专利名称：一种土石坝注浆加固抗震方法
技术领域：
本发明属于水利工程技术领域，涉及一种堆石体内部注浆技术及其施工方法，特别涉及一种土石坝注浆加固抗震方法。
背景技术：
我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅山地震带之间，地质构造规模宏大并且复杂，中、强地震活动频繁、强度大、震源浅、分布广、灾害十分严重，根据专家预言，我国未来若干年将进入地震活跃期。土石坝是水利水电工程中的常用坝型，随着水利水电资源的不断开发以及筑坝技术的进步，高土石坝的建设发展迅速，仅我国已建和在建的200 m 级土石坝已有多座，长河坝心墙堆石坝坝高240 m及澜沧江糯扎渡心墙堆石坝坝高262 m, 还将兴建一批300 m级的高土石坝，如两河口、双江口、古水、马吉、如美、茨哈峡等水电站大坝，其中双江口水电站心墙坝高达312 m。这些高土石坝大多位于高地震烈度区，大坝的抗震安全需特别重视。土石坝具有良好的抗震性能，国内外有多座土石坝经受过强地震考验，但经过强震后土石坝的破坏也是非常明显的，如1976年我国唐山地震中，陡河水库土坝和密云水库白河主坝都产生了严重震损；2008年“5. 12”汶川大地震中，离震中较近的紫坪铺面板堆石坝虽然没有发生整体破坏，但震损明显。大坝的震害，轻的可能只是建筑物本身出现裂缝或渗水而严重的则可能导致坝体的崩塌溃决、洪水泛滥，从而造成下游巨大生命与财产损失的次生灾害。对于高土石坝，地震荷载作用下容易在其坝顶部位出现“鞭梢效应”，导致坝顶部位堆石体动力响应较大。堆石体是典型的散粒体材料，整体稳定性较差，在地震荷载作用下容易发生松动、滑移等现象，从而影响大坝的整体稳定性。大量震害调查和数值计算表明， 震害最明显的部位是大坝4 /5坝高以上、最大坝高断面附近以及河谷地形突变处附近等。 本发明之前，目前在工程中常用的加固方法是适当增加坝顶宽度；在坝顶一个高程范围内采用土工格栅等加筋结构，减小地震引起的水平永久变形和沉陷。对于增加坝顶宽度无疑增加了施工工作量和工程投资，但仍不能解决地震荷载作用下坝顶部位堆石体在动力荷载作用下的稳定性。采用土工格栅等水平加筋材料进行加筋，属于局部层状加筋，属于平面加筋，其加筋效果受加筋材料本身强度的影响较大，且在土石坝施工过程中很难保证其不受损坏。高聚物(有机高分子化合物简称高分子化合物或高分子，又称高聚物)注浆技术是 20世纪70年代发展起来的道路等基础设施快速维修新技术。目前在国外已得到广泛应用， 在中国也初步运用到高速公路的维修当中。目前在道路、机场跑道、隧道、桥头跳车等基础设施的快速维修，以及作为超薄防渗墙材料用于堤坝的防渗，但其在抗震方面的应用国内外未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服目前高土石坝在地震荷载作用下坝顶存在“鞭梢效应”从而导致堆石体松动、滑移等现象，以及目前常规的加筋抗震措施存在的缺点，提出的一种土石坝注浆加固抗震方法。该技术属于立体式柔性加固，堆石体柔性加固后具有较好的柔韧度，能够适应坝体的变形，同时也能够提供粘聚力，从而达到提高土石坝抗震变形能力等问题的目的。本发明采用以下技术步骤实现
(1)根据抗震设计计算成果确定坝顶进行注浆处理的范围，优选从3/41/5坝高到坝
顶；
(2)当坝体施工到需要加固的高程后，沿轴线分别在上下游堆石体顶部以一定规则的形状如三角形或正方形布置竖向钻孔，注浆孔间距3 5m ；
