堤坝粗粒土控制灌浆修复加固技术

陈利强 卢建华 章赢 崔冬冬

摘要：研究堤坝粗粒土控制灌浆柔性防护技术，具有提高工效、降低工程投资的巨大社会经济效益。依托岷江干流金马河新津段左岸堤防示范点开展粗粒土控制灌浆试验，通过系统分析钻孔、灌浆材料及浆液性能、灌浆工艺参数、灌浆防渗效果等数据，进而验证和完善粗粒体控制灌浆加固技术。结果表明：套阀管灌浆方法在砂卵砾石层堤身及堤基进行控制灌浆是适宜和可行的，在土体粒径较大的砂卵砾石层地段可顺利灌注水泥浆液;灌浆孔宜采用多排布置，间排距为1.0 m×1.0 m，段长为1～2 m，灌浆压力0.2～1.0 MPa;渗透式控制灌浆防渗效果良好。

关键词：粗粒土控制灌浆;套阀管法;土石堤坝;防渗加固;岷江

中图法分类号：TV641文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.011

文章编号：1006 - 0081（2021）10 - 0057 - 06

0 引 言

中国是世界上地质灾害最为严重的国家之一，具有灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失重等特点，其中滑坡是中国主要的地质灾害[1-3]。为了提高重大滑坡灾害快速识别与风险防控能力，科技部计划对“岸坡堤坝滑坡监测预警与修复加固关键技术及示范应用”等重大课题开展研究。虽然中国在滑坡领域开展了多年研究并取得了大量成果，但是关于膨胀土岸坡和堤坝渗透滑坡的研究还不够系统[4-6]。因此，開展了围绕膨胀土岸坡和堤坝渗透滑坡的多过程多尺度灾变机理、监测预警、检测识别、修复加固、集成平台等方面的研究，其中堤坝粗粒体控制灌浆修复加固技术属于关键研究技术。

堤坝粗粒体控制灌浆修复加固技术专题系统研究了粗粒土中钻孔、制浆、灌浆、检测等方面，提出了适宜粗粒土的成孔工艺与灌浆浆液，确定了控制灌浆方法、设备、压力、段长等施工工艺参数，提出了合适的检测方法及粗粒土控制灌浆设计指标，并通过技术集成，形成了堤坝控制灌浆柔性防护非开挖修复加固技术与工艺。同时，依托示范工程，验证和完善了施工工艺。

1 示范研究点概况

研究团队赴四川、重庆、江西等多地调研，综合比选后，选择岷江干流金马河新津段左岸堤防作为堤坝粗粒体控制灌浆修复加固技术示范研究点，距新建主城区约8 km。金马河长70.594 km，落差260 m，平均比降3.78‰，一直都是岷江的主要洪泛区。示范点临近河床，平直开阔，河谷呈浅“U”形，谷底宽540～620 m。堤身填土主要由粉质壤土夹砂卵砾石组成，堤基置于砂卵砾石层上，为单一结构，砂卵砾石厚一般为4～14 m，下伏白垩系上统灌口组（K2g）紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。堤身高度为5～10 m，堤顶宽5.5～7.2 m，临水坡坡比1∶（1.5～1.7），局部坡比陡于1∶1.5，背水坡坡比1∶2.0。堤顶均为砂卵砾石路面，堤外临水坡采用浆砌砾石护坡，局部坡脚处抛有三角形混凝土块防冲。示范段堤防堤身、堤基均为粗粒土料，局部存在渗漏、稳定问题。示范点堤身断面见图1。

2 示范工程试验要求和试验布置

2.1 试验目的

开展了堤防粗粒土控制灌浆试验，记录分析钻孔、灌浆工效、灌浆材料、灌浆段长、时长、灌浆量等现场数据。通过钻孔施工统计分析，评价粗粒土钻孔技术的适用性。为达到可靠的防渗效果，开展了灌浆试验，防渗体渗透系数力求达到i×10-5 cm/s（i的取值范围为1～9）。通过灌浆资料分析，评价控制灌浆技术、灌浆浆材配置的合理性。通过现场一般压水、检查孔芯样、疲劳压水试验等检测手段，验证了控制灌浆的可靠性及耐久性，并提出了控制灌浆检测方法。最后，通过监测与检测数据评价了控制灌浆防渗处理效果。

