浅论劈裂灌浆技术在堤防工程中的应用

郭 强

(河北省衡水市水务局引蓄水工程管理处,河北衡水 053000)

我国现堤防历史上多由农民自发修筑,并经多次加高培厚而成,施工缺乏严格的质量控制,造成堤防修筑质量差,存在松散层、裂缝、空洞、坑道等,使堤身、堤基透水性较强,导致堤体及背水坡外出现散浸、翻沙、管涌等问题,给工程留下了隐患。如何有效加强堤坝工程的防渗能力是建筑水利工程的主要任务之一。劈裂灌浆技术能有效改善堤防工程质量,此技术在堤防防渗工程中被广泛推广,它能形成垂直连续的防渗帷幕,它的工作机理、效果和工艺均已达到了现代防渗工程的要求,更适合当前大量的堤坝防渗加固工程。以下对劈裂灌浆的施工技术要求,及如何控制堤防灌浆质量等,做一些粗浅的讨论。

1 劈裂灌浆特点及机理

1.1 劈裂灌浆特点

(1)劈裂灌浆能形成连续质量可靠的防渗帷幕,并且灌入堤身的泥浆析水固结后易与堤体融为一体,不破坏堤身的整体稳定性。

(2)劈裂灌浆用粘土泥浆造墙,土料选择可按技术要求因地制宜,就地取材,可降低工程造价。

(3)设备便宜,工艺简单,施工速度快。

(4)劈裂灌浆适合加固含水量相对较低的黄土堤坝,加固深度以较深(大于 5.0m)为宜,不宜用于大面积浅层灌浆处理堤坝工程。

1.2 劈裂灌浆机理

劈裂灌浆技术从堤坝险患的原因入手,以断裂力学和水力劈裂原理为理论基础,利用堤身的最小主应力面和堤轴线方向一致的规律,沿坝体最小主应力的垂直方向布孔,在灌浆压力下有控制地劈裂堤身,控制性地灌注浆液,劈裂灌注过程中有渗透、充填和压密,而渗透、充填和压密完成后,又会有新的劈裂产生一一裂缝扩展。在堤身形成密实,且有一定厚度的连续性的浆液防渗固结体,堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层,提高了坝体的防渗能力。此外,通过灌浆压力和土的湿化变形,使坝体内部的应力再分配,由应力的不均衡趋向均衡,从而使堤坝达到变形稳定的目的。

2 劈裂灌浆设计参数

2.1 布孔

从理论上讲,布孔轴线与堤防轴线一致时有利于劈裂。在实际工程中,一般将布孔轴线向上游偏移 0.5 m左右。以5.0m宽的堤防为例,布孔轴线为距上游侧 2.0m。孔位不宜太靠近堤肩,以免灌浆过程中出现较多斜裂缝及堤坡冒浆。一般孔距约为 1/3堤高至 1/2堤高,顺直段孔距可稍大些,弯曲段则应小些。适当加大孔距、减少孔数,可降低工程造价,但孔距过大,会使单孔注浆时间长,帷幕厚度不均匀,从而影响灌浆质量。

孔深应视堤基地质条件而定。当堤基为粘性土时,为保证泥浆对堤身隐患部位和堤身与堤基接触的层面得到充分浸透、充填和挤压密实,孔深应深入堤基 0.5m～1.0m;当堤基为砂性土时,孔深应深入堤基 1/2堤高至 2/3堤高,以利堤身和堤基形成连续的浆体帷幕,达到最好的防渗效果。

2.2 灌浆压力

灌浆压力是劈裂灌浆施工中的一个重要控制指标,当灌浆压力大于起裂压力和裂缝扩展压力时,钻孔就开始随裂缝扩展,随着裂缝的扩展,浆液进入堤体而形成防渗帷幕,灌浆压力如果控制得好,对于堤体的压密和回弹,加快浆体排水固结,浆体的压密和补充堤体小主应力不足、保证防渗帷幕等,都能起到好的效果。灌浆压力过大有可能破坏坝体的某些结构,甚至出现险情。因此控制灌浆压力是劈裂灌浆的关键。

