黏土灌漿在灌區(qū)堤防加固中的應(yīng)用

劉洪明，胡守平，葛孚強

（德州市李家岸灌區(qū)管理局，山東 臨邑 251500）

李家岸灌區(qū)是全國大型引黃灌區(qū)之一，設(shè)計流量100 m3/s，設(shè)計灌溉面積21.43萬hm2，1971年建成引水。灌區(qū)位于德州市東部，灌區(qū)范圍包括齊河、臨邑、陵縣、寧津、樂陵、慶云等6縣、市部分或全部，總?cè)丝?96萬人。開灌40年來，年平均引水量4.8億m3，為灌區(qū)內(nèi)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展做出了重要貢獻。

1 工程概況

李家岸灌區(qū)總干渠建于1970年，由于當(dāng)時堤防采用就地取土人工填筑而成，存在土質(zhì)差、填土未碾壓或碾壓不實等情況，致使部分壩體疏松，引水時出現(xiàn)滲漏。特別是在2011年初冬季引水期間，由于運行水位高、時間長，總干渠崔許閘下（K12+700～K17+000、K31+817～K32+817）5.3 km 堤防滲漏嚴(yán)重，而且出現(xiàn)裂縫，縫寬達到2 cm，不僅影響了工程效益的充分發(fā)揮，而且還存在嚴(yán)重的安全隱患。為此，灌區(qū)管理局決定采用黏土灌漿技術(shù)提高堤防防滲能力和穩(wěn)定性，消除安全隱患，以發(fā)揮灌區(qū)的最大效益。

2 堤防勘探

為了掌握灌漿效果和灌漿設(shè)計所需的基礎(chǔ)資料，在灌漿施工前，對擬定灌漿范圍的堤防鉆探取樣，勘探深度15 m，每米土層取一個土樣，檢測壩體的土質(zhì)、干容重、孔隙比及壓縮系數(shù)等指標(biāo)（詳見表1）。

表1 大堤灌漿前檢測鉆孔各土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 灌漿實驗

3.1 灌漿土料實驗

灌漿是為了提高堤防的抗?jié)B能力和穩(wěn)定性。因此，土料黏粒含量不能太少，黏粒含量太少的土料成漿率低，泥漿容易沉淀，堵塞裂縫，致使細縫灌不進泥漿，不能達到防滲的目的。但黏粒過高的土料制漿，土料不易粉碎分解，制成的泥漿粒度大，容易堵塞灌漿設(shè)備，且析水性能差，凝結(jié)后體積收縮也大。漿料的含砂量也不宜過多，砂粒過多時，泥漿的穩(wěn)定性不好，在裂縫中沉淀后會形成透水的砂層。通過試驗檢測，確定宮家和李英兩處土場的土質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土。其黏粉含量為30%～40%，粉粒含量60%～70%，砂粒含量小于10%，有機質(zhì)含量不超過2%，符合要求。

3.2 泥漿比重測定

通過現(xiàn)場模擬操作，觀測灌漿壓力、泥漿注入量和灌漿時間，及灌漿前后試驗數(shù)據(jù)對比，確定本次灌漿泥漿比重為1.3～1.7 g/cm3。當(dāng)泥漿比重＜1.3 g/cm3時，泥漿含水量偏大，不僅起不到堵塞漏水空隙的作用，反而將空隙周圍土粒帶走，進一步擴大了漏水縫隙；當(dāng)泥漿比重＞1.7 g/cm3時，泥漿含水量偏小，漿料偏稠流動性低，容易堵塞灌漿機械，不利于施工。

實際灌漿施工時，測定泥漿比重的儀器較多，其中比重瓶的測量精度高，為了保證灌漿質(zhì)量采用了比重瓶測定法。

3.3 灌漿壓力

泥漿擴散范圍的大小與灌漿壓力有關(guān)，灌漿壓力大，泥漿擴散范圍就大。但是，灌漿壓力過大會破壞壩體結(jié)構(gòu)，影響壩體安全。因此，灌漿壓力的控制非常關(guān)鍵。通過現(xiàn)場實驗，在相同條件下，對10組鉆孔在不同灌漿壓力下的泥漿注入量、灌漿時間、冒漿、串漿等技術(shù)指標(biāo)進行比較，得出本次灌漿最佳壓力（孔口壓力）為0.3 kgf/cm2，對比數(shù)據(jù)見表2。

表2 灌漿壓力實驗數(shù)據(jù)對比表

3.4 外加劑

在泥漿中摻入一定量的外加劑，可以改善泥漿的性能。根據(jù)李家岸總干渠堤防實際情況，本次施工采用添加水泥外加劑來改善泥漿的性能。

水泥黏土混合漿開始時，其黏度比未加入水泥的黏土漿要小些，可凝固的時間要快的多，固結(jié)后的強度也較高。水泥加入量宜控制在干料重的10%～30%之間，若水泥摻加量超過干料重的30%，則混合漿很快初凝，使?jié){液面不能隨著漿液收縮而下沉，但漿液要不斷析水固結(jié)，因而在泥漿中產(chǎn)生許多水平方向的細裂縫，這對防滲是十分不利的。綜合比較后，確定水泥加入量控制在干料重的15%。

