆安全压力应大于等于5.0MPa。可选用KBY双液注浆泵系列机械。

3.5 建议采用配合比

40Be的水玻璃;水泥浆液:水玻璃浆液 (体积比) =1∶0.4;该配合比凝胶时间适中, 早期强度高, 完全能满足围岩加固要求, 建议在地下水较少时采用。

25Be的水玻璃:水泥浆液:水玻璃浆液 (体积比) =1∶0.4;

该配合比凝胶时间较短, 早期强度适中, 能满足围岩加固要求, 建议在地下水丰富时采用。

4 现场施工成果

(1) 经采用上述方案, 隧道成功地穿过了浅埋段, 施工中未出现湧泥, 突水等地质灾害, 公路面在未封闭的情况下未出现下沉, 隧道衬砌断面误差控制在设计范围之内。

(2) 对湧水量小的地段采用40Be水玻璃配合比, 能明显提高土体强度, 对湧水量大的地段采用25Be水玻璃配合比堵水效果明显, 但应采取二次补压措施。

(3) 劈裂注浆时应先下后上, 先外后中间, 每环钻孔间隔依次进行, 以增强土体挤密效果。

(4) 劈裂注浆后, 对掌子面土体进行开挖, 目测土体自稳能力大大增强, 浆脉分布明显, 注浆孔周围土体明显被挤密。从对劈裂注浆前后近40个土样含水率和无侧限抗压强度分析, 含水量从62～82%降至25～28%, 强度从0～0.05MPa增至0.38～3.23MPa, 说明劈裂注浆改良流-软塑性粘土效果明显, 采用此方法能够满足隧道施工要求。

(5) 管棚超前支护极大地约束了拱部围岩变形, 实测拱部最大位移6.7mm, 拱顶最大下沉8.5m, 满足验标要求。

5 结语

土石坝水力劈裂 篇6

笔者认为, 水力劈裂破坏是一种“局部破坏”, 这种局部破坏形成的必要条件是存在局部的应力集中, 它是由局部过大的水力梯度引起, 表面水压力则相当于水力梯度无穷大。土石坝心墙水力劈裂的发生, 必须同时具备两个物质条件, 即心墙中存在强透水的渗透弱面[裂缝或缺陷) , 以及心墙材料的渗透性要足够的小。心墙是用来防渗的, 后者自然满足。假设心墙是由完全均质的材料组成的.且无任何裂缝或缺陷存在, 即心墙内各点的渗透性完全相同。无论高水位或是低水位, 库水压力总是垂直于心墙上游面的。由于心墙内各点的渗透性完全相同, 渗入心墙水体形成的浸润线形态必然是光滑曲线。无论是蓄水初期还是稳定渗流期, 心墙内浸润线以下各点的孔隙水压力沿竖向坝轴向分布必然是连续变化的, 即不会出现集中的水头梯度, 也就不可能产生使心墙开裂的应力状态。如心墙是非均质的, 且在上游面存在局部裂缝或碾压软弱区形成局部渗透弱面, 则由于裂缝或缺陷的渗透性比周围心墙材料的渗透性大得多, 蓄水时, 水迅速进入该裂缝或软弱带, 产生作用于裂缝两边的水压力, 形成水楔。当作用于裂缝或缺陷边界的水压力足够大并达到土体抗拉强度的临界值时, 裂缝就会扩展, 从而水力劈裂发生。相反, 如心墙料的渗透系数较大, 则进入裂缝或缺陷的水很快就渗入心墙内部, 并形成稳定渗流, 难以形成集中的水力梯度, 当然也就不会发生水力劈裂。实际工程中, 由于高坝应力拱效应较强, 可能导致心墙局部裂缝, 同时由于工程量巨大, 心墙施工碾压时, 出现局部碾压不够密实的情况是很有可能的, 因此, 前面提到的两个物质条件中的第一个也是能满足的。

2 水力劈裂分析新方法

由上面分析可知, 水力劈裂的力学条件是进入裂缝水体形成水压楔劈效应。因此, 判定水力劈裂的发生与否和模拟水力劈裂的发展过程, 就必须分析库水进入裂缝后对裂缝周围土体的楔劈作用, 合理考虑水压力的形成和分布形式。