灌浆压力一般分为三级,一是堤防土体被劈开极限状态时的孔口压力,二是最大控制灌浆孔口压力,三是正常灌浆压力。灌浆压力不仅与堤身质量有关,而且还与堤的断面尺寸、灌浆部位、泥浆浓度及浆量有关,很难用一个公式准确计算。在保证堤防安全的前提下,一般不控制起始劈裂力,待起劈后,则需控制最大孔口压力或正常灌浆压力。最大控制孔口压力可参照规范中的公式计算,并结合现场灌浆试验及类似工程经验确定。

在实际工程中,为方便施工,一般只控制最大孔口压力,对起劈压力和正常灌浆压力不作严格控制。为施加较大的灌浆压力,促使浆液析水固结,提高浆液的固结速率,在所有灌浆钻孔埋设孔口管,用来承担顶部灌浆压力。

2.3 灌浆浆液技术要求

对于劈裂灌浆,其浆液控制是控制工程质量中的重要环节。作为能量载体,浆液要起到劈裂作用,作为防渗帷幕,浆液需尽快凝结。故在灌浆过程中,根据浆液所起的作用不同,对浆液稠度及灌浆材料有不同的要求。灌浆时,为了更容易实现劈裂,起劈浆液应用稀浆,稀浆容重一般为 1.2 t/m3～1.3 t/m3,当灌浆压力突然下降时,表明坝体已被劈开,此时改用设计所要求的稠浆,容重一般为 1.3 t/m3～1.5 t/m3。

灌浆材料一般采用粘土浆,制浆土料粘粒含量为 20%～30%,塑性指数 10%～16%,有机含量小于 2%,当土料粘粒含量过低时,可加入一定量的膨胀剂。根据劈裂原理,在堤防回弹之前,堤防被一劈为二,其本身的稳定性较起劈前差了许多。故在实际应用中,必须认真考虑如何使浆液尽快凝固,使劈裂后的堤防及时回复整体。试验表明,在浆液中掺入水泥有利于浆液固结。但水泥掺入量并非越多越好,若水泥掺入量太多,易在浆体中形成骨架,不利于坝体回弹压密,形成的浆脉密度小,性质比较脆,不能适应坝体变形,反而产生坏的效果。经过验证,在原纯粘土浆中添加 15%左右的水泥形成水泥粘土浆,既能加速浆液凝固,较快发挥防渗效果,又不影响坝体回弹。

2.4 灌浆序次、灌浆间隔时间及复灌次数

灌浆序次可采用一序或两序。分序的目的是使浆液在堤身有充分的析水固结时间。设计中多采用二孔进行灌浆。复灌间隔时间应根据灌入堤身浆液的固结状态确定,即应在前次灌入浆液初步凝固(固结度达 90%)后才能复灌。在灌浆方法上要“少灌多复”。灌浆压力应逐步增大,当接近允许最大值时,应立即停灌,更换灌浆孔。一般每序孔的灌注相隔时间不小于 3d,复灌次数为 5次左右,每次相隔时间不小于 1d。

设计参数中的孔距、孔序、灌浆压力、复灌间隔时间及复灌次数等指标,与堤身断面、堤身质量及土质、灌浆土料、工艺设备等因数密切相关,必须通过灌浆试验,并应按试验结果修正设计参数。

3 劈裂灌浆工艺流程

3.1 造孔

根据设计和试验确定的孔距,沿堤身轴线用皮尺量距,定位布孔,纵向偏差小于5cm,上下游偏差低于3 cm,钻孔偏斜度不大于孔深的 2%。

3.2 制浆及灌浆

制浆、灌浆应同步进行。制浆应经过搅浆、筛浆、拌浆等工序,除去大颗粒砂石及杂质,以确保浆液连续均匀供应,同时应测定泥浆密度和粘度,若不符合要求,应调整水土比;灌浆采用孔底注浆、全孔灌注的方法,灌浆应按先稀后稠的原则,并按照试验确定灌浆序次、复灌次数和间隔时间进行复灌。

