南水北調(diào)中線工程弱膨脹土填方渠堤裂縫灌漿技術(shù)研究

周學(xué)友，田振宇，寧昕揚(yáng)，常兆廣，孫統(tǒng)領(lǐng)

摘要：為探索適用于南水北調(diào)中線工程弱膨脹土填方渠堤裂縫的有效、快速灌漿修復(fù)方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并分析灌漿材料、漿液配比、灌漿壓力和灌漿孔布置對(duì)裂縫灌漿效果的影響。結(jié)果表明：對(duì)于堤頂路面的細(xì)、淺裂縫，宜采用超細(xì)水泥、弱膨脹土、粉煤灰3種材料，按水固比1.0～1.2且水泥、粉煤灰、弱膨脹土分別占42%、28%、30%的漿液配比，以無(wú)壓貼嘴灌漿方式進(jìn)行修復(fù)；對(duì)于堤頂路面的細(xì)、深裂縫，宜選擇同上的漿材和比例配置混合漿液，采用單排孔騎縫有壓灌漿進(jìn)行修復(fù)，孔距不大于1 m，灌漿壓力控制在50 kPa以?xún)?nèi)；對(duì)于堤頂路面的寬、深裂縫，宜選擇水泥、弱膨脹土2種材料，采取“先稀后稠”原則進(jìn)行灌漿修復(fù)。研究成果可應(yīng)用于后期的工程運(yùn)行維護(hù)，并可為其他工程膨脹土填方渠堤裂縫修復(fù)提供參考。

關(guān)鍵詞：弱膨脹土； 填方渠堤； 裂縫； 灌漿修復(fù)； 施工工藝； 南水北調(diào)中線工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV543文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.008

文章編號(hào)：1006-0081（2023）09-0051-06

0引言

膨脹土是一種對(duì)環(huán)境濕熱變化敏感的高塑性黏土，具有脹縮性、裂隙性等重要特性。在降雨和蒸發(fā)作用下，膨脹土反復(fù)脹縮變形導(dǎo)致裂隙萌生和發(fā)展，最終形成錯(cuò)綜復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙的產(chǎn)生破壞了膨脹土的完整性，降低了土體強(qiáng)度，促進(jìn)膨脹土力學(xué)性能進(jìn)一步劣化，為雨水侵入和土中水分蒸發(fā)提供便捷通道，從而影響膨脹土的整體強(qiáng)度和工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)工程安全造成巨大的危害［1-3］。因此，在膨脹土渠堤工程中，通常需要在發(fā)現(xiàn)裂縫至裂縫加速發(fā)育的短暫窗口期和不影響渠道運(yùn)行的前提下完成渠堤裂縫修復(fù)工作［4-5］。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)渠堤裂縫的處理主要為開(kāi)挖回填加固、開(kāi)挖回填結(jié)合灌漿加固等措施［6-7］，存在施工速度慢、影響堤頂交通、處理效果不持久等問(wèn)題，且以弱膨脹土填方渠堤裂縫為對(duì)象的快速有效治理技術(shù)研究較少［8］?；诖耍疚慕Y(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)成果，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)裂縫灌漿試驗(yàn)，探索有效的灌漿方法與快速施工工藝，為工程運(yùn)行期后續(xù)渠堤裂縫修復(fù)提供參考。

1工程概況

南水北調(diào)中線渠首分局轄區(qū)工程中膨脹土渠段全長(zhǎng)149.48 km，占渠道總長(zhǎng)的84.5%。該工程渠道自2014年12月運(yùn)行以來(lái)，部分填方渠道堤頂路面出現(xiàn)1條連續(xù)性或多條間斷分布的縱向、橫向裂縫，最大寬度為4～5 mm，長(zhǎng)度為2～20 m，深度為0.3～3.5 m不等；下游邊坡中上部出現(xiàn)沿渠堤軸線間斷分布的縱向裂縫，多數(shù)土體表面裂縫最大寬度1～2 cm，縫長(zhǎng)0.5～2.0 m，并在周邊伴隨直徑2～5 cm、深約20 cm以上的洞穴。目前工程主要采用無(wú)壓灌漿和人工開(kāi)挖回填的方式對(duì)裂縫開(kāi)展修復(fù)，但存在可灌性不穩(wěn)定、灌漿效果不持久、影響道路通行等問(wèn)題，因此亟需改善灌漿方式及工藝。