心墙裂缝通常并不一定是真正意义上的裂缝, 更多情况应该是具有较强透水性的缺陷。库水进入裂缝的过程中存在着水头损失, 造成作用于裂缝两侧的水压力沿裂缝长度的分布并不是均匀的。另外, 水体进入裂缝后, 还会向裂缝两侧土体中渗流, 这使得作用于裂缝面的水压力梯度减小, 在一定程度上降低了楔劈效应。很明显, 水压力梯度的大小与水库蓄水速率、心墙土料的物质组成、力学特性和库水水温等许多因素有关。要全面考虑这些因素, 目前还存在不少困难为使问题简化, 同时也便于说明, 这里假定库水进入裂缝过程中没有水头损失, 而且忽略水体向裂缝两侧土体的渗流, 再假定裂缝面是水平面或竖直平面。这时可假定裂缝内的水压力为均匀分布, 且大小等于相同高程处的库水静水压力, 见图1。这种假定应该偏安全。在裂缝扩展过程中, 水体进入新扩展的裂缝区域与新裂缝的形成不是同步的, 而是新裂缝的形成先于水体的进入, 使得新裂缝区域水压力的分布沿裂缝应是减小的。对于裂端而言, 由于空隙狭小和水体进入的滞后, 可以假定水压力为零, 也就是可以假定裂端若干裂缝单元裂缝面上的水压力为三角形分布。

在土石坝的有限元分析中, 常进行三维计算分析其应力变形。如果利用三维有限元分析水楔引起的水力劈裂, 将十分麻烦。为此, 本文建议了一种平面应变条件下的水力劈裂判定方法。

三维有限元计算结果显示, 心墙中一般竖向应力接近大主应力, 坝轴向应力接近中主应力, 上下游方向应力接近小主应力。即使小主应力小于上游水压力, 也不致产生贯通上下游的裂缝;而如果中主应力小于上游水压力, 则有可能产生垂直于坝轴线的竖直水力劈裂缝, 并且, 可能贯通上游心墙。因此, 该方法针对各水平剖面进行分析, 该平面的一个方向为上下游方向, 另一个方向沿坝轴向 (如图2) 。要判定的是心墙是否会沿垂直于坝轴线的面 (中主应力面) 劈裂。

水力劈裂的计算分析具体步骤如下: (l) 用三维有限元方法计算模拟坝体施工、蓄水过程, 获得坝体应力场。

(2) 建立水力劈裂分析的平面有限元模型。在坝体的三维有限元网格内截取不同高程的水平面 (如可分别在坝高的1/5, 2/5, 3/5和4/5处各取一个水平面) , 水平面沿坝轴向的宽度不大于坝顶长度的1/3, 且位于坝体中部 (如图2所示) 。依据材料分区, 对所截取的水平面即图2所示的范围进行网格自动剖分, 生成用于水力劈裂分析的二维有限元网格。对预裂缝部位, 网格适当加密。

(3) 平面有限元模型单元信息赋值。依据三维有限元的计算成果, 用二元拉格朗日插值方法对生成的二维有限元网格中的各单元赋值, 包括单元的材料参数和应力应变状态。

有限元模型的建立与常规有限元方法相同, 即坝体结构不同部位的单元为4结点等参单元。裂缝单元也用4结点等参单元, 只是裂缝单元的材料取为软材料。事实上, 在有限元模拟中用软材料代替结构中的无材料部分是常用的处理方法。况且, 土石坝心墙中的裂缝或缺陷可能是张开的, 更可能是透水性很强的充填松软上体的区域。因此, 只要裂缝材料的力学性能取得远小于周围土体的力学性能, 用裂缝软材料模拟裂缝的方法, 所引起的计算误差是可以忽略的。

(4) 计算分析发生水力劈裂的可能性。依据建立的平面有限元模型, 根据上游水位计算裂缝两面上的水压力进行有限元演算, 得坝体应力变形, 确定裂缝端部单元的应力。如果计算得到裂端出现拉应力, 并且超过心墙土体抗拉强度的临界值, 即可判定发生水力劈裂。裂缝扩展后, 水体进入新扩展的裂缝, 水压力也作用于新的裂缝面, 则在有限元计算中将裂缝端部沿裂缝方向的非裂缝单元改为裂缝单元, 同时调整裂缝内的水压力分布, 并重新计算结构的应力变形。如此反复计算结构应力变形和判断水力劈裂是否发生, 直至不再发生水力劈裂或裂缝已经贯穿心墙。

