堤壩粗粒土控制灌漿修復加固技術(shù)

陳利強 盧建華 章贏 崔冬冬

摘要：研究堤壩粗粒土控制灌漿柔性防護技術(shù)，具有提高工效、降低工程投資的巨大社會經(jīng)濟效益。依托岷江干流金馬河新津段左岸堤防示范點開展粗粒土控制灌漿試驗，通過系統(tǒng)分析鉆孔、灌漿材料及漿液性能、灌漿工藝參數(shù)、灌漿防滲效果等數(shù)據(jù)，進而驗證和完善粗粒體控制灌漿加固技術(shù)。結(jié)果表明：套閥管灌漿方法在砂卵礫石層堤身及堤基進行控制灌漿是適宜和可行的，在土體粒徑較大的砂卵礫石層地段可順利灌注水泥漿液;灌漿孔宜采用多排布置，間排距為1.0 m×1.0 m，段長為1～2 m，灌漿壓力0.2～1.0 MPa;滲透式控制灌漿防滲效果良好。

關(guān)鍵詞：粗粒土控制灌漿;套閥管法;土石堤壩;防滲加固;岷江

中圖法分類號：TV641文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.011

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0057 - 06

0 引 言

中國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴重的國家之一，具有災(zāi)害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、造成損失重等特點，其中滑坡是中國主要的地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。為了提高重大滑坡災(zāi)害快速識別與風險防控能力，科技部計劃對“岸坡堤壩滑坡監(jiān)測預警與修復加固關(guān)鍵技術(shù)及示范應(yīng)用”等重大課題開展研究。雖然中國在滑坡領(lǐng)域開展了多年研究并取得了大量成果，但是關(guān)于膨脹土岸坡和堤壩滲透滑坡的研究還不夠系統(tǒng)[4-6]。因此，開展了圍繞膨脹土岸坡和堤壩滲透滑坡的多過程多尺度災(zāi)變機理、監(jiān)測預警、檢測識別、修復加固、集成平臺等方面的研究，其中堤壩粗粒體控制灌漿修復加固技術(shù)屬于關(guān)鍵研究技術(shù)。

堤壩粗粒體控制灌漿修復加固技術(shù)專題系統(tǒng)研究了粗粒土中鉆孔、制漿、灌漿、檢測等方面，提出了適宜粗粒土的成孔工藝與灌漿漿液，確定了控制灌漿方法、設(shè)備、壓力、段長等施工工藝參數(shù)，提出了合適的檢測方法及粗粒土控制灌漿設(shè)計指標，并通過技術(shù)集成，形成了堤壩控制灌漿柔性防護非開挖修復加固技術(shù)與工藝。同時，依托示范工程，驗證和完善了施工工藝。

1 示范研究點概況

研究團隊赴四川、重慶、江西等多地調(diào)研，綜合比選后，選擇岷江干流金馬河新津段左岸堤防作為堤壩粗粒體控制灌漿修復加固技術(shù)示范研究點，距新建主城區(qū)約8 km。金馬河長70.594 km，落差260 m，平均比降3.78‰，一直都是岷江的主要洪泛區(qū)。示范點臨近河床，平直開闊，河谷呈淺“U”形，谷底寬540～620 m。堤身填土主要由粉質(zhì)壤土夾砂卵礫石組成，堤基置于砂卵礫石層上，為單一結(jié)構(gòu)，砂卵礫石厚一般為4～14 m，下伏白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g）紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。堤身高度為5～10 m，堤頂寬5.5～7.2 m，臨水坡坡比1∶（1.5～1.7），局部坡比陡于1∶1.5，背水坡坡比1∶2.0。堤頂均為砂卵礫石路面，堤外臨水坡采用漿砌礫石護坡，局部坡腳處拋有三角形混凝土塊防沖。示范段堤防堤身、堤基均為粗粒土料，局部存在滲漏、穩(wěn)定問題。示范點堤身斷面見圖1。

2 示范工程試驗要求和試驗布置

2.1 試驗?zāi)康?/p>

開展了堤防粗粒土控制灌漿試驗，記錄分析鉆孔、灌漿工效、灌漿材料、灌漿段長、時長、灌漿量等現(xiàn)場數(shù)據(jù)。通過鉆孔施工統(tǒng)計分析，評價粗粒土鉆孔技術(shù)的適用性。為達到可靠的防滲效果，開展了灌漿試驗，防滲體滲透系數(shù)力求達到i×10-5 cm/s（i的取值范圍為1～9）。通過灌漿資料分析，評價控制灌漿技術(shù)、灌漿漿材配置的合理性。通過現(xiàn)場一般壓水、檢查孔芯樣、疲勞壓水試驗等檢測手段，驗證了控制灌漿的可靠性及耐久性，并提出了控制灌漿檢測方法。最后，通過監(jiān)測與檢測數(shù)據(jù)評價了控制灌漿防滲處理效果。

