灌漿技術(shù)在農(nóng)業(yè)水利工程堤壩防滲施工中的應(yīng)用與效果分析

孫佳文

（阜康市水利局（阜康市水利工程技術(shù)服務(wù)中心）,新疆 阜康 831500）

1 堤壩發(fā)生滲漏的原因

堤壩是農(nóng)業(yè)水利工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵要素，常用于攔水、蓄水，在防洪抗旱等過程。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)抵御雨澇自然災(zāi)害中的作用較大。農(nóng)業(yè)水利工程堤壩的堅(jiān)固耐用安全性能提升了防滲漏的安全運(yùn)行效果。如果防滲漏技術(shù)或工程質(zhì)量存在問題，會(huì)帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。例如“8.10”浙江岱山水庫堤壩由于滲漏預(yù)防控制不到位，在蓄水長時(shí)間高位的情況下，滲漏加劇導(dǎo)致潰壩，岱山縣的中段村被沖毀，人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)受到了極大的損失和威脅。堤壩產(chǎn)生滲漏的主要因素：一是堤壩在建設(shè)修筑施工過程中，防滲漏技術(shù)不到位，存在局部段位裂縫、塌陷、沙眼等滲漏現(xiàn)象，隨著后期運(yùn)行過程的不斷深化，導(dǎo)致滲水通道越來越大，在堤壩攔水量大，水位高、時(shí)間長的運(yùn)行條件下，滲漏水道的壓力不斷增加，進(jìn)而造成滲漏流速加快，導(dǎo)致潰壩；二是堤壩基礎(chǔ)的防水工程施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不高導(dǎo)致運(yùn)維過程不達(dá)標(biāo)。由于地基基礎(chǔ)周圍含水量較大，長時(shí)間的浸泡會(huì)導(dǎo)致堤壩基礎(chǔ)逐漸發(fā)生松軟或者塌陷現(xiàn)象，導(dǎo)致防水防滲能力減少。堤壩底部水的壓力較大，使蓄水過程不斷出現(xiàn)擠壓的情況，最終沖破堤壩基礎(chǔ)土層，形成外泄；三是堤壩的主體工程與堤壩地基的接壤位置施工中的滲漏裂縫、沙眼等處理不當(dāng)，粘合不好，防滲漏功能不足，可以導(dǎo)致堤壩“攔腰斬?cái)唷?，使裂縫增加，滲漏現(xiàn)象加速，導(dǎo)致不同長度的潰壩或者大面積滲漏，出現(xiàn)非常嚴(yán)重的安全事故。

2 堤壩施工灌漿技術(shù)的工藝原理及工藝流程

在農(nóng)業(yè)水利工程中，堤壩防滲施工的防滲技術(shù)就是利用水泥、黏土等建筑材料與化學(xué)聚合物添加劑混合攪拌成濃度不同的漿液，將堤壩的裂縫、沙眼部位開溝部位進(jìn)行圍合，通過自然位置的落差或者注漿泵完成灌筑漿液作業(yè)，最終使漏點(diǎn)和相關(guān)的裂縫被漿液填充物灌入。在外力作用下不斷鉆進(jìn)沉淀使壩體密實(shí)，最終形成有機(jī)的整體，有效防止?jié)B漏，保證堤壩穩(wěn)固，保障安全。農(nóng)業(yè)水利堤壩防滲工程施工中常用的灌漿技術(shù)有劈裂式灌漿技術(shù)、速凝式灌漿技術(shù)、高壓填充式灌漿技術(shù)、灌漿加固技術(shù)等。

2.1 施工前準(zhǔn)備

農(nóng)業(yè)水利堤壩有土壩、砌體石壩、水凝混凝土壩、橡皮壩等多種材料構(gòu)筑形式，不同的壩體防滲漏施工中應(yīng)用的灌漿技術(shù)的建筑材料、方法模式不盡相同，無論是哪種堤壩，防滲漏施工都必須做好崗前技術(shù)培訓(xùn)和材料、設(shè)備的準(zhǔn)備工作。在該過程中，首先要對施工現(xiàn)場進(jìn)行仔細(xì)勘查，確定滴漏封堵的整體和重點(diǎn)部位，計(jì)算工程量、需要的材料、機(jī)械設(shè)備等，根據(jù)土壩、砌體壩或者混凝土壩體的實(shí)際需求確定漿液組成材料的比例，按照施工需要選擇配置時(shí)間；其次圍繞壩體滲漏部位劃定封堵范圍，清理壩體滴漏縫隙、管孔鉆孔表面周圍的附著物、污染物或者灰塵，找到壩體構(gòu)筑材料的結(jié)構(gòu)層，土壩要見到土體結(jié)構(gòu)的新土層，混凝土壩要看到混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層，清理干凈，不留灰塵；最后配比漿液。根據(jù)壩體部位和縫隙、管孔大小、深度，制作相應(yīng)需要的漿液，選擇相應(yīng)的加固材料。