3 结语

一般认为, 心墙坝水力劈裂的产生主要是由于应力拱效应导致心墙应力降低而引起。由于坝壳较硬, 心墙较软, 心墙沉降大, 其部分自重应力会传递到坝壳而导致心墙内应力下降, 尤其是竖向应力。竖向应力减小严重时, 导致竖向应力出现拉应力, 心墙会直接出现水平分布的拉裂缝, 不严重时也可能出现上游水压力超过心墙应力的情况, 从而水压力将心墙劈裂拉开。对于低土石坝水力劈裂判断己经积累了大量的经验, 而且, 低坝水头较低, 心墙拱效应轻, 发生水力劈裂司能性相对较小。心墙堆石坝越高, 心墙拱效应就越强烈, 水力劈裂发生的可能性就越大, 严重时甚至导致溃坝事故, 后果将不堪设想。因此, 研究更为合适的分析方法来判断高土石坝心墙是否发生水力劈裂变得尤为重。

摘要：我国现有水库8.7万多座, 大型水库的大坝70%以上是土石坝, 而中小型水库的大坝90%以上是土石坝。随着施工技术的逐步发展以及大型施工机械的应用, 坝高不断增加。在我国, 己有多座200m甚至300m以上的高土石坝正在建设或设计论证之中。对低坝, 经验比较成熟, 而高坝建设中仍有不少问题有待解决, 其中水力劈裂就是一个非常重要的问题。

关键词：土石坝,水力劈裂,分析

参考文献

[1]黎汉皋, 陈江.小浪底水利枢纽主坝施工技术[J].中国水力发电年鉴, 2000/01/01.

裂隙岩体的水力劈裂分析 篇7

岩石经过了漫长的成岩和改造过程,其内部富含各种缺陷,包括微裂纹、空隙以及节理裂隙等宏观非连续面,它们的存在为地下水提供了储存和运移的场所。地下水的渗流以渗流应力作用于岩体,影响岩体中应力场的分布,同时岩体应力场的改变往往使裂隙产生变形或产生新的裂纹,影响岩体的渗透性能,所以渗流场随着岩体渗透性的变化而重新分布,这种相互影响称为岩体渗流一应力耦合。作为裂隙岩体渗流一应力耦合研究的一个子课题,岩体水力劈裂问题的研究尚处于初始阶段,许多基本的理论问题尚待深入研究。当今许多大型工程的建设已经在向地下发展,建设在地下的各种建筑结构离不开水压的作用。工程建设的需要正在推动岩体水力劈裂理论的研究。

水力劈裂的机理、工程岩体在考虑渗流与应力耦合作用下的稳定性及治理方法都是目前研究的热点。国内外有许多学者致力于水力劈裂问题的研究,并且提出了多种理论分析数值模拟的模型[1]。

针对不同的工程背景,水力劈裂研究应该包括两个方面:一是固体(岩体)在应力作用下的变形对流体渗流(裂隙流流态及水头场)的影响,研究重点偏重于流体力学(流场);二是在水渗流(流速、水压力)作用下,固体骨架(岩体)的力学反应(包括岩体的变形、破坏、稳定性等),研究重点偏向于固体力学(应力场、变形场)。

2 裂隙岩体的材料和力学特性

裂隙岩体作为天然的准脆性材料,其力学行为研究是现代计算固体力学中极具挑战的一个领域。人们对岩体的研究和认知从线性力学发展到非线性、弹塑性及损伤断裂力学;从连续介质力学发展到非连续介质的离散力学;从均质各向同性介质发展到非均质各向同性介质;从宏观介质模型到探索到探索细观(微观)力学行为的机制以及建立两者之间的等效关系。上述诸方面的长足进展主要依赖于现代计算技术水平的迅速发展以及数学、物理、化学等基础学科和地质、岩土、材料、流体、固体力学、试验力学等应用与工程学科的科学技术进步。作为准脆性材料的岩体,由于存在天然或人为的内在微缺陷,如裂隙、夹杂、气泡和孔穴等,其破坏特征表现为断裂的突发性,在裂缝扩展前,一般不存在明显的裂尖塑性区,裂缝的扩展主要表现为微裂隙的连通,汇集而形成宏观裂缝的发展过程。概括起来,岩体材料的力学性能主要有如下特征[2]:

(1)岩体具有明显应变软化特性。岩体材料力–应变关系在超过峰值强度后呈下降趋势,称为应变软化现象,这一现象主要与材料非均匀性与变形局部化相关,表现为材料在受载变形过程中,经历一定量的均匀变形后,突然产生高度局部化拉伸或剪切带,带内变形较局部化带以外材料变形大得多,导致变形不连续性,这一现象在宏观应力–应变本构关系中表现为应变软化。

(2)岩体具有明显的结构特性。岩体结构指岩体内存在具有一定方向、宽度、间距和迹长的随机分布的不连续结构面。结构面的刚度与强度对岩体的变形和稳定有决定性的影响,由于不连续结构面的方向性,因而岩体在宏观上呈各向异性特征。岩体变形包括了岩体本身的弹性或弹塑性变形,结构面的弹塑性变形以及岩体的膨胀变形,上述变形相互影响并具有空间耦合效应。

(3)岩体具有时效特性。岩体材料在恒定应力作用下应变随时间增加,这种现象称为“蠕变”。节理岩体具有明显的蠕变特征,常常导致岩体沿软弱结构面长时间蠕变而导致失稳。岩体蠕变的机制在于节理岩体受载变形引起了界面的剪切滑移,变形导致微裂缝不断扩张,内部晶格变化,结构错位导致强度下降,这是岩体随粘塑性变形发展引发塑性应变软化与强度劣化的结果。节理岩体的蠕变时效特性对其稳定与变形有重要影响,混凝土的蠕变则对温度应力与裂缝开展有密切关系。

(4)岩体具有围压–强度效应。岩体在三轴受压条件下,强度显著增强,在围压增加的条件下,其峰值强度、应变与残余强度均明显增大,这表明在围压增加的条件下,具有准脆性特征的岩石混凝土具有一定塑性特征,其非连续结构面的效应也减弱,因此在分析岩石结构在多轴受力条件时宜考虑这一特征。

(5)岩体具有多孔多相耦合特性。岩体都是由骨架与孔隙所组成,岩体内还含有许多节理裂隙,在周围的水环境条件下一般都与水力渗流(饱和与非饱和)作用相联系。在混凝土中主要是以孔隙流动为主,而在节理岩体中,由于完整岩体渗透系数很小,水在岩石中的运动主要以裂隙流为主,渗流作用在岩体内既是介质,又产生荷载,同时对节理界面物理力学参数也具有影响,因此,对岩体的变形稳定具有重要的作用,众多的岩体工程失事均与水力渗流有关,研究岩体渗流与应力变形的耦合效应是分析中的关键问题。

(6)岩体结构的分形特性分形几何是一门新的数学分支,用于描述自然界中不规则的、看似杂乱无章的现象与行为。岩石、混凝土结构面与断裂面是凹凸不平和极不规则的,它既不是二维平面,也不是三维空间曲面,而是分数维的不规则空间,因此分数维(拓扑维数)是对几何不规则程度的度量,用分形几何研究岩体力学是一门新兴的学科,它有利于更精确地解释岩石混凝土材料破损的内在机制和现象,从而更准确地预测其力学行为,它在岩石渗流力学、非线性损伤断裂力学、岩爆、材料微细观破坏力学、介质接触力学等方面的应用都具有新的意义,近年来取得了初步的进展[3]。

3 水力劈裂的数值模型与数值分析方法研究

3.1 数值模型

研究岩体水力劈裂的理论模型大致可以分为两类:一类是将岩体看作裂隙介质,认为水在岩体内部是以裂隙流的形式存在和运动。研究从单裂隙开始,然后,引入代表性体积单元均化到整体岩体中去。这种模型带有统计意义,模型的好坏取决于对单元内裂隙状况的统计和单元的选取是否具有代表性;另一类是将岩体视为等效连续介质,引入损伤的概念来描述随岩体应力状况的变化,岩体内裂隙的发展情况,水压力视为体积张力,建立损伤变量与渗透系数之间的关系。

3.1.1 裂隙介质模型

Advaniet al.(1987年到1989年)[4]基于能量平衡假设认为,水力劈裂过程中涉及到的能量分量包括:裂隙中水的流动功,岩石变形的应变能、裂隙流体流变消散能,Griffith断裂能,还给出了相应的计算公式,即:

流体使裂隙张开做功:

相应于裂隙张开宽度的应变能:

Griffith裂纹扩展的表面能:

式中Gcr为岩石的临界能量释放率,它与岩石断裂强度的关系为:

粘性流体能量消散率:

式中k‘,n’分别为流动粘滞系数和流态系数。

王育平和王永红[5]在研究水-土相互作用时,将土体视为裂隙介质。并在此基础上提出了一种裂隙介质的水文地质模型,给出了水流的运动方程:

式中b为隙宽;u为粘滞系数;为△L上的压降矢量;为矢量积;为单位张量和水、土水量交换方程:

式中ρ为液体密度;为与裂隙的比表面积成正比的无量纲系数。他们并指出水在土体中的渗流使得土体的凝聚力c和内摩擦角变小,减小了土体的抗剪张度。这一模型认为,土体是一种裂隙介质,从而,推导裂隙内水流与土体的水量交换和力学作用。实际上这一模型更适合裂隙岩体介质,而不适合于属于孔隙介质的土体。

Desroches and Thiercelin[6]在研究岩石水力劈裂裂纹扩展的时候,将控制方程在研究域内用积分变换的方法在时间上和空间上离散。裂纹扩展的动态过程在何一个时间段上按近似静态来处理。用这种技术处理,就无须在裂纹尖端使用特殊单元。也就相应地增强了计算能力和计算速度。

3.1.2 拟连续介质模型

早期的水力劈裂研究认为,岩石的劈裂机理是劈裂液的液体压力超过最小主应力,岩石在与最小主应力垂直的方向上首先开裂,并沿这一方向扩展。水力劈裂用来测量地应力就是应用这一原理。后来人们发现,水力劈裂与剪胀有关。岩体的剪胀造成裂隙面的相对位移(剪切位移,Shear displacement),剪切位移又使岩体的渗透性发生变化。Papanastasiou and Thiercelin[7]研究了岩石塑性屈服和剪胀对水力劈裂裂纹的张开和扩展的影响。研究认为,扩展裂纹尖端附近的塑性屈服导致屏蔽效应。剪胀与屈服有关,剪胀越张塑性区越大,裂纹开度也越大。塑性区的大小与地应力的量级成比例,并且与岩石的张度、有效弹性模量、压裂液的粘性以及裂纹扩展的速度有关。在注入相同体积的压裂液的条件下,塑性裂纹比弹性裂纹宽而短。

中科院渗流所的刘建军、刘先贵[8]在研究有效压力对低渗透多孔介质孔隙度、渗透率的影响时通过试验得出了经验公式:

式中α,为参数;Pc为有效压力;φ为孔隙度;k为渗透率。中国矿业大学李世平等人也做过这方面的研究。秦勇等认为,岩体所受的主应力差越大,渗透率也越大。屠厚泽、高森[9]认为,剪应力最大的方向即为裂隙张开度最大的方向,也就是渗透率最大的方向。裂隙张开度与所受剪应力,弹性模量E,泊松比v及裂隙高度H有关:

式中Wx为裂隙开度(mm);L为裂隙长度(mm);为裂隙端部距裂隙中心的距离(mm)。

对于岩体水力劈裂研究而言,岩体劈裂的机理是一个核心问题。但是,目前的研究显然还处于起步阶段。岩体劈裂机理的研究最终要为工程服务,因此,不能停留在单裂隙的研究上,也不仅在于研究应力状态与渗透性的关系上,而应该研究基于水与岩体结合和岩体基本结构基础上的力学反应的机理。地下岩体存在原始裂隙,在渗透水压力作用下,这些裂隙发生扩展。其破坏的力学机理是拉还是剪,取决所处的具体条件。在通常情况下,地下岩体处于拉(压)剪共同作用,发生拉破坏还是剪破坏取决于破坏时哪一种作用取得优势地位。

3.2 数值分析方法

3.2.1 连续介质力学方法

(1)有限差分法

有限差分法是将求解域的偏微分方程及其边界与初始条件用差分方程来代替,使之转化为代数方程。有限差分法分为隐式与显式解法两类,但在岩石混凝土力学分析中多采用显式解法。显式有限差分法是一种动态松弛的方法,对系统每一时步每一节点的运动方程,求解其节点不平衡力,按牛顿定律计算节点加速度,经积分求解速度与位移增量,由位移增量按本构方程即可求出应变与应力增量;应力增量与总应力确定后,进而可求下一步的节点不平衡力,如此循环计算,直至系统趋于静力平衡,即可求出稳态解。

