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灌浆技术是水工建筑物地基处理常用的和重要的工程措施。当前,我国正处在一个水利水电工程建设的高峰期。刚完工和正在建设的有长江三峡、下坂地、水布垭、龙滩、公伯峡、小湾、溪洛渡、锦屏、向家坝、糯扎渡等十几座高坝大型工程。其中澜沧江上在建的云南小湾水电站坝高292m;雅砻江上在建的锦屏一级水电站坝高305m,为世界上最高的双曲拱坝。同时许多原有的水电工程需要扩建或改建,还有一大批病险水库需要加固处理。在这些工程中有很多都需要应用灌浆技术对地基进行加固或防渗处理。
高坝蓄水后,在高水头长期作用下,大坝基岩中的不良地质段儿易遭受冲蚀或其他损害,对坝基的防渗要求更为严格。常用的中、低压灌浆技术难以满足坝基的防渗及加固要求。施工中常采用深孔高压水泥灌浆技术解决上述问题。高压灌浆原指压力超过3MPa的灌浆,但据笔者统计,目前,我国高坝基岩帷幕灌浆多已采用5~6MPa的灌浆压力。因此本文中所讲的高压水泥灌浆,其压力通常在5~6MPa以上。
目前我国新建的高坝中,主要采用深孔高压水泥灌浆的方式进行坝基防渗及加固处理。在一座高坝建造中,灌浆工程量通常达到数十万米;用于灌浆的投资达到数亿元,甚至是十几亿元人民币,工程量及投资几乎是国外同类型坝的二倍以上。究其原因,一方面是在同等条件下,我国要求的防渗标准比国外都高;另一方面是,我国在深孔高压灌浆中常采用“孔口封闭灌浆法”工艺。虽然该工艺对工程质量是有保证的,但在深孔高压条件下,特别是在相对完整基岩中,其表现出来的钻孔效率低、灌浆辅助时间长、事故率高、弃浆量大、水电浪费严重等弊端。
上述问题,国内灌浆方面的专家学者在其著作及专业刊物上也时常提及,施工一线钻孔灌浆施工人员更是经常抱怨。但之所以迟迟没有解决,笔者觉得除了设计人员现场施工经验较少、思想保守、受现行灌浆规范及前辈专家影响较大之外;关键是大家未对深孔高压条件下的灌浆工艺进行深入研究,简单认为是在常规的中压灌浆工艺的基础上,仅仅提高一点灌浆压力而已;国内目前用于高压灌浆的机具不能满足施工需要;不管坝基地质条件,盲目照搬采用孔口封闭灌浆法所致。
坝基灌浆是一门实践性很强的实用科学技术,有些课题可以用理论说明或通过计算解决,但还有相当一部分课题需要现场试验和室内试验以及凭借实践经验,包括吸取同类工程的灌浆经验来解决。正如美国灌浆专家Ken Weaver所指出的:一项成功的灌浆工程必须包括以下6个方面的要素:(1)适合现场地质条件的设计;(2)适应所遇地质条件的便于在灌浆过程中进行修改的技术规程;(3)有经验、有能力、肯合作和有声誉的灌浆承包商;(4)采用合适的材料、设备和技术;(5)具备灌浆知识的质量监督人员;(6)有成效的质量保证计划。
本文的研究目标是:在坝基深孔高压力灌浆施工中,寻求一种既能保证质量,又具有操作性强、经济可靠的灌浆施工方法。通过对灌浆机理;深孔高压灌浆的特点;地质条件对灌浆工艺选择的影响;现阶段国内外在坝基深孔高压灌浆施工中常采用的工艺;灌浆机具对灌浆工艺的影响;国内外高压灌浆机具的发展应用;不同灌浆工艺对深孔高压灌浆质量的影响;不同灌浆工艺之间工效、经济性等方面的研究,最终解决当前坝基深孔高压灌浆过程中存在的工艺复杂、事故率高、工效低、成本高等方面的问题。
作者本着解决上述问题的想法,在近三四年的时间内,大量阅读有关钻孔灌浆方面,特别是大坝基岩高压深孔灌浆方面的专著、论文及科研成果,消化吸收,对坝基深孔高压灌浆有一个全面的认识;结合二滩水电站、小浪底水利枢纽、三峡水电站、小湾水电站等坝基深孔高压灌浆方面的工程资料,对不同工程中,高压灌浆的不同施工方法质量、成本、工效方面的优劣性进行对比分析;深入坝基高压深孔灌浆施工现场,参加施工、技术、管理及质量、成本分析总结等方面的工作,取得第一手资料;认真分析国家现行灌浆规范中推荐及大型水电工程中采用的“孔口封闭法灌浆”施工方法的理论依据、优缺点,同时进行高压深孔灌浆方面整体方案设计及优化。
通过对大坝基岩深孔高压水泥灌浆中“循环灌浆法”与“纯压式灌浆法”;“孔口封闭灌浆法”与“栓塞法”;“自上而下分段灌浆法”与“自下而上分段灌浆法”等工艺的比对与研究,结合国外类似工程的施工方法,找到一种适合我国高坝地基防渗、加固要求的灌浆施工方法——深孔高压灌浆施工工艺。其关键内容是:针对坝型及坝基地质条件的不同,选取不同的钻孔灌浆方式。相对完整地层采用冲击回转成孔方式、用灌浆栓塞进行自下而上纯压式灌注;在高倾角裂隙发育、存在裂隙、断层破碎带等不良地质条件时,采用孔口封闭灌浆法。同时本着确保工程质量、安全、经济的原则,对灌浆孔孔向设计、灌浆结束标准方面的改进提出了自己的建议。