3.3 终灌及封孔

灌浆结束过早,可能在堤防中留下隐患,过长延长灌浆时间,不仅浪费材料,而且会带来不利因素,因此,正确选择结束时间很有必要。当达到设计复灌次数,随着复灌次数的增加,吃浆量越来越少(小于 0.03m3/m in),每次灌浆历时越来越短,直至灌浆历时很短、吃浆量很少,堤顶开始冒浆2～3次,不能再继续施灌,此时可确定为灌浆结束标准。封孔时向注浆孔内连续注入容量大于 1.6 t/m3的稠浆,直至浆面不再下降为止,并用干土封堵捣实。

4 灌浆中易出现的问题及处理措施

在灌浆过程中,易出现裂缝、塌坑、冒浆、串浆、机械故障等现象,应对此加以控制和处理。

4.1 裂缝处理

在灌浆期间堤顶出现了纵向缝,若因堤身填土碾压质量差,泥浆析水引起堤身土湿化变形的湿陷缝,可继续灌浆不做处理;若为劈裂缝则应加强观测,当裂缝发展到1 cm～2 cm宽时,可沿裂缝开挖、填土夯实,形成阻浆盖,或适当降低孔口压力,采取少灌多复的办法,严格控制最大裂缝不超过3 cm。当裂缝达到3 cm时,应立即停灌,待裂缝基本闭合后再灌。如果出现横向或斜向裂缝,必须停灌检查,并采取沿裂缝开挖、回填粘土夯实或沿裂缝钻 2个 ～4个孔灌入较稠的压力泥浆,促使被灌土区变形稳定。

在堤防弯曲段,因为堤防内部应力比较复杂,易出现不规则裂缝。对于这种堤段,一般需单独处理。

4.2 塌坑处理

局部堤防在灌浆期间出现塌坑,应立即停灌,3d～5d后可在塌坑的四周打孔灌注稠浆,然后在坑内分层填土夯实。

4.3 冒浆处理

因堤身存在裂缝、洞穴等隐患,灌浆期间堤坡、堤顶等常出现冒浆。对堤坡冒浆可采取在原灌浆孔内用浓浆间歇性灌浆的方法处理,对灌浆初期的堤顶冒浆,可采取降低灌浆压力和输浆量或在冒浆处作阻浆盖阻止冒浆,灌浆后期的堤顶冒浆可不处理。

4.4 串浆处理

灌浆中出现串浆时,应加强观测,分析其对堤身的整体和局部安全是否有影响,在确认对堤防安全无影响时,可采取对灌浆孔口和串浆孔同时灌浆,或在串浆孔口加木塞,然后继续灌浆。

4.5 机械故障

发生机械故障时,要及时进行处理,避免灌浆工作不能实施或达不到设计要求。

5 劈裂灌浆质量检验

按照施工记录分别统计出每孔吃浆量及相应的浆液稠度,可计算得每孔干土灌入量及平均每米孔深干土灌入量。在实际工程中常用探坑检测法,当灌浆结束后20d左右,在施工区内随机挖一定数量的探坑,检查浆脉是否清晰、连续、均匀和固结效果,主浆脉和影响带宽度,以及浆液在缝内、孔隙内充填情况及浆体结构与原堤结合情况等,并垂直主浆脉取土样做室内变水头渗透试验、固结试验及颗分、液塑限试验等。

6 结语

综上所述,劈裂灌浆技术是一项适用性很强,施工方便、造价低的堤身防渗技术,因此被广泛推广,特别是对于堤身孔洞较多的土堤,可以充分发挥其充填、挤压作用。

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