2.2 開溝、打孔

根據(jù)壩體的結(jié)構(gòu)組成不同，例如土體結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等，結(jié)合實(shí)際滲漏部位進(jìn)行綜合開孔，例如主體結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等。合理選擇相應(yīng)的開溝、打孔的機(jī)械設(shè)備，例如旋挖鉆機(jī)、電鋸和鉆頭等。力求鉆工工藝與施工實(shí)際流程相吻合。開溝寬度及孔眼深度，必須保證漿液填充物充分凝固，完全封堵滲漏通道，防滲漏、加固作用明顯。

2.3 表面沖洗清理

壩體裂縫的切開擴(kuò)面或者滲漏管孔的鉆深過程中，施工作業(yè)中都會(huì)產(chǎn)生一些碎渣和灰塵，要及時(shí)對表面污漬和雜質(zhì)進(jìn)行及時(shí)的清理，過程不潔凈就無法保證漿液黏合物與壩體結(jié)構(gòu)的完全結(jié)合，最終會(huì)導(dǎo)致防滲漏效果不強(qiáng)。因此孔縫周圍的雜質(zhì)灰塵清理至關(guān)重要，這同樣也是灌漿技術(shù)工藝流程的主要內(nèi)容，在加工過程中還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)仫L(fēng)吹、沖洗或者相關(guān)的化學(xué)凈化處理，使灌注漿液與縫隙和滴漏管孔周圍結(jié)構(gòu)完全黏合。

2.4 性能測試

擴(kuò)孔施工完成后，完成表面清理凈化施工，還需要對管孔周圍壩體材料吸水率進(jìn)行測定，以確定漿液的濃度和實(shí)際需要的注入壓力，同時(shí)也要綜合配備合適的注漿泵設(shè)備。一般情況下，管孔的性能測試就是進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)是后續(xù)施工各個(gè)環(huán)節(jié)參考的主要技術(shù)指標(biāo)，對孔縫封堵施工能否順利完成至關(guān)重要，同時(shí)也是制定灌漿技術(shù)實(shí)施方案的基礎(chǔ)。在壓水試驗(yàn)中充分了解壩體結(jié)構(gòu)抗擊縫隙、管孔水流沖擊能力、阻止發(fā)生滴漏的具體性能條件。

2.5 灌漿施工

灌漿施工是農(nóng)業(yè)水利堤壩防滲漏加固工程的核心內(nèi)容，其過程包括一次性灌注施工和循環(huán)多次灌注施工，也包括自然灌注施工和機(jī)械灌注施工；一般情況下，一次性灌注施工，主要用于壩體日常養(yǎng)護(hù)過程中微小縫隙或沙眼、局部凹陷面的處理；多次循環(huán)灌注施工則是在裂縫較大或者開裂變化速度較快的情況下，要求固定作用顯著，有明顯控制滲漏的要求；自然灌注技術(shù)主要應(yīng)用于水平開裂或者滲漏通道的封堵施工中，機(jī)械灌注技術(shù)主要應(yīng)用于堤壩的立縫或者自然灌縫封堵效果不明顯的情況下，主要是增加灌漿的壓力，確保漿液全面滲透灌入，使壩體成為一體，抗?jié)B漏能力增強(qiáng)。整體的施工工藝流程圖如圖1 所示。1）堤壩左右槽位置處分別安裝有灌漿鉆孔，在實(shí)際的開挖過程中主要采用固定架位的鉆機(jī)來進(jìn)行鉆孔，同時(shí)采用卷揚(yáng)機(jī)的升降過程進(jìn)行排架。2）鉆孔的孔距與實(shí)際之間的設(shè)計(jì)誤差不應(yīng)超過10cm。3）鉆孔孔徑根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際工作條件進(jìn)行設(shè)置，最優(yōu)的參數(shù)孔徑為Ф75mm。4）鉆機(jī)安裝過程需要牢固并且平穩(wěn)，鉆孔位置對齊、方向準(zhǔn)確。5）灌漿孔施工也要按照灌漿程序進(jìn)行，分兩道工序進(jìn)行施工，二者之間可以進(jìn)行同時(shí)施工的過程，施工順序?yàn)镮 序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔。