2.2 试验布置

2.2.1 施工场地布置

施工场地布置在大堤路面上，堤顶路面宽度为6.0 m，布置有水泥制浆站（需要截断堤顶路面交通）、灌浆设备摆放区域、灌浆试验区以及集装箱式生活区。实验区范围内，堤防四周采用挡水土堰围筑，防止施工用水四处流渗造成污染，废水集中收集经管道排放至堤外地面的沉淀池内，防止废水排放对堤坡的冲蚀破坏。

2.2.2 试验孔布置

根据示范点工程地质条件，控制灌浆孔沿堤轴线在堤顶路面3排布置，间排距为1.0 m×1.0 m，每排孔数9个，共计27个灌浆孔，分三序逐序加密施工，灌浆孔底进入基岩5 m，在中间排的中间部位布置一个勘探孔，距两侧孔0.5 m，入岩8.0 m。灌浆孔平面布置及典型横剖面见图2～3。

2.2.3 供水、制浆系统

施工用水采用金马河河水经潜水泵抽取至堤顶水箱，再经水泵供给现场施工使用。制浆系统设置在内堤脚处，使用彩钢瓦搭设封闭式制浆站，采用强制式制浆机，配置普通水泥浆液和膏状浆液，通过供浆泵送至现场集浆桶内，灌浆时通过灌浆泵将浆液灌注孔内，直至灌浆结束。

2.2.4 施工废水处理

试验点位于岷江金马河堤防段，施工废水排放环保要求高，在距内堤脚2.0 m处布置三级沉淀池，试验过程中产生的废水经三级沉淀池达标后，再排放至河道。

3 粗粒土控制灌浆修复加固技术与工艺参数

3.1 施工流程

综合分析工程地质资料后，本次示范工程灌浆试验采用套阀管法施工，主要工作程序见图4。

3.2 钻 孔

钻孔采用哈迈-90风动潜孔钻机，钻孔套管跟进，钻孔直径为146 mm。施工顺序按照先施工上、下游排，再施工中间排。钻孔过程中对风动潜孔钻机跟管钻进工艺的钻进速度、压力、角度进行控制，以满足在砂卵砾石层中钻孔的需要。地质钻机钻进采用清水冲洗工艺，主要用于基岩和灌浆检查孔施工，钻孔取芯使用双管单动钻具取芯，尽可能保证完整的岩芯采取率。

3.3 灌浆材料及浆材试验

3.3.1 灌浆材料

试验灌浆材料主要为膨润土、水泥等，采用三台县大予膨润土矿业有限公司生产的钙基膨润土，峨眉山西南牌P.O42.5R普通硅酸盐水泥，施工用水取自岷江金马河河水。

3.3.2 浆材试验

（1）套壳料配比及性能试验。套壳料强度的高低直接影响到灌浆时能否正常开环，属于灌浆施工重点控制环节[7-8]，本次灌浆试验以套壳料3 d强度约0.3 MPa为控制原则，共完成套壳料配比试验10组，经过优化比选，水胶比（0.8～1.0）∶1，浆液结石3 d抗压强度为0.3～0.4 MPa时使用效果良好。

（2）水泥浆液、膏状浆液配比及性能试验。根据可灌比值、小于0.1 mm的颗粒含量、透水性3方面的综合分析，判断示范点地层的可灌性[8-10]，结果表明：该地层易接受水泥灌浆。示范点灌浆选择普通水泥浆液和膏状浆液。水灰比选用2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1，0.5∶1和（0.40～0.45）∶1等6个比级，最后一级为膏状浆液，水灰比为（0.40～0.45）∶1，膏状浆液根据水灰比现场进行试配，选取适应现场灌浆设备的配比为最终配比。

3.4 下设套阀管和注入套壳料

钻孔终孔验收合格后并在起拔套管前，下设套阀管。套阀管采用直径89 mm钢管加工，花眼孔直径14～16 mm，每环4个孔，相邻两环距离33 cm，套阀管长度可根据孔深具体情况调整。