2.2 試驗布置

2.2.1 施工場地布置

施工場地布置在大堤路面上，堤頂路面寬度為6.0 m，布置有水泥制漿站（需要截斷堤頂路面交通）、灌漿設(shè)備擺放區(qū)域、灌漿試驗區(qū)以及集裝箱式生活區(qū)。實驗區(qū)范圍內(nèi)，堤防四周采用擋水土堰圍筑，防止施工用水四處流滲造成污染，廢水集中收集經(jīng)管道排放至堤外地面的沉淀池內(nèi)，防止廢水排放對堤坡的沖蝕破壞。

2.2.2 試驗孔布置

根據(jù)示范點工程地質(zhì)條件，控制灌漿孔沿堤軸線在堤頂路面3排布置，間排距為1.0 m×1.0 m，每排孔數(shù)9個，共計27個灌漿孔，分三序逐序加密施工，灌漿孔底進入基巖5 m，在中間排的中間部位布置一個勘探孔，距兩側(cè)孔0.5 m，入巖8.0 m。灌漿孔平面布置及典型橫剖面見圖2～3。

2.2.3 供水、制漿系統(tǒng)

施工用水采用金馬河河水經(jīng)潛水泵抽取至堤頂水箱，再經(jīng)水泵供給現(xiàn)場施工使用。制漿系統(tǒng)設(shè)置在內(nèi)堤腳處，使用彩鋼瓦搭設(shè)封閉式制漿站，采用強制式制漿機，配置普通水泥漿液和膏狀漿液，通過供漿泵送至現(xiàn)場集漿桶內(nèi)，灌漿時通過灌漿泵將漿液灌注孔內(nèi)，直至灌漿結(jié)束。

2.2.4 施工廢水處理

試驗點位于岷江金馬河堤防段，施工廢水排放環(huán)保要求高，在距內(nèi)堤腳2.0 m處布置三級沉淀池，試驗過程中產(chǎn)生的廢水經(jīng)三級沉淀池達標后，再排放至河道。

3 粗粒土控制灌漿修復加固技術(shù)與工藝參數(shù)

3.1 施工流程

綜合分析工程地質(zhì)資料后，本次示范工程灌漿試驗采用套閥管法施工，主要工作程序見圖4。

3.2 鉆 孔

鉆孔采用哈邁-90風動潛孔鉆機，鉆孔套管跟進，鉆孔直徑為146 mm。施工順序按照先施工上、下游排，再施工中間排。鉆孔過程中對風動潛孔鉆機跟管鉆進工藝的鉆進速度、壓力、角度進行控制，以滿足在砂卵礫石層中鉆孔的需要。地質(zhì)鉆機鉆進采用清水沖洗工藝，主要用于基巖和灌漿檢查孔施工，鉆孔取芯使用雙管單動鉆具取芯，盡可能保證完整的巖芯采取率。

3.3 灌漿材料及漿材試驗

3.3.1 灌漿材料

試驗灌漿材料主要為膨潤土、水泥等，采用三臺縣大予膨潤土礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的鈣基膨潤土，峨眉山西南牌P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，施工用水取自岷江金馬河河水。

3.3.2 漿材試驗

（1）套殼料配比及性能試驗。套殼料強度的高低直接影響到灌漿時能否正常開環(huán)，屬于灌漿施工重點控制環(huán)節(jié)[7-8]，本次灌漿試驗以套殼料3 d強度約0.3 MPa為控制原則，共完成套殼料配比試驗10組，經(jīng)過優(yōu)化比選，水膠比（0.8～1.0）∶1，漿液結(jié)石3 d抗壓強度為0.3～0.4 MPa時使用效果良好。

（2）水泥漿液、膏狀漿液配比及性能試驗。根據(jù)可灌比值、小于0.1 mm的顆粒含量、透水性3方面的綜合分析，判斷示范點地層的可灌性[8-10]，結(jié)果表明：該地層易接受水泥灌漿。示范點灌漿選擇普通水泥漿液和膏狀漿液。水灰比選用2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1，0.5∶1和（0.40～0.45）∶1等6個比級，最后一級為膏狀漿液，水灰比為（0.40～0.45）∶1，膏狀漿液根據(jù)水灰比現(xiàn)場進行試配，選取適應(yīng)現(xiàn)場灌漿設(shè)備的配比為最終配比。