圖1 灌漿施工工藝流程圖

3 灌漿技術(shù)在農(nóng)業(yè)水利工程堤壩防滲施工的計(jì)算案例

在該文探討的案例中，壩肩主要是由階地堆積的各類土壤提復(fù)合而成，其中四級階地堆積層底部的砂礫石層厚0.7m～1.5m，邊坡角的方位為41°～43°。其整體的運(yùn)行過程較為平穩(wěn)，自然狀態(tài)下的狀態(tài)基本穩(wěn)定。在風(fēng)化的過程中，強(qiáng)風(fēng)化砂巖以及礫巖都屬于是C Ⅳ類壩基巖體。根據(jù)現(xiàn)場的勘查設(shè)計(jì)資料進(jìn)行綜合分析，其左岸的卸荷帶水平寬度2.0m～3.0m，其主要存在的工程地質(zhì)問題為石層的表面風(fēng)化所導(dǎo)致的滲漏。砂礫石層視為有壓流的計(jì)算過程如下。

式中：為階地流量；為砂礫石滲透系數(shù)；為揚(yáng)程高度；為含水層厚度。

基巖視為無壓流的計(jì)算過程：

式中：為河床流量；為基巖滲透系數(shù)；為揚(yáng)程高度；為基巖厚度；為水頭高度。

最終壩基的滲漏計(jì)算公式：

式中：為基巖滲透系數(shù)；為揚(yáng)程高度；為滲透層厚度；為分帶寬度。

式中：為單寬滲透量；為分帶寬度；Q為流量。

式中：為總流量。

壩基滲漏計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 壩基計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在完整的性能計(jì)算后才能夠得出具體的灌漿參數(shù)，同時(shí)還要注重灌漿過程的要點(diǎn)：第一，灌漿壓力耦合作用下的黏土特性往往分布在具有大孔隙的卵石和粗砂層中，尤其是在加工過程中其灌漿壓力超過一定的參數(shù)定值時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)滲透現(xiàn)象和劈裂現(xiàn)象。對具有較小孔隙的細(xì)沙來說，各類縫隙仍舊是細(xì)沙存在較多的節(jié)點(diǎn)位置，往往分布于劈裂的形式，少見于滲透的工況。這是灌漿中需要重點(diǎn)觀察的關(guān)鍵要素。第二，在地下土壤能夠可見變形的作用基礎(chǔ)下，才能夠更好的發(fā)揮出黏土的基本效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)過程可灌。為了能夠最大限度地減少地形變化所引起的變形作用，需要采取綜合降低灌漿壓力的方法來消除灌漿壓力，減少劈裂以及滲透。

4 灌漿技術(shù)在農(nóng)業(yè)水利工程堤壩防滲施工中的應(yīng)用

4.1 劈裂式灌漿施工技術(shù)的應(yīng)用

劈裂式灌漿施工技術(shù)需要的設(shè)備主要有鉆孔機(jī)、攪灌機(jī)、注漿泵等，操作流程較為簡便，經(jīng)過崗前操作技術(shù)培訓(xùn)，即可上崗作業(yè)。

漿液灌注施工要求一氣呵成，一旦施工出現(xiàn)中斷，就對漿液統(tǒng)一凝固形成不良的效果，亟需注意的技術(shù)操作要點(diǎn)和相關(guān)事項(xiàng)，一旦灌漿施工中斷，必須侵襲鉆孔。后續(xù)灌漿施工中，出現(xiàn)鉆孔不能順利吸漿，要重新打孔，進(jìn)行新的灌注作業(yè)。灌漿過程若發(fā)生串漿，必須立即排出漿孔中的泥漿，把該孔堵塞，嚴(yán)格控制串漿的反復(fù)發(fā)生。