2弱膨脹土填方渠堤裂縫灌漿難點(diǎn)

（1） 運(yùn)行條件下的快速施工工藝問(wèn)題。灌漿是渠坡裂縫綜合處理方式之一［9-11］，通常適用于縫寬、縫長(zhǎng)、縫深較小的裂縫發(fā)育初期。由于裂縫前期較為隱蔽，且發(fā)現(xiàn)裂縫至裂縫加速發(fā)育的間隔短暫，留給裂縫修復(fù)施工的時(shí)間較短；同時(shí)，為保證渠堤下游邊坡穩(wěn)定安全和運(yùn)行期堤頂日常交通，鉆孔、灌漿設(shè)備的體積、重量和灌漿壓力受到一定限制。因此，探索輕便設(shè)備和快速的施工工藝是一項(xiàng)重要課題。

（2） 不同特性裂縫灌漿的漿液配置問(wèn)題。渠堤裂縫的寬度、深度普遍差異較大，為此需要配置不同的灌漿漿液。工程運(yùn)行初期，裂縫修復(fù)通常采用單一配比的水泥漿液，針對(duì)性不強(qiáng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)縫寬灌不滿(mǎn)、縫細(xì)灌不進(jìn)等問(wèn)題［12-14］，難以保證灌漿效果。因此，裂縫灌漿對(duì)漿液的選材及其配比提出較高要求。

（3） 重要輸水工程環(huán)保要求高。灌漿材料必須符合南水北調(diào)中線工程的環(huán)保要求，對(duì)有毒或低毒的化學(xué)材料應(yīng)限制使用［15］。

3灌漿試驗(yàn)

針對(duì)不同特性裂縫灌漿的漿液配置問(wèn)題，采用無(wú)毒環(huán)保的超細(xì)水泥材料，對(duì)比分析不同灌漿材料組合、不同灌漿形式下的灌漿效果，探究快速、有效的灌漿工藝。

（1）灌漿試驗(yàn)段孔位布置。針對(duì)不同特征裂縫，灌漿試驗(yàn)分A，B，C，D共4組，均位于某跨渠公路橋附近（樁號(hào)K49+536），其中A，B組位于渠堤頂，C，D組位于渠堤下游邊坡。A組為水泥-弱膨脹土漿液和水泥-粉煤灰-弱膨脹土漿液組合對(duì)比灌漿區(qū)，B組為細(xì)小裂縫、寬大裂縫在不同漿液配比和不同布孔方式下的對(duì)比灌漿區(qū)，C組為有壓、無(wú)壓對(duì)比灌漿區(qū)，D組為水泥-粉煤灰-弱膨脹土漿液的不同配比對(duì)比灌漿區(qū)。

（2）灌漿材料。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果，灌漿材料選用水泥-弱膨脹土漿液和水泥-粉煤灰-弱膨脹土漿液，弱膨脹土、超細(xì)硅酸鹽水泥、Ⅰ級(jí)粉煤灰技術(shù)指標(biāo)要求見(jiàn)表1～3。

（3） 灌漿主要設(shè)備?？紤]裂縫修復(fù)的便捷和高效施工，選擇的便攜灌漿設(shè)備主要有手持鉆機(jī)（鉆頭直徑5～10 cm）、小型有壓灌漿機(jī)（帶測(cè)壓計(jì)）、馬氏漏斗（用于灌漿前檢測(cè)制備漿液的黏度）各一件。