(3)采用钻机进行钻孔，并及时跟进注浆套管进行钻孔围护，以免碎石踏孔，或垂直于坝轴线方向水平预埋带有注浆孔的注浆套管；
(4)向注浆套管内部放入高聚物注浆管，通过注浆管向注浆套管内注射高聚物材料；
(5)根据堆石体的孔隙率和钻孔布置方式及范围，计算注浆量，通过注浆时间进行注浆量的控制；注浆时间达到后改变注浆口位置，先提升注浆套管，后提升注浆管；进行另一层位的堆石体注浆；形成一个以注浆孔为中心的类似圆柱的加固体；
(6)—个钻孔注浆完毕，在相邻钻孔进行相同的注浆方式，也可同时进行多孔注浆，直到该高程的所有注浆孔完成注浆，最终形成一层高聚物加固坝顶的复合抗震体；
(7)继续进行堆石填筑，直到预设的高程，重复(2)-(6)的步骤，直到坝体填筑到设定的高度。所述的注浆管之间通过铁板进行固定，铁板与注浆套管之间采用气囊进行密封。所述的土石坝注浆加固抗震方法，注浆孔深度一般为5m，应该根据实际工程中坝体填筑的高度进行修正，为每层填筑高度的整数倍。所述的土石坝注浆加固抗震方法，注浆孔可以是垂直钻孔，也可以是倾斜或水平钻孔。本发明的优点与效果在于
(I)抗震效果好。本发明采用高聚物注浆加固后堆石体形成一个整体的连续体材料，不同于水泥注浆材料，该材料具有良好的弹性和强度，特别是具有较好的抗拉强度。形成后的复合材料属于柔性加筋，在地震荷载作用下能够有效的降低和吸收地震能量，减小在加固区形成裂缝。(2)安全可靠。采用高聚物注浆加固在周围环境中呈中性，不危害环境，不污染土壤和水，材料不受霉菌和真菌的侵蚀；具有较好的稳定性，能够长时间不发生收缩和变质。(3)工期短。采用高聚物注浆与水泥注浆相比其龄期较短，不需要养护，极大的缩短了施工时间，对工程进度几乎没有影响。(4)造价低。高聚物发生化学反应后体积膨胀率大，与水泥注浆相比，具有显著的经济效益。(5)施工方便。施工过程中可以同时进行上游钻孔注浆加固和下游堆石填筑，两者互不影响，交替进行。
(6)适用范围广。高聚物注浆加固方法既可以对在建土石坝进行加固，也可对已建土石坝进行抗震加固；加固位置可以为坝顶加速度反应较为剧烈的部位，也可以是坝肩等接头部位。
图I本发明土石坝注浆加固后总体效果图2图I中坝顶A区域放大图3图2中沿B-B线的剖面图4图2中C区域的放大图5图4中沿E-E线的剖面图6图4中D区域的放大图中1上游堆石，2心墙，3下游堆石，4注浆套管，5注浆管，6高聚物混合物，7铁板，8气囊，9气压管
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式
为限，而是由权利要求加以限定。如图I、2、3、4、5和6所示，一种土石坝注浆加固抗震方法，其技术步骤为
施工过程中首先根据大坝的抗震设计要求，在坝顶上下游1/4到1/5高度范围内，沿轴
线分别在上游堆石体(I)和下游堆石体(3)顶部以一定规则的形状如三角形或正方形布置钻孔，并及时跟进注浆套管(4)，对于心墙(2)部分不进行注浆处理。坝体施工过程中采用分层填筑，当坝体施工到需要加固的高程后，开始在坝体上游堆石体(I)和下游堆石体(3)表面打注浆孔。施工过程中考虑到坝体表面有一定的坡度，根据实际施工中每层填筑高度来进行钻孔施工设计，钻孔深度为填筑厚度的整数倍，一般为5m左右，实际工程中可根据实际填筑的高度进行修正，钻机施工过程中为避免碎石踏孔，采用及时跟进注浆套管，注浆孔直径一般不小于50_，或垂直于坝轴线方向水平预埋带有注浆孔的注浆套管(如图3所示)。