淺論劈裂灌漿技術在堤防工程中的應用

郭 強

(河北省衡水市水務局引蓄水工程管理處,河北衡水 053000)

我國現(xiàn)堤防歷史上多由農(nóng)民自發(fā)修筑,并經(jīng)多次加高培厚而成,施工缺乏嚴格的質(zhì)量控制,造成堤防修筑質(zhì)量差,存在松散層、裂縫、空洞、坑道等,使堤身、堤基透水性較強,導致堤體及背水坡外出現(xiàn)散浸、翻沙、管涌等問題,給工程留下了隱患。如何有效加強堤壩工程的防滲能力是建筑水利工程的主要任務之一。劈裂灌漿技術能有效改善堤防工程質(zhì)量,此技術在堤防防滲工程中被廣泛推廣,它能形成垂直連續(xù)的防滲帷幕,它的工作機理、效果和工藝均已達到了現(xiàn)代防滲工程的要求,更適合當前大量的堤壩防滲加固工程。以下對劈裂灌漿的施工技術要求,及如何控制堤防灌漿質(zhì)量等,做一些粗淺的討論。

1 劈裂灌漿特點及機理

1.1 劈裂灌漿特點

(1)劈裂灌漿能形成連續(xù)質(zhì)量可靠的防滲帷幕,并且灌入堤身的泥漿析水固結后易與堤體融為一體,不破壞堤身的整體穩(wěn)定性。

(2)劈裂灌漿用粘土泥漿造墻,土料選擇可按技術要求因地制宜,就地取材,可降低工程造價。

(3)設備便宜,工藝簡單,施工速度快。

(4)劈裂灌漿適合加固含水量相對較低的黃土堤壩,加固深度以較深(大于 5.0m)為宜,不宜用于大面積淺層灌漿處理堤壩工程。

1.2 劈裂灌漿機理

劈裂灌漿技術從堤壩險患的原因入手,以斷裂力學和水力劈裂原理為理論基礎,利用堤身的最小主應力面和堤軸線方向一致的規(guī)律,沿壩體最小主應力的垂直方向布孔,在灌漿壓力下有控制地劈裂堤身,控制性地灌注漿液,劈裂灌注過程中有滲透、充填和壓密,而滲透、充填和壓密完成后,又會有新的劈裂產(chǎn)生一一裂縫擴展。在堤身形成密實,且有一定厚度的連續(xù)性的漿液防滲固結體,堵塞漏洞、裂縫或切斷軟弱層,提高了壩體的防滲能力。此外,通過灌漿壓力和土的濕化變形,使壩體內(nèi)部的應力再分配,由應力的不均衡趨向均衡,從而使堤壩達到變形穩(wěn)定的目的。

2 劈裂灌漿設計參數(shù)

2.1 布孔

從理論上講,布孔軸線與堤防軸線一致時有利于劈裂。在實際工程中,一般將布孔軸線向上游偏移 0.5 m左右。以5.0m寬的堤防為例,布孔軸線為距上游側(cè) 2.0m?？孜徊灰颂拷碳?以免灌漿過程中出現(xiàn)較多斜裂縫及堤坡冒漿。一般孔距約為 1/3堤高至 1/2堤高,順直段孔距可稍大些,彎曲段則應小些。適當加大孔距、減少孔數(shù),可降低工程造價,但孔距過大,會使單孔注漿時間長,帷幕厚度不均勻,從而影響灌漿質(zhì)量。

孔深應視堤基地質(zhì)條件而定。當?shù)袒鶠檎承酝習r,為保證泥漿對堤身隱患部位和堤身與堤基接觸的層面得到充分浸透、充填和擠壓密實,孔深應深入堤基 0.5m～1.0m;當?shù)袒鶠樯靶酝習r,孔深應深入堤基 1/2堤高至 2/3堤高,以利堤身和堤基形成連續(xù)的漿體帷幕,達到最好的防滲效果。

2.2 灌漿壓力

灌漿壓力是劈裂灌漿施工中的一個重要控制指標,當灌漿壓力大于起裂壓力和裂縫擴展壓力時,鉆孔就開始隨裂縫擴展,隨著裂縫的擴展,漿液進入堤體而形成防滲帷幕,灌漿壓力如果控制得好,對于堤體的壓密和回彈,加快漿體排水固結,漿體的壓密和補充堤體小主應力不足、保證防滲帷幕等,都能起到好的效果。灌漿壓力過大有可能破壞壩體的某些結構,甚至出現(xiàn)險情。因此控制灌漿壓力是劈裂灌漿的關鍵。