3.4 下設(shè)套閥管和注入套殼料

鉆孔終孔驗收合格后并在起拔套管前，下設(shè)套閥管。套閥管采用直徑89 mm鋼管加工，花眼孔直徑14～16 mm，每環(huán)4個孔，相鄰兩環(huán)距離33 cm，套閥管長度可根據(jù)孔深具體情況調(diào)整。

套殼料通過泵送方式注入，即通過注漿器從內(nèi)套閥孔向套閥管外側(cè)整孔灌注，注漿器從孔底至孔口灌注套殼料，每米大約15.8 L左右，套殼料灌注至孔口出漿后停止本孔套殼料灌注，填完套殼料待凝3 d后，方可進行下道工序施工。

3.5 開環(huán)、鉆孔沖洗和壓水試驗

在沖洗、壓水試驗之前，試驗區(qū)灌漿孔使用單環(huán)長度雙栓注漿器對灌漿段之內(nèi)的套閥孔逐次進行開環(huán)，在壓力作用下每環(huán)流量有明顯增加時，開環(huán)即結(jié)束。為了解該段砂卵石地層的透水情況，提高地層可灌性，開環(huán)結(jié)束后先采用純壓式?jīng)_洗，然后進行壓水試驗[8-10]。壓水試驗采用簡易壓水方式，采用灌漿壓力的80%，且不大于1 MPa，壓水時間不少于20 min，用最后流量數(shù)值計算透水率。

3.6 灌漿方法與灌漿設(shè)備

3.6.1 灌漿方法

砂卵礫石層堤身及堤基可采用孔口封閉法、套閥管法、套管灌漿法和打管灌漿法等進行灌漿[8-10]。因套閥管法具有成孔效率高、耗漿量小、施工可控性較好等優(yōu)勢，示范點砂卵礫石層灌漿試驗采用預埋套閥管灌漿工藝，灌漿方法主要是自下而上分段灌漿方法，灌漿方式采用純壓式;基巖段灌漿采用自上而下、純壓式灌漿。

3排灌漿孔均采用三序施工，先施工上游排，再施工下游排，最后施工中間排。排間按分序加密原則施灌，3排孔分三序進行，先施工Ⅰ序，再施工Ⅱ序，最后施工Ⅲ序。

3.6.2 灌漿設(shè)備

灌漿施工采用3SNS型灌漿泵、高速強制攪拌制漿機、集漿桶、灌漿自動記錄系統(tǒng)、特制雙栓注漿器。①高壓灌漿泵：選用3SNS型灌漿泵，三缸往復式柱塞泵，運行狀態(tài)好，壓力平穩(wěn)，額定壓力10.0 MPa，最大排量207 L/min。②高速強制攪拌制漿機：采用高速電機做攪拌動力，通過攪拌葉高速旋轉(zhuǎn)，制拌漿液，容積為600 L。③集漿桶：容積為600 L，攪拌軸轉(zhuǎn)速51 r/min。④灌漿數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)：采用GJY-V11多路灌漿記錄儀進行灌漿數(shù)據(jù)采集與灌漿過程監(jiān)控。⑤特制雙栓注漿器：選用水壓式高壓膨脹注漿器，由上下兩個高壓膨脹塞組成，中間配有注漿花管，可根據(jù)段長調(diào)整長度，此注漿器適用于分段卡塞綜合式灌漿，主要優(yōu)點是膨脹率高，封閉可靠，有直徑規(guī)格為75，120 mm的循環(huán)式注漿器。

3.7 灌漿工藝參數(shù)

3.7.1 灌漿段長

本次灌漿試驗地層主要分布在砂卵礫石中，通過套閥管注入水泥漿液，在保證灌漿注入量供給的前提下使用2.0 m段長;基巖段采用2.0，3.0 m段長，在第一段壓水透水率小于10.0 Lu前提下，可兩段合并一段進行灌漿，灌漿段長為5.0 m。

3.7.2 灌漿壓力

示范工程灌漿孔所使用的灌漿壓力，根據(jù)堤防高度和砂卵礫石層淹埋深度所承受的最大水頭壓力0.2 MPa，取最大水頭壓力1.5倍的安全系數(shù)，確定灌漿壓力0.3 MPa起灌，最大灌漿壓力不超過1 MPa。灌漿試驗采用灌漿壓力見表1。