(2)有限单元法

学者们提出了许多有限元力学模型,极大地丰富了有限元的应用范围。但模型大多属于连续介质小变形力学的范畴,对于模拟块体的分离、转动、滑移、倒坍等非连续介质大变形运动仍无能为力。应用有限元模拟岩石断裂扩展过程中,要求不断进行单元重剖分以反映裂缝在域内的扩展,网格重构极大地影响了有限元计算断裂问题的效率。

(3)边界单元法

边界元法是边界积分方程法的发展,它将求解域的边界剖分为单元,以单元节点函数值通过插值形函数表征边界上任一点的函数值,离散边界积分方程求解以节点函数值为未知量的代数方程组,即可求解系统的场变量。边界元法具有降维、应力求解精度较高、自动满足无限域辐射条件,易于求解断裂问题等方面的优势,近年来在求解位势、电磁场、板壳、弹性静动力学、流体动力学、岩土力学、热力学、渗流和断裂等方面得到了一定的发展。边界元法也具有一定局限性,主要在处理非均匀域、非线性、弹塑性问题方面要涉及子域剖分及域内积分问题,不如有限元法方便有效。

(4)无单元法

无单元法的基本思想与有限元法有很多相似的地方,都是根据弹性力学变分原理推出平衡方程,其主要特点是在求解域内不进行单元剖分,而采取人为生成或随机生成一系列节点,用滑动最小二乘法对影响域内的节点来拟合场函数,从而摆脱了有限单元的限制。无单元法的主要优点为:计算只需要节点信息,无需单元信息,节点可任意分布,前处理简单;在断裂分析中不受有限元网格重构困扰,无单元法随机节点布置易于跟踪开裂过程;消除或减小材料性质或有限单元形态带来体积自锁或数值自锁现象。

4 裂隙岩体的研究实例

大岗山拱坝是我国大渡河上一座正在兴建的高坝,坝高210m,坝底厚度52m,顶拱弧长622m,设有28条伸缩横缝。坝址位于高烈度地震区,设防烈度超过9度,设计地震水平峰值加速度为0.557g,竖向峰值加速度取水平值的2/3,是我国迄今设计地震加速度最大的高坝。

为研究大坝在强震作用下的非线性损伤断裂过程,坝体采用3D8节点有限元离散[10],离散网格如图1所示。坝体中上部采用加密网格,混凝土与地基岩体静模量分别为24.0和14.5GPa,泊松比分别为0.17和0.25,混凝土抗拉强度取250MPa,其本构关系采用塑性–损伤耦合模型与单轴加载本构曲线,如图2所示。大坝地基采用无质量地基,库水采用Westergaard不可压缩库水模型。地震为三向分量同时输入,横缝接触则采用非线性接触边界模型[96]。分析结果汇于图3中。

初步结论如下:

(1)大岗山拱坝在设计地震作用下将在中上部产生较严重的损伤开裂,开裂过程自下游开始,逐渐向上游扩展,最后损伤区有可能贯穿,需要采取加固措施,如梁向配筋等。

(2)由于坝体中上部产生了严重损伤开裂,导致坝体横缝开度有显著增大,由线弹性分析的22mm增至35mm。

(3)初步表明弥散式损伤裂缝模型可应用于混凝土结构的动静力损伤断裂分析。

5存在的主要问题与展望

(1)水在完整岩石中渗流的范围与岩石的渗透系数和渗流梯度有关,水在完整岩石中渗流需要消耗一定的能量,在一定的水压力下,水渗透的范围是有限的。水渗流还有滞后性[5],并不是水压达到一定值,稳定渗流场就立刻形成。渗流滞后的时间与岩石的渗透系数、水的粘度和水压力有关。比如,土石坝心墙用来防止水渗漏,是因为它的渗透系数小,阻水能力强。水在心墙里边渗透比在土石坝壳中渗透消耗的能量要大得多。另外,大坝都有一定的渗漏流量。但是,并不是大坝一蓄水,立刻就能在大坝下游见到稳定的渗透水量,而是经过一段时间以后才会出现。这就是渗流的时间滞后性。水在岩体内部的渗透范围与岩体渗透系数、水头及时间的关系需要深入研究。

(2)自然界中岩体由于地质力作用大都会存在各种结构面,不能简单的看作均质各向同性连续体,可考虑断层、节理等地质结构薄弱面对水工高压隧洞围岩特性的影响。

(3)严格的讲,渗流是水在均匀介质内渗透时的流动状态,实际上是一种假想的水流态。裂隙岩体内水的流动是以裂隙流为主和渗流的混合体。当岩体内裂隙较大时,更符合裂隙流(管流)的条件。研究水力劈裂问题,特别是进行数值模拟时怎样处理裂隙流与渗流的关系是比较困难的。目前条件下,引入损伤的概念描述岩体的裂隙发展情况,采用均化的方法无论从计算成本还是理论研究都是一个不错的选择。

参考文献

[1]谢兴华,速宝玉。裂隙岩体水力劈裂研究综述[J].岩土力学,2004,2(6):92-98.