灌漿壓力一般分為三級,一是堤防土體被劈開極限狀態(tài)時的孔口壓力,二是最大控制灌漿孔口壓力,三是正常灌漿壓力。灌漿壓力不僅與堤身質(zhì)量有關,而且還與堤的斷面尺寸、灌漿部位、泥漿濃度及漿量有關,很難用一個公式準確計算。在保證堤防安全的前提下,一般不控制起始劈裂力,待起劈后,則需控制最大孔口壓力或正常灌漿壓力。最大控制孔口壓力可參照規(guī)范中的公式計算,并結合現(xiàn)場灌漿試驗及類似工程經(jīng)驗確定。

在實際工程中,為方便施工,一般只控制最大孔口壓力,對起劈壓力和正常灌漿壓力不作嚴格控制。為施加較大的灌漿壓力,促使?jié){液析水固結,提高漿液的固結速率,在所有灌漿鉆孔埋設孔口管,用來承擔頂部灌漿壓力。

2.3 灌漿漿液技術要求

對于劈裂灌漿,其漿液控制是控制工程質(zhì)量中的重要環(huán)節(jié)。作為能量載體,漿液要起到劈裂作用,作為防滲帷幕,漿液需盡快凝結。故在灌漿過程中,根據(jù)漿液所起的作用不同,對漿液稠度及灌漿材料有不同的要求。灌漿時,為了更容易實現(xiàn)劈裂,起劈漿液應用稀漿,稀漿容重一般為 1.2 t/m3～1.3 t/m3,當灌漿壓力突然下降時,表明壩體已被劈開,此時改用設計所要求的稠漿,容重一般為 1.3 t/m3～1.5 t/m3。

灌漿材料一般采用粘土漿,制漿土料粘粒含量為 20%～30%,塑性指數(shù) 10%～16%,有機含量小于 2%,當土料粘粒含量過低時,可加入一定量的膨脹劑。根據(jù)劈裂原理,在堤防回彈之前,堤防被一劈為二,其本身的穩(wěn)定性較起劈前差了許多。故在實際應用中,必須認真考慮如何使?jié){液盡快凝固,使劈裂后的堤防及時回復整體。試驗表明,在漿液中摻入水泥有利于漿液固結。但水泥摻入量并非越多越好,若水泥摻入量太多,易在漿體中形成骨架,不利于壩體回彈壓密,形成的漿脈密度小,性質(zhì)比較脆,不能適應壩體變形,反而產(chǎn)生壞的效果。經(jīng)過驗證,在原純粘土漿中添加 15%左右的水泥形成水泥粘土漿,既能加速漿液凝固,較快發(fā)揮防滲效果,又不影響壩體回彈。

2.4 灌漿序次、灌漿間隔時間及復灌次數(shù)

灌漿序次可采用一序或兩序。分序的目的是使?jié){液在堤身有充分的析水固結時間。設計中多采用二孔進行灌漿。復灌間隔時間應根據(jù)灌入堤身漿液的固結狀態(tài)確定,即應在前次灌入漿液初步凝固(固結度達 90%)后才能復灌。在灌漿方法上要“少灌多復”。灌漿壓力應逐步增大,當接近允許最大值時,應立即停灌,更換灌漿孔。一般每序孔的灌注相隔時間不小于 3d,復灌次數(shù)為 5次左右,每次相隔時間不小于 1d。

設計參數(shù)中的孔距、孔序、灌漿壓力、復灌間隔時間及復灌次數(shù)等指標,與堤身斷面、堤身質(zhì)量及土質(zhì)、灌漿土料、工藝設備等因數(shù)密切相關,必須通過灌漿試驗,并應按試驗結果修正設計參數(shù)。

3 劈裂灌漿工藝流程

3.1 造孔

根據(jù)設計和試驗確定的孔距,沿堤身軸線用皮尺量距,定位布孔,縱向偏差小于5cm,上下游偏差低于3 cm,鉆孔偏斜度不大于孔深的 2%。

3.2 制漿及灌漿

制漿、灌漿應同步進行。制漿應經(jīng)過攪漿、篩漿、拌漿等工序,除去大顆粒砂石及雜質(zhì),以確保漿液連續(xù)均勻供應,同時應測定泥漿密度和粘度,若不符合要求,應調(diào)整水土比;灌漿采用孔底注漿、全孔灌注的方法,灌漿應按先稀后稠的原則,并按照試驗確定灌漿序次、復灌次數(shù)和間隔時間進行復灌。