往注浆套管内放入高聚物注浆管(5)(如图4所示)。注浆管通过铁板(7)固定在一起，通过橡皮囊(8)与注浆套管(4)密封。试验过程中通过气压管(9)进行气囊的膨胀的控制。高聚物材料在注浆套管内混合后发生化学反应，形成高聚物混合物(6)(如图6所示)，体积膨胀，通过套管周边的孔洞流到周边的堆石体缝隙中，充填孔隙，形成一个紧密胶结的复合材料；根据堆石体的孔隙率和钻孔布置方式及范围，计算注浆量，通过注浆时间进行注浆量的控制；注浆时间达到后改变注浆口位置，先提升注浆套管，后提升注浆管。进行另一层位的堆石体注浆；形成一个以注浆孔为中心的类似圆柱的加固体；一个钻孔注浆完毕，在相邻钻孔进行相同的注浆方式，也可同时进行多孔注浆，最终形成一层高聚物加固坝顶的复合抗震体。在完成该层的注浆加固后，继续进行坝体填筑，待填筑高度增加5m左右后重复前面的钻孔注浆工序，直到填筑到坝顶。
权利要求
1.一种土石坝注浆加固抗震方法，其特征在于包括以下步骤(1)根据抗震设计计算成果确定坝顶进行注浆处理的范围，优选从3/41/5坝高到坝顶；(2)当坝体施工到需要加固的高程后，沿轴线分别在上下游堆石体顶部以一定规则的形状如三角形或正方形布置竖向钻孔，注浆孔间距3 5m ；(3)采用钻机进行钻孔，并及时跟进注浆套管进行钻孔围护，以免碎石踏孔，或垂直于坝轴线方向水平预埋带有注浆孔的注浆套管；(4)向注浆套管内部放入高聚物注浆管，通过注浆管向注浆套管内注射高聚物材料；(5)根据堆石体的孔隙率和钻孔布置方式及范围，计算注浆量，通过注浆时间进行注浆量的控制；注浆时间达到后改变注浆口位置，先提升注浆套管，后提升注浆管；进行另一层位的堆石体注浆，形成一个以注浆孔为中心的类似圆柱的加固体；(6)—个钻孔注浆完毕，在相邻钻孔进行相同的注浆方式，也可同时进行多孔注浆，直到该高程的所有注浆孔完成注浆，最终形成一层高聚物加固坝顶的复合抗震体；(7)继续进行堆石填筑，直到预设的高程，重复(2)-(6)的步骤，直到坝体填筑到设定的高度。
2.根据权利要求I所述的一种土石坝注浆加固抗震方法，其特征在于注浆管之间通过铁板进行固定，铁板与注浆套管之间采用气囊进行密封。
3.根据权利要求I所述的一种土石坝注浆加固抗震方法，其特征在于注浆孔深度根据实际工程中坝体填筑的高度进行确定，为每层填筑高度的整数倍，一般为5m左右。
4.根据权利要求I所述的一种土石坝注浆加固抗震方法，其特征在于注浆孔可以是垂直钻孔，也可以是倾斜或水平钻孔。
全文摘要
本发明公开了一种土石坝注浆加固抗震方法。其技术步骤包括在坝体填筑过程中，在坝顶上下游1/4到1/5高度范围内，每间隔一段距离采用钻机成孔，并实时跟进注浆套管进行钻孔围护或者预埋水平带孔的注浆套管，通过注浆管向注浆套管内注射高聚物材料；高聚物材料在注浆套管内发生化学反应，体积迅速膨胀，通过堆石体内部的孔隙渗透到周边堆石体中并与堆石体胶结在一起，形成立体柔性加筋复合体，使堆石复合体粘聚力增大，从而达到提高坝体抗震能力的目的。本发明不仅适用于新建土石坝，同时也适用于已建土石坝，具有施工速度快，加固体为柔性复合体，能够适应坝体在地震荷载作用下的变形，具有较好的抗震效果。
文档编号E02B7/06GK102605750SQ201210006730
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者刘彦辰, 刘汉龙, 杨贵, 王复明, 陈育民 申请人:河海大学