淺談水利工程堤壩防滲加固技術(shù)

曲威（天津市華淼給排水研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津300190）

淺談水利工程堤壩防滲加固技術(shù)

曲威
（天津市華淼給排水研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津300190）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國修建了大量的沿海閘岸、土壩堤防及平原水庫等水利構(gòu)筑物。這些工程大多建在江河沿岸及靠海地區(qū)，這些地區(qū)的土質(zhì)大多為含水率高、承載力差、抗剪能力不足的軟土地基及容易被擾動(dòng)的高靈敏性不良地質(zhì)。有的工程在使用過程中由于防滲工程的缺陷或地基擾動(dòng)，出現(xiàn)了變形穩(wěn)定和滲漏穩(wěn)定方面的問題，這是影響水利工程正常運(yùn)行的主要安全因素，論文通過對(duì)幾種防滲漏加固技術(shù)的特點(diǎn)及適用條件的介紹，為堤壩病險(xiǎn)處理提供參考。

水利工程；不良地質(zhì)；堤壩；防滲加固

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.168

1 幾種不良地質(zhì)的特征及其在水利工程中可能引起的問題

1.1 淤泥、淤泥質(zhì)土

淤泥、淤泥質(zhì)土是指在凈水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，經(jīng)生物化學(xué)作用形成的黏性土。這種黏性土含有較多的有機(jī)質(zhì)，天然含水率大于液限；孔隙比e＞1.5時(shí)，稱淤泥；1.0＜e＜1.5時(shí)，稱淤土。按沉積環(huán)境可以分為河灘沉積、湖泊沉積、濱海沉積、沼澤沉積等4類淤泥或淤泥質(zhì)土。

1.2 靈敏性軟土

當(dāng)呈流塑態(tài)的淤泥或淤泥質(zhì)土靜置一段時(shí)間后，土中的膠粒會(huì)成為凝膠體，具有一定的承載能力。如果在施工中受到擾動(dòng)，就會(huì)流動(dòng)液化，失去膠結(jié)力，使承載能力降低，甚至完全喪失承載力，這種現(xiàn)象即為觸變。土的靈敏度St可以表示土體觸變性的強(qiáng)弱程度，如表1所示。

表1 土體觸變性等級(jí)劃分

其中，中靈敏性土在進(jìn)行打樁、鉆孔，混凝土防滲墻造槽，振沖置換等施工時(shí)會(huì)發(fā)生觸變；高靈敏性土在強(qiáng)震、爆破，重型車輛通過時(shí)會(huì)發(fā)生觸變；極靈敏性土在中等地震，爆破，機(jī)械振動(dòng)，車輛通過時(shí)會(huì)發(fā)生觸變。

1.3 飽和粉細(xì)砂

飽和粉細(xì)砂屬于非塑性土，抗剪強(qiáng)度較高，壓縮系數(shù)較小。在地震的反復(fù)震動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生液化現(xiàn)象，粉細(xì)砂被加密時(shí)孔隙減小，孔隙水壓上升，有效應(yīng)力降低。當(dāng)孔隙水壓等于該處粉細(xì)砂的上覆土層壓力時(shí)，就會(huì)發(fā)生噴砂，使土體抗剪強(qiáng)度完全喪失，這種現(xiàn)象叫做液化。對(duì)于土石壩，若其地基為飽和粉砂層且發(fā)生液化現(xiàn)象，粉砂會(huì)從堤壩趾部噴出，導(dǎo)致堤壩塌陷裂縫。

2 堤壩防滲加固技術(shù)分析

2.1 堤壩主要病險(xiǎn)種類

沿海軟土地基上的土石壩主要的病險(xiǎn)種類包括地基深層滑動(dòng)失穩(wěn)，滲透破壞，開裂破壞，其中，滲透破壞又分為集中滲漏、管涌、流土，接觸沖刷、接觸流土。

2.2 發(fā)生滲透破壞的主要原因

1）堤身物質(zhì)組成不均勻，填筑密實(shí)度不均勻；

2）由于施工時(shí)未清基，堤身與地基基礎(chǔ)面上夾帶大量雜質(zhì)；

3）堤基土層為砂質(zhì)地基，砂質(zhì)流失導(dǎo)致防洪墻、堤壩決口；

4）軟土地基施工時(shí)未按堤腳水平位移和沉降限值控制填筑速度而導(dǎo)致的塌滑。

2.3 堤壩防滲加固技術(shù)

2.3.1 劈裂帷幕灌漿技術(shù)