（4）灌漿方法。具體包括貼嘴無(wú)壓灌漿和純壓封閉灌漿。① 無(wú)壓灌漿組采用貼嘴式充填灌漿法，即灌漿嘴緊貼裂縫口的灌漿方式，具體施工工序：清理并探測(cè)裂縫→沿縫鑿出淺V型灌漿口→根據(jù)裂縫形態(tài)選擇注漿嘴（扁平型或圓口型）→制備漿液→灌漿后封孔→灌漿觀測(cè)。② 有壓灌漿組采用純壓式孔口封閉灌漿，具體施工工序：清理并探測(cè)裂縫→施工期縫寬監(jiān)測(cè)→鉆孔取芯→分析土體裂縫發(fā)育情況→灌漿孔布置、注漿栓塞安裝→制備漿液→灌漿后封孔→灌漿觀測(cè)。

（5）灌漿壓力。渠堤堤頂路面裂縫灌漿和下游土坡裂縫有壓灌漿壓力按50 kPa控制。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

灌漿完成并養(yǎng)護(hù)漿液3～7 d后，通過(guò)鉆孔取芯、開(kāi)挖探坑等方式分析裂隙填充程度、漿液擴(kuò)散半徑、強(qiáng)度和滲透性等，進(jìn)而綜合評(píng)定灌漿效果。

4.1裂隙填充程度

整理試驗(yàn)段裂縫不同試驗(yàn)方案灌漿后，檢測(cè)土樣的干密度和孔隙率，分析裂縫灌漿對(duì)土體空隙的填充效果，芯樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4～5。

4.1.1灌漿材料對(duì)灌漿裂隙填充效果影響

A1，A2試驗(yàn)組均為無(wú)壓灌漿，A1試驗(yàn)組灌漿后，0.5～0.7 m深土樣孔隙率為43.3%，與灌漿前的A0組相應(yīng)土樣相比，孔隙率減小了1.1%；A2試驗(yàn)組灌漿后，0.5～0.7m深土樣孔隙率為42.7%，與灌漿前的A0組相應(yīng)土樣相比，孔隙率減小了1.7%。由以上分析得出：超細(xì)水泥、弱膨脹土、粉煤灰這3種材料的混合漿液對(duì)裂隙的填充效果好于超細(xì)水泥、弱膨脹土2種材料的混合漿液。

4.1.2灌漿壓力對(duì)裂隙填充效果影響

A組試驗(yàn)方案中，A1和A2采用無(wú)壓灌漿后，與A0相比，邊坡土體的孔隙率從44.4%分別降至43.3%與42.7%；A3組灌漿材料及配比同A2組，采用有壓灌漿后，其與A2相比，邊坡土體的孔隙率從42.7%降至40.3%，裂隙填充效果優(yōu)于無(wú)壓灌漿。

C組試驗(yàn)方案中，C1采用無(wú)壓灌漿后，對(duì)比C0邊坡土體的孔隙率從45.3%最大降至43.4%，變化微小，裂隙填充效果較差；C2和C3均為有壓灌漿，與C0相比，灌漿后孔隙率分別降至約40.2%與40.3%，裂隙填充效果優(yōu)于C1。

4.1.3鉆孔布置對(duì)裂隙填充效果影響

C2和C3均為有壓灌漿，其中C2鉆孔采用單排豎孔、騎縫布置，C3鉆孔采用兩排孔斜孔、梅花型布置，孔距均為0.3 m。灌漿后，C2和C3在相同取樣深度的土樣孔隙率相差約0.1%，裂隙填充效果基本相同。

4.1.4漿液黏稠度對(duì)裂隙填充效果影響

B組試驗(yàn)針對(duì)堤頂路面細(xì)小裂縫，采用水泥-粉煤灰-弱膨脹土灌漿材料，分別配置水固比為1.2，1.1，1.0的B1，B2，B3試驗(yàn)漿液，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)用馬氏漏斗黏度計(jì)測(cè)量，得到3種漿液的黏度依次為28，35，41 s。B1～B3試驗(yàn)段灌漿后0.3～0.5 m深土樣的孔隙率依次為41.0%、42.3%、43.4%，與灌漿前相比分別降低了3.2%、1.9%、0.8%。由此可見(jiàn)，黏度達(dá)到41 s以上的水泥-粉煤灰-弱膨脹土混合漿液對(duì)堤頂路面細(xì)小裂縫基本無(wú)填充效果。