套壳料通过泵送方式注入，即通过注浆器从内套阀孔向套阀管外侧整孔灌注，注浆器从孔底至孔口灌注套壳料，每米大约15.8 L左右，套壳料灌注至孔口出浆后停止本孔套壳料灌注，填完套壳料待凝3 d后，方可进行下道工序施工。

3.5 开环、钻孔冲洗和压水试验

在冲洗、压水试验之前，试验区灌浆孔使用单环长度双栓注浆器对灌浆段之内的套阀孔逐次进行开环，在压力作用下每环流量有明显增加时，开环即结束。为了解该段砂卵石地层的透水情况，提高地层可灌性，开环结束后先采用纯压式冲洗，然后进行压水试验[8-10]。压水试验采用简易压水方式，采用灌浆压力的80%，且不大于1 MPa，压水时间不少于20 min，用最后流量数值计算透水率。

3.6 灌浆方法与灌浆设备

3.6.1 灌浆方法

砂卵砾石层堤身及堤基可采用孔口封闭法、套阀管法、套管灌浆法和打管灌漿法等进行灌浆[8-10]。因套阀管法具有成孔效率高、耗浆量小、施工可控性较好等优势，示范点砂卵砾石层灌浆试验采用预埋套阀管灌浆工艺，灌浆方法主要是自下而上分段灌浆方法，灌浆方式采用纯压式;基岩段灌浆采用自上而下、纯压式灌浆。

3排灌浆孔均采用三序施工，先施工上游排，再施工下游排，最后施工中间排。排间按分序加密原则施灌，3排孔分三序进行，先施工Ⅰ序，再施工Ⅱ序，最后施工Ⅲ序。

3.6.2 灌浆设备

灌浆施工采用3SNS型灌浆泵、高速强制搅拌制浆机、集浆桶、灌浆自动记录系统、特制双栓注浆器。①高压灌浆泵：选用3SNS型灌浆泵，三缸往复式柱塞泵，运行状态好，压力平稳，额定压力10.0 MPa，最大排量207 L/min。②高速强制搅拌制浆机：采用高速电机做搅拌动力，通过搅拌叶高速旋转，制拌浆液，容积为600 L。③集浆桶：容积为600 L，搅拌轴转速51 r/min。④灌浆数据记录系统：采用GJY-V11多路灌浆记录仪进行灌浆数据采集与灌浆过程监控。⑤特制双栓注浆器：选用水压式高压膨胀注浆器，由上下两个高压膨胀塞组成，中间配有注浆花管，可根据段长调整长度，此注浆器适用于分段卡塞综合式灌浆，主要优点是膨胀率高，封闭可靠，有直径规格为75，120 mm的循环式注浆器。

3.7 灌浆工艺参数

3.7.1 灌浆段长

本次灌浆试验地层主要分布在砂卵砾石中，通过套阀管注入水泥浆液，在保证灌浆注入量供给的前提下使用2.0 m段长;基岩段采用2.0，3.0 m段长，在第一段压水透水率小于10.0 Lu前提下，可两段合并一段进行灌浆，灌浆段长为5.0 m。

3.7.2 灌浆压力

示范工程灌浆孔所使用的灌浆压力，根据堤防高度和砂卵砾石层淹埋深度所承受的最大水头压力0.2 MPa，取最大水头压力1.5倍的安全系数，确定灌浆压力0.3 MPa起灌，最大灌浆压力不超过1 MPa。灌浆试验采用灌浆压力见表1。

3.7.3 浆液变化

灌浆过程中浆液的合理变换对保证灌浆防渗帷幕的厚度、控制浆液扩散范围，节约材料，降低成本起着重要作用。浆液变换标准如下：①当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不改变水固比。②当某一比级浆液的注入量已达600 L以上或灌注时间已达30 min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，改浓一级。③控制注入率不大于30 L/min，且连续灌注时间不应超过30 min，反之应采取间歇措施，间歇时间不少于30 min。④当灌浆段干料注入量累计达到1.0 t/m时，采取限流、间歇措施。