[2]张楚汉。论岩石、混凝土离散-接触-断裂分析[J].岩石力学与工程学报,2008,2(6):46-51.

[3]谢和平。分形—岩石力学导论[M].北京:科学出版社,1996.(XIE Heping.An introduction to fractal-rock mechanics[M].Beijing:Science Press,1996.(in Chinese)

[4]Advani S H Lee T S,Avasthi J M.Parametric sensitivi-tyinvestigations for hydraulic fracture configurationoptimization[J].Rock Mechanics as a Guide forEfficient Utilization of Nat-ural Resources.1989,(5):451一458.

[5]王育平,王永红.水一土相互作用对土体裂隙水流的影响[J].岩石力学与工程学报,1999,18(5):554-557.

[6]Desroches J,Thiercelin M.Modeling of the propagatio-nand closure of micro-hydraulic fractures[A].The34th U.S.Symposium on rock mechanics[C],University ofWisconsin-Madison:Bezalel Haimson.1993.331-334.

[7]Papanastasiou P,Thiercelin M.Influence of inelastic rockbehavior in hydraulic fracturing[A].The34th U.S.Sympo-siumon rock mechanics[C],University of Wisconsin-Madison.1993.339一342.

[8]刘建军,刘先贵.有效压力对低渗透多孔介质孔隙度、渗透率的影响[J].地质力学学报,2001,7(1):41-44.

[9]屠厚泽,高森.岩石破碎学[M].北京:地质出版社1990.

水体下钻孔启封劈裂注浆技术 篇8

1.1 H033钻孔地表特点

在地表上, H033钻孔 (X:4310504.57 Y:364812.89 Z:1302.93 D:928.80) 位于矿工业广场东南侧一个水塘内。水塘蓄水约8万m3, 不允许抽排。井下位于煤矿首采面辅运顺槽旁边。

钻孔周边主要为风积砂。岩性以风积砂、细砂为主, 见半月形或波状沙丘, 厚度23.20m~58.80m, 平均42.74m。主要潜水含水层有第四系冲湖积萨拉乌素组、冲洪积层、风积沙层。

1.2 地层及富水性

钻孔揭露地层由老至新有: (1) 侏罗系中统延安组; (2) 直罗组; (3) 安定组; (4) 白垩系下统志丹群; (5) 第四系全新统。

2 注浆浆液的运行机理

2.1 有关浆液性能的基本概念

浆液运移过程中描述其基本性能的各参数不能满足达西定律, 关于注浆量、注浆压力、浆液黏度、浆液扩散半径等参数的研究受到局限。人们在不断的探索研究实践中认识到, 浆液有劈裂作用, 为此有不少专家学者使用“劈裂注浆”这个概念。此外发现, 浆液在压力推动下, 有扩散效应, 挤压效应, 充填效应, 渗透效应, 击穿效应。这些效应可以概括为浆液的空隙追寻偏好。人们普遍认可浆液扩散半径、扩散范围这个概念。在浆液扩散范围内, 目标层的裂隙、孔隙都会被充填。

渗透击穿作用在注浆管路内也连续发生着。连续注浆时, 后注的浆液不是整体推动先注的浆液运移, 而是其中可灌性高的成分率先克服先注浆液的内聚力, 向阻力较小的方向流动。因此, 在浆液扩散范围内寻找某导水通道 (例如封闭不良钻孔) , 要使用黏土浆或清水等可灌性好的材料, 更好发挥浆液追寻空隙的偏好。

2.2 用高压注浆的方法封堵钻孔

浆液的渗透击穿作用可以实现让浆液找到老孔。浆液在高压推动下具有裂隙、孔隙追寻偏好。

地面钻孔找不到孔口管, 或者钻孔在建筑物之下、天然气管道之下、高压线之下、在水塘之中, 在等等类似特殊情况之下, 不能在孔口安设钻机。从防治水目标的角度看待钻孔启封, 目标就是让原来封孔质量有怀疑的老钻孔不能作为导水通道, 简洁地说, 就是让老钻孔充满水泥。