D組試驗(yàn)針對(duì)土坡裂縫，采用水泥-粉煤灰-弱膨脹土灌漿材料，分別配置水固比為1.0，0.9的D1，D2漿液，測(cè)得兩種漿液黏度依次為35，42 s。D1，D2組灌漿后0.3～0.5 m段土樣孔隙率分別為41.8%與44.3%，與灌漿前土樣D0相比，孔隙率依次降低約3%與0.5%。由此可見(jiàn)，黏度達(dá)到42 s以上的水泥-粉煤灰-弱膨脹土混合漿液對(duì)土坡裂隙基本無(wú)填充效果。

4.2漿液擴(kuò)散半徑

為確定漿液的擴(kuò)散半徑，灌漿后，在相鄰灌漿孔中間位置進(jìn)行取樣檢測(cè)，漿液在土樣中的分布形態(tài)及含量統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表6。

A組試驗(yàn)段中，A3和A4試驗(yàn)段分別采用1.0 m和1.2 m孔距，對(duì)比分析灌漿后芯樣：A3土樣中含漿段長(zhǎng)約0.35 m，漿液在土樣中呈條帶狀分布；A4土樣中含漿段長(zhǎng)約0.10 m，漿液在土樣中呈粒狀分布，如圖1（a），（c）所示。由此說(shuō)明，針對(duì)堤頂路面裂縫，采用試驗(yàn)方案的鉆孔布置及50 kPa灌漿壓力，灌注漿液可以填充裂縫范圍內(nèi)土體大部分孔隙，其漿液擴(kuò)散半徑平均約為0.5 m。

D組試驗(yàn)段中，D1和D2試驗(yàn)段分別采用0.3 m和0.4 m孔距，對(duì)比分析灌漿后芯樣：D1土樣中含漿段長(zhǎng)約0.40 m，漿液在土樣中呈條帶狀分布；D2土樣中含漿段長(zhǎng)約0.10 m，漿液在土樣中呈粒狀分布，如圖1（b），（d）所示。由此說(shuō)明，針對(duì)堤防下游土坡上裂縫，按照試驗(yàn)方案的鉆孔布置及50 kPa灌漿壓力，灌注漿液可以填充裂縫范圍內(nèi)土體大部分孔隙，其漿液擴(kuò)散半徑平均約為0.3 m。

4.3滲透性分析

通過(guò)滲透儀、四連剪切儀檢測(cè)了土樣滲透性、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)，如表7所示。4組試驗(yàn)土樣滲透系數(shù)變化見(jiàn)圖2。

A組試驗(yàn)中，與A1相比，A2的滲透系數(shù)降低為其63.0%，表明水泥-粉煤灰-弱膨脹土漿液改善土體滲透性的作用更優(yōu)；與A0相比，A2和A3的滲透系數(shù)分別降為其32.7%與18.5%，表明有壓灌漿在改善土體滲透性上更優(yōu)；與A0相比，A4滲透系數(shù)降為其91.5%，表明堤頂路面裂縫灌漿孔間距超1.2 m時(shí)，土體灌漿的防滲效果不明顯。

B組試驗(yàn)中，B1，B2，B3水固比分別采用1.2，1.1和1.0，滲透系數(shù)相應(yīng)降低為灌漿前的35%、40%、60%。結(jié)果表明：漿液水固比低于1.0時(shí)，灌漿改善土體滲透性的效果較差。

C組試驗(yàn)中，C2，C3灌漿后土樣滲透系數(shù)相差微小，表明采用單排豎孔或雙排梅花型布置斜孔進(jìn)行有壓灌漿時(shí)，二者對(duì)土體滲透性的改善效果接近。

D組試驗(yàn)中，D3滲透系數(shù)降為D0的96.0%，表明土坡灌漿孔布置超過(guò)0.3 m間距時(shí)，灌漿防滲效果不明顯。

4.4強(qiáng)度分析

A組試驗(yàn)中，A2，A3較灌漿前A0土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角均有所增大；與A1相比，A2試驗(yàn)段灌漿土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角稍小，表明水泥-弱膨脹土漿液灌漿后的土體強(qiáng)度要高于水泥-弱膨脹土-粉煤灰漿液。