3.7.3 漿液變化

灌漿過程中漿液的合理變換對保證灌漿防滲帷幕的厚度、控制漿液擴散范圍，節(jié)約材料，降低成本起著重要作用。漿液變換標準如下：①當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或當注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不改變水固比。②當某一比級漿液的注入量已達600 L以上或灌注時間已達30 min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，改濃一級。③控制注入率不大于30 L/min，且連續(xù)灌注時間不應(yīng)超過30 min，反之應(yīng)采取間歇措施，間歇時間不少于30 min。④當灌漿段干料注入量累計達到1.0 t/m時，采取限流、間歇措施。

3.7.4 灌漿結(jié)束標準

根據(jù)灌漿采用的漿液類型，采用不同的結(jié)束標準：①普通水泥漿液灌注時，在設(shè)計壓力下，當注入率小于1 L/min時，繼續(xù)灌注30 min結(jié)束本段灌漿。②膏狀漿液灌注時，在設(shè)計壓力下，達到基本不吸漿時結(jié)束本段灌漿，本次灌漿未進入到膏狀漿液使用階段，故未采用膏狀漿液灌注。

3.8 灌漿質(zhì)量檢查

3.8.1 檢查孔布置原則

試驗區(qū)灌漿結(jié)束，待凝14 d后進行檢查，檢查孔進行鉆孔取芯和使用注水試驗，檢查孔布置原則如下：①帷幕中心。②地質(zhì)條件復雜部位（大塊卵石、細砂層、地層變化區(qū)域等）。③末序孔孔注漿較大孔段附近。④根據(jù)資料分析可能對灌漿質(zhì)量有影響的部位。

3.8.2 檢查孔鉆孔

檢查孔施工，采用地質(zhì)鉆機清水鉆進，非灌段鑲筑孔口管，待凝48 h后，進行檢查孔后續(xù)鉆孔施工。檢查孔施工要求鉆機擺放平穩(wěn)，開孔前要求用角度尺對正鉆機，鉆機立軸方向要求必須與鉆孔方向一致，方可進行鉆孔作業(yè)。

檢查孔鉆孔控制原則：①孔口管鑲?cè)朐酀{孔灌漿頂高程1.0 m深度;②檢查孔深度比原灌漿孔終孔深度淺1.0 m后結(jié)束，保證檢查孔在有效灌漿控制范圍內(nèi)進行;③檢查孔鉆孔分段進行施工與注水試驗，注水試驗結(jié)束后灌漿處理，進行下段鉆孔施工。

3.8.3 檢查孔注水試驗

檢查孔滲透試驗采用常水頭注水試驗方法。在注水試驗前，對地下水進行觀測，水位觀測間隔為5 min，當連續(xù)2次觀測數(shù)據(jù)變幅小于10 cm時，水位觀測即可結(jié)束，以最后的觀測值作為地下水位計算值。注水試驗自上而下分段進行，試驗段長度根據(jù)地層穩(wěn)定情況確定為2～7 m。

3.8.4 破壞性壓水試驗

為研究地層經(jīng)灌漿后所能承受的水力極限破壞壓力，選擇檢查孔地層復雜部位進行破壞性壓水試驗，根據(jù)試驗成果分析灌漿帷幕的水力滲透極限與壓水壓力相關(guān)關(guān)系。

4 灌漿效果檢查及分析

4.1 灌前透水率

通過壓水試驗，可以獲取灌漿前后地層透水率減少的程度，以此作為灌漿效果評價依據(jù)[11-12]。示范點各次序灌漿孔灌前透水率頻率曲線見圖5，各次序灌漿孔灌前平均透水率與透水段數(shù)統(tǒng)計見表2。

由表2、圖5分析可知，透水率隨孔序的遞增而減少，遞減效果較明顯，Ⅱ序孔平均透水率比Ⅰ序孔透水率減少26.8%，Ⅲ序孔平均透水率比Ⅱ序孔透水率減少37.2%。各次序孔灌前透水率圖表顯示，灌漿試驗區(qū)各次序孔灌漿遞減效果符合灌漿規(guī)律。

4.2 灌漿材料單位注入量

灌漿材料單位注入量可反映出灌漿過程所采用的工藝技術(shù)、灌注材料、漿液配合比是否合理[12-13]。一般情況下，灌漿各次序孔的單位注入量遵循逐序遞減的規(guī)律，且次序間遞減明顯，說明灌漿效果較好。示范點各次序灌漿孔灌漿材料（水泥）單位注入量頻率曲線見圖6，各次序灌漿孔灌漿材料（水泥）單位注入量情況見表3。

由圖6、表3分析可知，水泥單位注入量隨孔序增加有較明顯遞減趨勢，Ⅱ序孔單位注入量比Ⅰ序孔單位注入量減少36.2%，Ⅲ序孔單位注入量比Ⅱ序孔單位注入量減少29.0%，灌漿各次序孔遞減效果較明顯，符合灌漿規(guī)律。根據(jù)灌漿資料分析，總體而言，灌漿方法和過程控制可行。