3.7.4 灌浆结束标准

根据灌浆采用的浆液类型，采用不同的结束标准：①普通水泥浆液灌注时，在设计压力下，当注入率小于1 L/min时，继续灌注30 min结束本段灌浆。②膏状浆液灌注时，在设计压力下，达到基本不吸浆时结束本段灌浆，本次灌浆未进入到膏状浆液使用阶段，故未采用膏状浆液灌注。

3.8 灌浆质量检查

3.8.1 检查孔布置原则

试验区灌浆结束，待凝14 d后进行检查，检查孔进行钻孔取芯和使用注水试验，检查孔布置原则如下：①帷幕中心。②地质条件复杂部位（大块卵石、细砂层、地层变化区域等）。③末序孔孔注浆较大孔段附近。④根据资料分析可能对灌浆质量有影响的部位。

3.8.2 检查孔钻孔

检查孔施工，采用地质钻机清水钻进，非灌段镶筑孔口管，待凝48 h后，进行检查孔后续钻孔施工。检查孔施工要求钻机摆放平稳，开孔前要求用角度尺对正钻机，钻机立轴方向要求必须与钻孔方向一致，方可进行钻孔作业。

檢查孔钻孔控制原则：①孔口管镶入原灌浆孔灌浆顶高程1.0 m深度;②检查孔深度比原灌浆孔终孔深度浅1.0 m后结束，保证检查孔在有效灌浆控制范围内进行;③检查孔钻孔分段进行施工与注水试验，注水试验结束后灌浆处理，进行下段钻孔施工。

3.8.3 检查孔注水试验

检查孔渗透试验采用常水头注水试验方法。在注水试验前，对地下水进行观测，水位观测间隔为5 min，当连续2次观测数据变幅小于10 cm时，水位观测即可结束，以最后的观测值作为地下水位计算值。注水试验自上而下分段进行，试验段长度根据地层稳定情况确定为2～7 m。

3.8.4 破坏性压水试验

为研究地层经灌浆后所能承受的水力极限破坏压力，选择检查孔地层复杂部位进行破坏性压水试验，根据试验成果分析灌浆帷幕的水力渗透极限与压水压力相关关系。

4 灌浆效果检查及分析

4.1 灌前透水率

通过压水试验，可以获取灌浆前后地层透水率减少的程度，以此作为灌浆效果评价依据[11-12]。示范点各次序灌浆孔灌前透水率频率曲线见图5，各次序灌浆孔灌前平均透水率与透水段数统计见表2。

由表2、图5分析可知，透水率随孔序的递增而减少，递减效果较明显，Ⅱ序孔平均透水率比Ⅰ序孔透水率减少26.8%，Ⅲ序孔平均透水率比Ⅱ序孔透水率减少37.2%。各次序孔灌前透水率图表显示，灌浆试验区各次序孔灌浆递减效果符合灌浆规律。

4.2 灌浆材料单位注入量

灌浆材料单位注入量可反映出灌浆过程所采用的工艺技术、灌注材料、浆液配合比是否合理[12-13]。一般情况下，灌浆各次序孔的单位注入量遵循逐序递减的规律，且次序间递减明显，说明灌浆效果较好。示范点各次序灌浆孔灌浆材料（水泥）单位注入量频率曲线见图6，各次序灌浆孔灌浆材料（水泥）单位注入量情况见表3。

由图6、表3分析可知，水泥单位注入量随孔序增加有较明显递减趋势，Ⅱ序孔单位注入量比Ⅰ序孔单位注入量减少36.2%，Ⅲ序孔单位注入量比Ⅱ序孔单位注入量减少29.0%，灌浆各次序孔递减效果较明显，符合灌浆规律。根据灌浆资料分析，总体而言，灌浆方法和过程控制可行。

4.3 检查孔成果

灌浆质量检查孔依据注水试验，单点法压水试验，疲劳压水试验及耐压压水试验成果数据，结合施工记录、灌浆成果资料综合评定灌浆效果。

4.3.1 检查孔注水压水试验成果

检查孔注水压水试验成果数据见表4。

结合灌前透水率、单位注入量成果和检查孔注水压水试验成果可知：示范工程粗粒土堤防控制灌浆效果较好，灌前透水率及单位注入量按排序、孔序递减效果明显，检查孔JC-1砂卵（砾）石层段次1（7.00～11.00 m）、段次2（11.00 m～17.00 m）渗透系数均在i×10-5  cm/s（i的取值范围为1～9）区间内。