B組試驗(yàn)中，B1～B3試驗(yàn)段土體的抗剪強(qiáng)度隨著漿液水固比的減小而增大，表明在保證可灌性的同時(shí)，應(yīng)盡可能減小水固比。

5灌漿形式與施工工藝

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)研究，確定了適用于南水北調(diào)中線渠首工程膨脹土填方渠堤裂縫的灌漿形式和施工工藝。

（1） 針對(duì)路面細(xì)、淺裂縫的堤頂，宜采用超細(xì)水泥、弱膨脹土、粉煤灰3種材料，按水固比為1.0～1.2且水泥、粉煤灰、弱膨脹土分別以42%、28%、30%的比例配置混合漿液，用無(wú)壓貼嘴灌漿方式完成修復(fù)。

（2） 針對(duì)路面細(xì)、深裂縫的堤頂，宜選擇與（1）相同的漿材和比例配置混合漿液，采用單排孔騎縫有壓灌漿完成修復(fù)，孔距不大于1 m，灌漿壓力控制在50 kPa以?xún)?nèi)。

（3） 針對(duì)路面寬、深裂縫的堤頂，宜選擇水泥、弱膨脹土2種材料，采取“先稀后稠”原則進(jìn)行灌漿修復(fù)。稀漿液水固比為1.2，稠漿液水固比為0.9～1.0，水泥與弱膨脹土的比例為6∶4，鉆孔方式和灌漿壓力控制在50 kPa以?xún)?nèi)。

（4） 針對(duì)渠堤下游土坡裂縫，采用與（1）相同的漿材和比例配置混合漿液，應(yīng)用單排孔騎縫有壓灌漿，孔距0.3 m，灌漿壓力控制在50 kPa以?xún)?nèi)，可有效完成修復(fù)。

6結(jié)論

本文研究了不同裂縫灌漿方法和工藝，將渠堤裂縫劃分為堤頂路面細(xì)淺裂縫、堤頂路面細(xì)深裂縫、堤頂路面寬深裂縫、渠堤下游坡裂縫4種類(lèi)型，并分類(lèi)采取不同灌漿處理方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速施工響應(yīng)。研究成果可應(yīng)用于南水北調(diào)中線膨脹土段渠堤工程的后期運(yùn)行和維護(hù)，并可為其他工程膨脹土填方渠堤裂縫修復(fù)提供參考。

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（編輯：江燾，高小雲(yún)）

Study on crack grouting technology of weak expansive soil filling canal embankment in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

ZHOU Xueyou1，TIAN Zhenyu2，3，NING Xinyang2，3，CHANG Zhaoguang1，SUN Tongling1

（1.Head Section，Middle Branch of China South-to-North Water Diversion，Co.Ltd.，Nanyang 473000，China；2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；3.Key Laboratory of Water Network Engineering and Dispatching，Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to explore an effective and rapid grouting repair method suitable for weak expansive soil filling canal embankment cracks in the jurisdiction of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project，the on-site grouting test methods was used to design and analyze the effects of grouting materials，slurry ratio，grouting pressure，and grouting hole arrangement on crack grouting effectiveness.The test results showed that：for the fine and shallow cracks on the embankment top road surface，the ultra-fine cement，weak expansive soil and fly ash were recommended for grouting，and the repair should be carried out by using a water-solid ratio of 1.0 to 1.2，cement slurry proportion of cement，fly ash，and weak expansive soil for 42%，28%，and 30%，respectively，and adopted non-pressure grouting method.For fine and deep cracks on the top of the embankment road surface，the same slurry material and proportion were recommended for grouting，and the pressure grouting with single row hole should be used for repairing the hole spacing of less than 1 m and a grouting pressure controlled within 50 kPa.For the wide and deep cracks on the embankment top road surface，cement and weak expansive soil were recommended for grouting，with the grouting repair principle of "thinning first and then thickening".The research results can be applied to the later engineering operation and maintenance，and can be a reference for repairing cracks in the expansive soil filled canal embankments in other projects.

Key words： weak expansive soil； fill canal embankment； cracks； grouting repair； construction technology； Middle Route of South-to-North Water Diversion Project