钻孔的进浆量、注浆泵泵量、注浆压力三者具有时变性。三者的关系维持复杂的平衡。对一个特定钻孔, 加大泵量, 泵上压力即显示增大。随着注入量的增大, 扩散半径会一直增加, 直到将老钻孔位置包含在扩散范围内, 在劈裂作用、渗透击穿作用下突入老钻孔通道, 此时显示压力突然下降, 进浆量显著增加。

让浆液找到老钻孔 (通道) 并使通道填满水泥是工程终极目标。如果老钻孔是中空的, 最终会被水泥浆充填。如果老钻孔不是中空的, 其阻水能力仅限于阻止水塘内的水 (或第四系潜水) , 则仍然能够被充填加固改造, 反之, 在较高压力下不能被充填加固, 说明的恰恰是它的隔水能力。

3 钻孔启封

老钻孔H033后来被淹进水塘里, 水塘不允许抽干, 这个模型代表了“三下”多数困难情况。经分析研究, 决定在水塘旁侧合适的地点施工新钻孔、以高压注浆的方法对老钻孔进行封堵。在目前现有施工条件下, 新钻孔打中老钻孔H033的概率趋近于零。但施工中, 力求打中老孔H033。

新钻孔的设计参数如下:

(1) 孔深:304m。 (43+348) ×3/4/Sinα, α为新钻孔倾角75°。

(2) 套管:护孔管2m-5m-50m, 视风积沙塌孔情况而定, 必要时使用多级护孔管, 以水泥水玻璃双液封固;真正意义上的一级套管 (一级技术套管) , 直到第四系底部并下过基岩风化层;二级技术套管, 在垂向上下过志丹群岩层不低于20m。

(3) 套管打压试验:耐压9MPa。反复扫孔钻进共50m, 打压不低于3次, 最终提高到20MPa。

(4) 其他:方位10°、倾角75°、终孔孔径Φ89mm, 开孔孔径自Φ273往下不做要求, 根据表套实际情况确定。

本次施工, 新钻孔没有打中H033。注浆采用小泵量 (1m3/h) , 大压力 (9MPa) 。水泥浆的可灌性与浆液比重关系很大, 浆液的黏度、内摩擦力、与流速有复杂关系。压力、泵量、进浆量三者平衡的标志是:注浆泵运转平稳且没有异常响动, 压力相对平稳, 稳中上升, 最高到17MPa。反映了本区志丹群砂岩的均质性。施工中坚持使用比重1.3的稀水泥浆。连续型注浆自计时开始到第65小时, 压力突然下降为11MPa, 推测浆液突入H033孔。实践证明所注浆液 (或者水) 总是选择最薄弱地点去突破。最后, 第74个小时, 发现水塘里有浑浊的气泡冒出, 第75小时确定为水泥浆从H033孔返出, 果断停泵。封堵工程完成。其后井下巷道验证了封堵成功。

4 结论

(1) 封闭不良钻孔在建筑物之下、天然气管道之下、高压线之下、在水塘之中, 在铁路下, 这些情况可以叫作在“三下”。

(2) 注浆泵推动下的高压 (水) 浆液具有劈裂作用、渗透击穿作用。浆液扩散范围内的孔隙、裂隙、各种导水通道都将被充填。这种现象理解为浆液对空隙的追寻偏好。

(3) 让浆液追寻老钻孔轨迹符合防治水核心思想, 即使对不进浆的老钻孔也具有检查意义。

(4) 浆液的黏度、内摩擦力、与流速关系复杂, 相关试验研究需要继续进行下去。认真观察、控制压力、泵量、进浆 (水) 量三者平衡变化并分析是施工中的重点。

参考文献

[1]郭密文.高压封闭环境孔隙介质中化学浆液扩散机制试验研究[D].徐州:中国矿业大学资源与地球科学学院, 2010.

[2]王档良.破壁化学注浆模拟试验研究及工程应用[D].徐州:中国矿业大学资源与地球科学学院, 2006.

[3]张金顺.砂砾地层渗透注浆的可注性及应用矶究[D].长沙:中南大学地学与环境工程学院, 2007.