3.3 終灌及封孔

灌漿結束過早,可能在堤防中留下隱患,過長延長灌漿時間,不僅浪費材料,而且會帶來不利因素,因此,正確選擇結束時間很有必要。當達到設計復灌次數(shù),隨著復灌次數(shù)的增加,吃漿量越來越少(小于 0.03m3/m in),每次灌漿歷時越來越短,直至灌漿歷時很短、吃漿量很少,堤頂開始冒漿2～3次,不能再繼續(xù)施灌,此時可確定為灌漿結束標準。封孔時向注漿孔內(nèi)連續(xù)注入容量大于 1.6 t/m3的稠漿,直至漿面不再下降為止,并用干土封堵?lián)v實。

4 灌漿中易出現(xiàn)的問題及處理措施

在灌漿過程中,易出現(xiàn)裂縫、塌坑、冒漿、串漿、機械故障等現(xiàn)象,應對此加以控制和處理。

4.1 裂縫處理

在灌漿期間堤頂出現(xiàn)了縱向縫,若因堤身填土碾壓質(zhì)量差,泥漿析水引起堤身土濕化變形的濕陷縫,可繼續(xù)灌漿不做處理;若為劈裂縫則應加強觀測,當裂縫發(fā)展到1 cm～2 cm寬時,可沿裂縫開挖、填土夯實,形成阻漿蓋,或適當降低孔口壓力,采取少灌多復的辦法,嚴格控制最大裂縫不超過3 cm。當裂縫達到3 cm時,應立即停灌,待裂縫基本閉合后再灌。如果出現(xiàn)橫向或斜向裂縫,必須停灌檢查,并采取沿裂縫開挖、回填粘土夯實或沿裂縫鉆 2個 ～4個孔灌入較稠的壓力泥漿,促使被灌土區(qū)變形穩(wěn)定。

在堤防彎曲段,因為堤防內(nèi)部應力比較復雜,易出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。對于這種堤段,一般需單獨處理。

4.2 塌坑處理

局部堤防在灌漿期間出現(xiàn)塌坑,應立即停灌,3d～5d后可在塌坑的四周打孔灌注稠漿,然后在坑內(nèi)分層填土夯實。

4.3 冒漿處理

因堤身存在裂縫、洞穴等隱患,灌漿期間堤坡、堤頂?shù)瘸３霈F(xiàn)冒漿。對堤坡冒漿可采取在原灌漿孔內(nèi)用濃漿間歇性灌漿的方法處理,對灌漿初期的堤頂冒漿,可采取降低灌漿壓力和輸漿量或在冒漿處作阻漿蓋阻止冒漿,灌漿后期的堤頂冒漿可不處理。

4.4 串漿處理

灌漿中出現(xiàn)串漿時,應加強觀測,分析其對堤身的整體和局部安全是否有影響,在確認對堤防安全無影響時,可采取對灌漿孔口和串漿孔同時灌漿,或在串漿孔口加木塞,然后繼續(xù)灌漿。

4.5 機械故障

發(fā)生機械故障時,要及時進行處理,避免灌漿工作不能實施或達不到設計要求。

5 劈裂灌漿質(zhì)量檢驗

按照施工記錄分別統(tǒng)計出每孔吃漿量及相應的漿液稠度,可計算得每孔干土灌入量及平均每米孔深干土灌入量。在實際工程中常用探坑檢測法,當灌漿結束后20d左右,在施工區(qū)內(nèi)隨機挖一定數(shù)量的探坑,檢查漿脈是否清晰、連續(xù)、均勻和固結效果,主漿脈和影響帶寬度,以及漿液在縫內(nèi)、孔隙內(nèi)充填情況及漿體結構與原堤結合情況等,并垂直主漿脈取土樣做室內(nèi)變水頭滲透試驗、固結試驗及顆分、液塑限試驗等。

6 結語

綜上所述,劈裂灌漿技術是一項適用性很強,施工方便、造價低的堤身防滲技術,因此被廣泛推廣,特別是對于堤身孔洞較多的土堤,可以充分發(fā)揮其充填、擠壓作用。

[1]王洪恩,盧超.堤壩劈裂灌漿防滲加固技術.北京:中國水利水電出版社[M].2006.1.

[2]地基處理手冊.中國建筑工業(yè)出版社[S].1989.4

[3]李均安,夏天彬.劈裂灌漿技術及其在堤防工程中的應用[J].甘肅農(nóng)業(yè).2007.8:86-87.

[4]孫建華,張東明.劈裂灌漿技術在滹沱河北大堤整治工程中的應用[J].南水北調(diào)與水利科技.2003.2:44-45.

[5]姚春江,徐鳳彬,任永林.對堤防劈裂灌漿技術的探討[J].江蘇水利.2005.8:13-14.