4 灌漿施工

4.1 灌漿方式

灌漿方式分為劈裂式灌漿和充填式灌漿。劈裂式灌漿適用于處理范圍較大，問題性質(zhì)和部位都不完全確定的隱患；充填式灌漿適用于處理性質(zhì)和范圍都已確定的局部隱患。由于本次灌漿的隱患性質(zhì)和范圍都已確定，故灌漿方式采用充填式灌漿。

4.2 灌漿設(shè)備

灌漿鉆機機械采用HD12-1型全液壓錐探機和ZK24型錐孔機。灌漿機械采用BW-250型灌漿機組。

4.3 鉆孔布置

根據(jù)李家岸總干渠堤防的實際情況，確定本次灌漿孔按6排梅花形布孔，間距2 m，孔深10 m，超過隱患深度3～4 m。

4.4 施工工序

1）灌漿順序。在灌漿過程中，采用“少灌多復(fù)”的方法，對灌漿孔分3序灌漿，先灌上游，再灌下游，最后灌中間排孔，每序灌漿時間間隔不少于20 d。

2）灌漿程序。首先，按照設(shè)計要求造孔，造孔應(yīng)保證鉛直，偏斜不得大于孔深的2%。然后，采用機械制漿，漿液各項指標(biāo)要嚴(yán)格按設(shè)計要求控制。最后灌漿，灌漿過程中要控制好灌漿壓力、灌漿量等技術(shù)指標(biāo)。

當(dāng)漿液升至孔口，經(jīng)連續(xù)3次復(fù)灌不再吃漿時，即可停止灌漿。待孔周圍泥漿不再流動時，用黏土將孔口封閉。

3）灌漿記錄?，F(xiàn)場管理人員對每孔灌漿的灌漿時間、壓力、注入漿量及泥漿容重等數(shù)據(jù)進行了翔實的記錄。灌漿結(jié)束后，經(jīng)施工單位技術(shù)人員認(rèn)證后保存。

4.5 問題處理

1）冒漿處理。灌漿時堤頂、堤坡出現(xiàn)冒漿，應(yīng)立即停灌，挖開冒漿出口，用黏土土料回填夯實后再進行灌漿。對于不能堵塞的情況，應(yīng)待已灌泥漿初凝后再繼續(xù)灌漿，或者提高泥漿濃度。

2）串漿處理。灌漿時相鄰孔出現(xiàn)串漿，用木塞堵住串漿孔，然后繼續(xù)灌漿。

5 灌漿質(zhì)量檢查

灌漿施工過程中，在每個施工單位安排2名質(zhì)量監(jiān)督人員，吃住在施工一線，全程監(jiān)督灌漿施工的布孔、造孔、工藝操作、漿液性能、綜合控制情況等技術(shù)指標(biāo)，嚴(yán)格按規(guī)范要求施工質(zhì)量。

1）檢查內(nèi)容。主要包括：壩體各土層的干容重、孔隙比、壓縮系數(shù)及滲流量變化情況等技術(shù)指標(biāo)。

2）檢查方法。首先通過在總干渠引水期間安排站所管理人員，對灌漿后堤防的運行情況進行觀察，發(fā)現(xiàn)灌漿范圍內(nèi)的堤防滲漏情況已經(jīng)全部杜絕。然后在總干渠停止引水3個月后，對堤防鉆探取樣，檢測灌漿后壩體各土層的物理力學(xué)指標(biāo)，檢測數(shù)據(jù)見表3。并對灌漿前后各土層的滲透系數(shù)進行了詳細對比，對比數(shù)據(jù)見表4。

表3 大堤灌漿后鉆孔各土層物理力學(xué)指標(biāo)

表4 各土層滲透系數(shù)對比一覽表

6 結(jié)論

根據(jù)各勘探點不同深度取樣的試驗結(jié)果，對灌漿前后堤防各土層物理力學(xué)指標(biāo)及滲透系數(shù)進行對比，形成如下結(jié)論：

1）通過對試驗指標(biāo)中干容重增幅為2%～6%，孔隙比降幅為7%～14%，滲透系數(shù)降幅為7%～80%的數(shù)據(jù)進行分析，大堤灌漿后，各層指標(biāo)均有變化，雖然變化幅度不同，但全部是有利的。大部分層段土體干容重已達到16.1 kN/m3以上，滿足15.0 kN/m3的設(shè)計要求。處理深度范圍內(nèi)滲透系數(shù)由1.14E-05 cm/s減為4.39E-06 cm/s，滿足堤防要求。

2）對灌漿深度以下地基也有一定的益處，如多數(shù)堤段地基土體干容重已達到12～17 kN/m3之間，較灌漿前也有增加，滲透系數(shù)也略有減小。

3）通過以上數(shù)據(jù)充分說明，李家岸灌區(qū)堤防除險加固工程應(yīng)用黏土灌漿技術(shù)，有效提高了堤防防滲能力和穩(wěn)定性，消除了安全隱患，為灌區(qū)發(fā)揮最大效益提供了可靠保證。