4.3 檢查孔成果

灌漿質(zhì)量檢查孔依據(jù)注水試驗，單點法壓水試驗，疲勞壓水試驗及耐壓壓水試驗成果數(shù)據(jù)，結(jié)合施工記錄、灌漿成果資料綜合評定灌漿效果。

4.3.1 檢查孔注水壓水試驗成果

檢查孔注水壓水試驗成果數(shù)據(jù)見表4。

結(jié)合灌前透水率、單位注入量成果和檢查孔注水壓水試驗成果可知：示范工程粗粒土堤防控制灌漿效果較好，灌前透水率及單位注入量按排序、孔序遞減效果明顯，檢查孔JC-1砂卵（礫）石層段次1（7.00～11.00 m）、段次2（11.00 m～17.00 m）滲透系數(shù)均在i×10-5? cm/s（i的取值范圍為1～9）區(qū)間內(nèi)。

4.3.2 檢查孔疲勞壓水試驗成果

通過對檢查孔JC-1砂卵（礫）石層段次1（11.0～17.0 m）在0.2 MPa壓力下進行24 h壓水，觀測到隨時間增加流量變化情況為：在0.2 MPa壓力下2 h內(nèi)流量無明顯變化，平均流量為5.712 L/min，透水率為4.76 Lu;2～24 h內(nèi)流量逐漸增加至7.983 L/min，透水率為6.428 Lu。

4.3.3 檢查孔耐壓壓水試驗

在檢查孔JC-1砂卵（礫）石層段次1（11.0～17.0 m）進行耐壓壓水試驗，試驗成果見表5、圖7。

由結(jié)果分析可知，砂卵（礫）石層段次1（11.0～17.0 m）在壓力0.900 MPa下發(fā)生水力破壞，其對應(yīng)流量為86.45 L/min，透水率為15.938 Lu。

5 結(jié) 論

通過堤防粗粒土控制灌漿示范工程灌漿試驗，系統(tǒng)分析鉆孔、灌漿工效、灌漿材料、灌漿段長、灌漿量、灌漿效果、疲勞及耐壓性能等，得到如下結(jié)論。

（1）套閥管灌漿方法在砂卵礫石層堤身及堤基進行控制灌漿是適宜和可行的，采用自下而上分段灌漿，灌漿方式采用純壓式灌漿，開環(huán)后，漿液可順利灌入粗粒土中，滲透式控制灌漿效果良好。

（2）砂卵礫石層堤身及堤基控制灌漿時，套殼料采用水泥膨潤土混合漿液，水膠比（0.8～1.0）∶1.0，漿液結(jié)石3 d抗壓強度為0.3～0.4 MPa時使用效果良好，套殼料能夠有效地起到保護作用，并可實現(xiàn)順利開環(huán)和灌漿。

（3）堤壩粗粒土中土體粒徑較大的砂卵礫石層地段灌注水泥漿液，灌漿孔宜采用3排布置，間、排距1 m，套閥管法在保證灌漿注入量時，段長為1～2 m，首段灌漿壓力可取0.2～0.5 MPa，最大灌漿壓力不超過1 MPa，試驗成果表明水泥漿注漿量較大且能正常結(jié)束，灌后效果較好。

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（編輯：江 文）

Repairing and strengthening technology of dam coarse grained control grouting

CHEN Liqiang1，2，3，LU Jianhua1，2，3， ZHANG Ying1，2，3， CUI Dongdong1，2，3

（1. Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China;? 2. National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China;? 3. Key Laboratory of Watershed Water Security in Hubei Province，Wuhan 430010， China）

Abstract： The research on coarse grained control grouting reinforcement technology has great social and economic benefits of improving work efficiency and reducing project investment. The grouting test was carried out based on the left bank of Jinma River Xinjin Section.Through analysis of drilling， grouting material and slurry performance， process parameters， effect and other data， the coarse grained control grouting reinforcement technology were verified and improved .The demonstration results showed that sleeve valve tube method is suitable and feasible for controlling grouting in sandy gravel embankment;the cement slurry can be poured smoothly in sandy gravel layer， the grouting hole should be arranged in multi-row spacing with spacings of 1 m×m， the length of the section is 1～2m， and the grouting pressure is 0.2～1.0MPa， then the seepage control grouting has good anti-seepage effect.

Keywords：coarse grained control grouting; sleeve valve tube;earth-rock dam;seepage prevention reinforcement; Minjiang River