4.3.2 检查孔疲劳压水试验成果

通过对检查孔JC-1砂卵（砾）石层段次1（11.0～17.0 m）在0.2 MPa压力下进行24 h压水，观测到随时间增加流量变化情况为：在0.2 MPa压力下2 h内流量无明显变化，平均流量为5.712 L/min，透水率为4.76 Lu;2～24 h内流量逐渐增加至7.983 L/min，透水率为6.428 Lu。

4.3.3 检查孔耐压压水试验

在检查孔JC-1砂卵（砾）石层段次1（11.0～17.0 m）进行耐压压水试验，试验成果见表5、图7。

由结果分析可知，砂卵（砾）石层段次1（11.0～17.0 m）在压力0.900 MPa下发生水力破坏，其对应流量为86.45 L/min，透水率为15.938 Lu。

5 结 论

通过堤防粗粒土控制灌浆示范工程灌浆试验，系统分析钻孔、灌浆工效、灌浆材料、灌浆段长、灌浆量、灌浆效果、疲劳及耐压性能等，得到如下结论。

（1）套阀管灌浆方法在砂卵砾石层堤身及堤基进行控制灌浆是适宜和可行的，采用自下而上分段灌浆，灌浆方式采用纯压式灌浆，开环后，浆液可顺利灌入粗粒土中，渗透式控制灌浆效果良好。

（2）砂卵砾石层堤身及堤基控制灌浆时，套壳料采用水泥膨润土混合浆液，水胶比（0.8～1.0）∶1.0，浆液结石3 d抗压强度为0.3～0.4 MPa时使用效果良好，套壳料能够有效地起到保护作用，并可实现顺利开环和灌浆。

（3）堤坝粗粒土中土体粒径较大的砂卵砾石层地段灌注水泥浆液，灌浆孔宜采用3排布置，间、排距1 m，套阀管法在保证灌浆注入量时，段长为1～2 m，首段灌浆压力可取0.2～0.5 MPa，最大灌浆压力不超过1 MPa，试验成果表明水泥浆注浆量较大且能正常结束，灌后效果较好。

参考文献：

[1] 龚学权，陶炳权. 地质灾害的风险区划与防治[J]. 工程技术研究，2018（7）：251-252.

[2] 国土资源部. 全国地质灾害防治“十三五”规划[M]. 北京：国土资源部，2016.

[3] 宋红霞，张源涛.  红土高原上飞翔的无人机——云南地质灾害无人机测绘保障工作纪实[J]. 中国测绘，2020（7）：34-35.

[4] 钮新强，蔡耀军，谢向荣，等. 南水北调中线膨胀土边坡变形破坏类型及处理[J]. 人民长江，2015，46（3）：01-04.

[5] 周翠英，刘祚秋，尚伟，等. 膨胀土和软岩边坡加固优化设计的几个关键问题[J]. 中山大学学报（自然科学版），2003，42（3）：127-128.

[6] 沈细中. 水库土质库岸崩滑与防治[M]. 北京：中国水利水电出版社，2011.

[7] 宋玉才，燕乔，赵献勇，等. 砂砾石地基垂直防渗[M]. 北京：中国水利水电出版社，2009.

[8] SL 62-2014 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

[9] 王立彬，燕乔，毕明亮，等. 砂砾石层可灌性分析与探讨[J]. 水利技术监督，2010（3）：42-46.

[10] 水利水电工程施工手册编委会. 水利水电工程施工手册 第1卷. 地基与基础工程[M].  北京：中國电力出版社，2004.

[11] 林加兴. 大坝防渗加固工程帷幕灌浆钻孔压水试验分析[J]. 大坝与安全，2010（5）：46-48.

[12] 郭伟. 丹江口大坝高水头帷幕补强灌浆现场试验成果分析[J]. 中国水运，2014，14（10）：183-184.

[13] 洪学军. 浅谈防渗灌浆技术的质量控制[J]. 城市建设，2013（3）：30-35.

（编辑：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