劈裂帷幕灌漿技術(shù)主要用于加固堤身，劈裂式灌漿與填充式灌漿有本質(zhì)的區(qū)別。壩體劈裂灌漿是從產(chǎn)生壩體隱患的原因入手，根據(jù)土壩的幾何形狀和應(yīng)力分布規(guī)律，利用壩體小主應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行布孔，并施加一定的灌漿壓力，有計(jì)劃有控制地劈裂壩體，灌注適宜的防滲壓力泥漿，通過漿壩互壓和壩體的濕陷固結(jié)等作用，使所有與漿脈聯(lián)通的裂隙、洞穴、水平疏松層等隱患得到充填擠壓密實(shí)，形成豎直連續(xù)的漿體防滲帷幕，從而改善壩體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，解決壩體的滲透穩(wěn)定問題[1]。

1）適用范圍

劈裂灌漿技術(shù)適用于處理結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的粉細(xì)砂及土砂層透水地基，以及有裂隙、洞穴、水平夾砂層等隱患的土壩。對(duì)于結(jié)構(gòu)性較差的粗砂及卵礫石壩基不適合采用此技術(shù)。

2）設(shè)計(jì)中主要指標(biāo)控制

（1）鉆孔設(shè)計(jì)。灌漿孔的位置應(yīng)根據(jù)壩體隱患部位、性質(zhì)和壩體內(nèi)部的應(yīng)力分布情況來布置。一般分為河槽段和岸坡段；鉆孔深一般大于隱患深度2～3m；孔距的確定：河槽段孔深大于15m時(shí)，以10m左右孔距為佳；孔深小于15m，可采用5m孔距。

（2）灌漿壓力。灌漿壓力是保證防滲帷幕施工效果的重要指標(biāo)之一。灌漿壓力通過3個(gè)指標(biāo)來控制：起始劈裂壓力、單孔最大壓力、和屈服壓力。

a.起始劈裂壓力

式中，P為灌漿壓力，kPa；P1為壩體劈裂力，kPa；ΔP為孔口壓力表讀數(shù)，kPa；γ為漿液容重；h為注漿管深度，m；Ph為泥漿流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩阻力；σ3為壩體小主應(yīng)力，kPa；σt為土體單軸抗拉強(qiáng)度，kPa。

令P=P1則：

當(dāng)ΔP＞σ3+σt-γh+Ph時(shí)，壩體劈裂。

b.單孔最大壓力

單孔最大壓力建議按1.5P控制。

（3）屈服壓力P'

（4）帷幕厚度。設(shè)計(jì)帷幕厚度應(yīng)考慮防滲要求和變形穩(wěn)定性兩方面同時(shí)滿足要求。若帷幕太厚，固結(jié)時(shí)間會(huì)較長，壩體變形也會(huì)隨之增大，如果太薄，則可能滿足不了防滲要求。因此，在帷幕厚度的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)首先保證防滲要求，其次保證壩體變形穩(wěn)定要求，最后考慮漿體的固結(jié)時(shí)間。依據(jù)這3項(xiàng)指標(biāo)選擇既滿足設(shè)計(jì)要求又經(jīng)濟(jì)合理的帷幕厚度。

（5）漿液物理指標(biāo)選擇

a.壩體灌漿中，一般采用泥漿的密度為1.3～1.6g/cm3；

b.土水比λ=0.3～1.45；

c.泥漿的流動(dòng)性一般用黏度表示，控制在20～100s之間；

d.泥漿的穩(wěn)定性c為下部泥漿密度與上部泥漿密度之差，一般在0.05～0.1g/cm3為宜。

2.3.2 GIN灌漿法

GIN灌漿法是根據(jù)需灌漿處理的土層各項(xiàng)物理指標(biāo)分析土層的可灌性，通過控制灌漿壓力與單位長度灌漿量的乘積（即灌漿強(qiáng)度值GIN=PV，為一定值）的一種灌漿技術(shù)。這樣做的目的是為了在對(duì)帶有寬大裂隙的土質(zhì)進(jìn)行注漿時(shí)可以控制其注漿量；對(duì)可灌性差的灌段可以通過提高注漿壓力使各灌段有一個(gè)相同的漿液擴(kuò)散半徑[2]。

2.3.3 混凝土防滲墻技術(shù)

1）高壓噴射灌漿防滲墻技術(shù)

（1）概念。高壓噴射灌漿是利用鉆孔機(jī)械造孔，用灌漿管以高壓把漿液或水噴射出來，形成射流切割土層，使?jié){液和被灌土層顆粒摻合，改變原地層的結(jié)構(gòu)和組成，共同混合形成凝結(jié)體，從而達(dá)到防滲和加固地基的作用。