灌漿施工作業(yè)完成，馬上清理去除鉆孔內(nèi)的污物，全部處理干凈，用砂漿抹平封閉鉆孔。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在對各類孔洞進(jìn)行灌漿輸入之前，需要對施工場地進(jìn)行參數(shù)化壓水測試，以期能保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。在系統(tǒng)化的明確原始透水能力的基礎(chǔ)上，通過綜合強(qiáng)化單位吸水量來提升壩基的基礎(chǔ)上防滲透能力。根據(jù)相關(guān)的測試過程可知，各次級孔的吸水量頻率累計(jì)過程如圖2 所示。

圖2 各次序孔單位吸水量累計(jì)頻率

由第1 次序孔單位吸水量頻率累計(jì)曲線可知，第1 次序孔的吸水量明顯大于10L/ MPa·m·min，并且其段數(shù)占據(jù)到整體段數(shù)分布的30%以上。同時(shí)大于1L/ MPa·m·min 的段數(shù)占據(jù)到整體段數(shù)的10%。由此可以綜合分析，隨著灌漿數(shù)和灌漿次序的不斷提升，其實(shí)單位吸水量的含量逐漸降低，其過程符合工程應(yīng)用的正常參數(shù)規(guī)律。在灌漿測試結(jié)束之后開始對各個(gè)次序的孔洞開展相關(guān)的壓水測試，其結(jié)果參數(shù)滿足單位吸水量的相關(guān)參數(shù)要求（單位吸水量均＜1L/ MPa·m·min）。

4.3 工程應(yīng)用

工程開工之前，首先對檢查孔進(jìn)行壓水檢驗(yàn)，綜合測試堤壩的整體穩(wěn)定性情況。首先采用了與計(jì)算結(jié)果一致的壓力進(jìn)行灌漿操作，時(shí)間保持在45min 內(nèi)，持續(xù)操作2h以上。其過程首先要觀察是否有明顯的冒水現(xiàn)象，同時(shí)還要在巖心內(nèi)部的裂隙中能夠明顯的觀察到有水泥漿的相關(guān)填充物，滿足以上條件即可開展實(shí)際施工。根據(jù)4.2 節(jié)的相關(guān)測試結(jié)果，灌漿試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)操作建議如下：①根據(jù)灌漿的相關(guān)測試結(jié)果，在綜合平衡相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性能后，確定基本的灌漿間距為1.5m。②灌漿方式采用常規(guī)的自下而上式的反距離灌漿。③灌漿過程的距離劃分段落為“2m-5m-5m”過程，在不斷下漿的過程中還要結(jié)合槽巖基來開展輔助性工作。④灌漿壓力在不同層級范圍內(nèi)采用不同的灌漿壓力，其中第一段為0.4MPa，第二段為0.8MPa，后續(xù)依次遞增。

在綜合確定了壩基的補(bǔ)償灌漿的方案過程后，開始正式的施工過程，根據(jù)表1 計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，計(jì)算得到補(bǔ)償灌漿的計(jì)算工作量依據(jù)，其參數(shù)結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2 補(bǔ)強(qiáng)灌漿試驗(yàn)段鉆孔灌漿工作量數(shù)據(jù)

在補(bǔ)漿過程中也要保證相關(guān)的施工流程穩(wěn)定，具體的施工過程可以參照三步施工法進(jìn)行：一是合理地布局孔間距。根據(jù)堤體的豎直度、彎曲度，結(jié)合壩體發(fā)生病害隱患的實(shí)際情況，選擇相應(yīng)的梅花式打孔布局或者直線式打孔布局；二是鉆孔灌漿。打孔作業(yè)完成后，依次進(jìn)行便面清理、壓水性能測試等，同時(shí)，根據(jù)需要制備灌注施工需要的漿液；三是灌漿施工順序。從孔眼底部開始灌注，用漿液的壓力劈裂病害壩堤，漿液在壩體表面凝結(jié)。逐漸形成新的覆蓋保護(hù)層，從內(nèi)部將壩體與地層重新粘合到一起，形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

農(nóng)業(yè)水利工程堤壩防滲施工事關(guān)防洪抗旱，控澇減災(zāi)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響很大，也是保障水庫周邊人民群眾生命安全的重要舉措，積極采用合理的灌漿施工技術(shù)能夠加強(qiáng)堤壩的防滲功能、確保農(nóng)業(yè)增收、促進(jìn)鄉(xiāng)村振興，因此，農(nóng)業(yè)水利部門，庫渠建設(shè)單位，必須對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探討。