（2）分類。高壓噴射灌漿的基本種類有:單管法（CCP法）、二管法（JSG法）、三管法（CJP法）、多管法（SSS-MAN法）。其中單管法、二管法、三管法均屬于半指環(huán)法，多管法屬于全置換法。

2）高壓噴射灌漿防滲墻的優(yōu)勢及適用范圍

（1）可灌性好。高壓噴射管漿屬于強(qiáng)制破壞土層的結(jié)構(gòu)的注漿方法，只要是高壓射流可以破壞的土層（黏性土、砂性土）均可使用此方法，不存在可灌性問題。（2）靈活性?？砂丛O(shè)計(jì)要求采用不同方向不同噴射形式，形成大底、半圓臺(tái)、葫蘆形的凝結(jié)體，也可以對(duì)數(shù)十米以下的砂礫層、隱患進(jìn)行處理，還可在水上對(duì)水下隱患進(jìn)行處理[3]。（3）連接可靠。高壓噴射灌漿墻體自身與原有建（構(gòu)）筑物的連接可靠，通過新噴射流的高強(qiáng)壓力將連接表面沖涮干凈并與其共同形成新的凝結(jié)體。（4）可通過調(diào)整漿液指標(biāo)對(duì)混凝土板墻的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行控制。（5）施工要求不高，不需要對(duì)土層進(jìn)行開挖。（6）適用性廣泛，可用于軟土堤基加固。

2.3.4 垂直鋪塑

1）概念

垂直鋪塑是指在有防滲要求的土體中使用鏈斗式挖槽機(jī)，通過鏈條及鏈斗連續(xù)挖掘出渣，形成連續(xù)的槽孔，并用泥漿穩(wěn)固槽壁，將與槽深相當(dāng)?shù)耐凉つは氯氩蹆?nèi)，倒轉(zhuǎn)軸卷，使土工膜展開，然后按要求進(jìn)行膜兩側(cè)的填土。

2）適用范圍

垂直鋪塑防滲技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)具備以下條件：（1）透水層深度一般在12m以內(nèi)，或通過努力，開槽深度可以達(dá)到16m；（2）透水層中大于5cm的土粒含量不超過10%（以質(zhì)量計(jì)），其少量大石塊的最大粒徑不超過15cm，或不超過開槽設(shè)備允許尺寸；（3）透水層中的水位能滿足泥漿護(hù)壁的要求；（4）透水層底為符合防滲要求的巖石層或不透水層；（5）透水層中流砂夾層或純中粗砂段所占比例很少，不影響泥漿護(hù)壁。

3 結(jié)語

通過對(duì)幾種堤壩防滲技術(shù)的特點(diǎn)和使用范圍的了解，我們不難發(fā)現(xiàn)，劈裂式灌漿防滲技術(shù)不僅可以對(duì)壩身病險(xiǎn)進(jìn)行處理，而且可以作為壩基防滲加固的有效方法，但對(duì)土質(zhì)有一定的要求；高壓噴射灌漿技術(shù)對(duì)土質(zhì)要求局限性很小，適用性更為廣泛，施工要求相對(duì)較低，還可以滿足水下施工的要求。因此，我們在設(shè)計(jì)施工時(shí)可以綜合考慮地質(zhì)水文條件和各種防滲加固技術(shù)的特性，通過經(jīng)濟(jì)比較，選擇最佳方案。

【1】白永年.中國堤壩防滲加固新技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

【2】顏宏亮.水利工程施工[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2015.

【3】馬國彥常振華.巖體灌漿排水錨固理論與實(shí)踐[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

Seepage Reinforcement Technology of Hydraulic Engineering

QU Wei
(Tianjin Hua Miao Research&Design Institute of Water and Waste Water Co.Ltd.,Tianjin 300190,China)

Along with the economic development, our country builds a large number of coastal sluice dam embankment and plain reservoirsand other water conservancy structures.These projects are mostly built inthe river along the coast and near the sea area, the soil in these are a mostlyare unfavorable geological with highly moisture content, lower bearing capacity and shear capacity. Some engineering comes to deformationstability and permeative stability problems because of imperfection of anti-seepage engineering and the foundation was disturbed, and it was themainly safety reason affecting the hydraulic engineering normal operation. This paper introduces the characteristic and application addition ofseepage reinforcement technology,in order to provide a reference to dangerous dam.

water conservancy project；unfavorable geological；dam；seepage reinforcement

TV871

A

1007-9467（2016）12-0163-03

2016-10-23

曲威（1982～），女，天津人，高級(jí)工程師，從事水利工程及市政工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。