淺論劈裂灌漿技術(shù)在堤防工程中的應(yīng)用

郭 強(qiáng)

(河北省衡水市水務(wù)局引蓄水工程管理處,河北衡水 053000)

我國(guó)現(xiàn)堤防歷史上多由農(nóng)民自發(fā)修筑,并經(jīng)多次加高培厚而成,施工缺乏嚴(yán)格的質(zhì)量控制,造成堤防修筑質(zhì)量差,存在松散層、裂縫、空洞、坑道等,使堤身、堤基透水性較強(qiáng),導(dǎo)致堤體及背水坡外出現(xiàn)散浸、翻沙、管涌等問(wèn)題,給工程留下了隱患。如何有效加強(qiáng)堤壩工程的防滲能力是建筑水利工程的主要任務(wù)之一。劈裂灌漿技術(shù)能有效改善堤防工程質(zhì)量,此技術(shù)在堤防防滲工程中被廣泛推廣,它能形成垂直連續(xù)的防滲帷幕,它的工作機(jī)理、效果和工藝均已達(dá)到了現(xiàn)代防滲工程的要求,更適合當(dāng)前大量的堤壩防滲加固工程。以下對(duì)劈裂灌漿的施工技術(shù)要求,及如何控制堤防灌漿質(zhì)量等,做一些粗淺的討論。

1 劈裂灌漿特點(diǎn)及機(jī)理

1.1 劈裂灌漿特點(diǎn)

(1)劈裂灌漿能形成連續(xù)質(zhì)量可靠的防滲帷幕,并且灌入堤身的泥漿析水固結(jié)后易與堤體融為一體,不破壞堤身的整體穩(wěn)定性。

(2)劈裂灌漿用粘土泥漿造墻,土料選擇可按技術(shù)要求因地制宜,就地取材,可降低工程造價(jià)。

(3)設(shè)備便宜,工藝簡(jiǎn)單,施工速度快。

(4)劈裂灌漿適合加固含水量相對(duì)較低的黃土堤壩,加固深度以較深(大于 5.0m)為宜,不宜用于大面積淺層灌漿處理堤壩工程。

1.2 劈裂灌漿機(jī)理

劈裂灌漿技術(shù)從堤壩險(xiǎn)患的原因入手,以斷裂力學(xué)和水力劈裂原理為理論基礎(chǔ),利用堤身的最小主應(yīng)力面和堤軸線方向一致的規(guī)律,沿壩體最小主應(yīng)力的垂直方向布孔,在灌漿壓力下有控制地劈裂堤身,控制性地灌注漿液,劈裂灌注過(guò)程中有滲透、充填和壓密,而滲透、充填和壓密完成后,又會(huì)有新的劈裂產(chǎn)生一一裂縫擴(kuò)展。在堤身形成密實(shí),且有一定厚度的連續(xù)性的漿液防滲固結(jié)體,堵塞漏洞、裂縫或切斷軟弱層,提高了壩體的防滲能力。此外,通過(guò)灌漿壓力和土的濕化變形,使壩體內(nèi)部的應(yīng)力再分配,由應(yīng)力的不均衡趨向均衡,從而使堤壩達(dá)到變形穩(wěn)定的目的。

2 劈裂灌漿設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 布孔

從理論上講,布孔軸線與堤防軸線一致時(shí)有利于劈裂。在實(shí)際工程中,一般將布孔軸線向上游偏移 0.5 m左右。以5.0m寬的堤防為例,布孔軸線為距上游側(cè) 2.0m。孔位不宜太靠近堤肩,以免灌漿過(guò)程中出現(xiàn)較多斜裂縫及堤坡冒漿。一般孔距約為 1/3堤高至 1/2堤高,順直段孔距可稍大些,彎曲段則應(yīng)小些。適當(dāng)加大孔距、減少孔數(shù),可降低工程造價(jià),但孔距過(guò)大,會(huì)使單孔注漿時(shí)間長(zhǎng),帷幕厚度不均勻,從而影響灌漿質(zhì)量。

孔深應(yīng)視堤基地質(zhì)條件而定。當(dāng)?shù)袒鶠檎承酝習(xí)r,為保證泥漿對(duì)堤身隱患部位和堤身與堤基接觸的層面得到充分浸透、充填和擠壓密實(shí),孔深應(yīng)深入堤基 0.5m～1.0m;當(dāng)?shù)袒鶠樯靶酝習(xí)r,孔深應(yīng)深入堤基 1/2堤高至 2/3堤高,以利堤身和堤基形成連續(xù)的漿體帷幕,達(dá)到最好的防滲效果。

2.2 灌漿壓力

灌漿壓力是劈裂灌漿施工中的一個(gè)重要控制指標(biāo),當(dāng)灌漿壓力大于起裂壓力和裂縫擴(kuò)展壓力時(shí),鉆孔就開始隨裂縫擴(kuò)展,隨著裂縫的擴(kuò)展,漿液進(jìn)入堤體而形成防滲帷幕,灌漿壓力如果控制得好,對(duì)于堤體的壓密和回彈,加快漿體排水固結(jié),漿體的壓密和補(bǔ)充堤體小主應(yīng)力不足、保證防滲帷幕等,都能起到好的效果。灌漿壓力過(guò)大有可能破壞壩體的某些結(jié)構(gòu),甚至出現(xiàn)險(xiǎn)情。因此控制灌漿壓力是劈裂灌漿的關(guān)鍵。

灌漿壓力一般分為三級(jí),一是堤防土體被劈開極限狀態(tài)時(shí)的孔口壓力,二是最大控制灌漿孔口壓力,三是正常灌漿壓力。灌漿壓力不僅與堤身質(zhì)量有關(guān),而且還與堤的斷面尺寸、灌漿部位、泥漿濃度及漿量有關(guān),很難用一個(gè)公式準(zhǔn)確計(jì)算。在保證堤防安全的前提下,一般不控制起始劈裂力,待起劈后,則需控制最大孔口壓力或正常灌漿壓力。最大控制孔口壓力可參照規(guī)范中的公式計(jì)算,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)及類似工程經(jīng)驗(yàn)確定。

在實(shí)際工程中,為方便施工,一般只控制最大孔口壓力,對(duì)起劈壓力和正常灌漿壓力不作嚴(yán)格控制。為施加較大的灌漿壓力,促使?jié){液析水固結(jié),提高漿液的固結(jié)速率,在所有灌漿鉆孔埋設(shè)孔口管,用來(lái)承擔(dān)頂部灌漿壓力。

2.3 灌漿漿液技術(shù)要求

對(duì)于劈裂灌漿,其漿液控制是控制工程質(zhì)量中的重要環(huán)節(jié)。作為能量載體,漿液要起到劈裂作用,作為防滲帷幕,漿液需盡快凝結(jié)。故在灌漿過(guò)程中,根據(jù)漿液所起的作用不同,對(duì)漿液稠度及灌漿材料有不同的要求。灌漿時(shí),為了更容易實(shí)現(xiàn)劈裂,起劈漿液應(yīng)用稀漿,稀漿容重一般為 1.2 t/m3～1.3 t/m3,當(dāng)灌漿壓力突然下降時(shí),表明壩體已被劈開,此時(shí)改用設(shè)計(jì)所要求的稠漿,容重一般為 1.3 t/m3～1.5 t/m3。

灌漿材料一般采用粘土漿,制漿土料粘粒含量為 20%～30%,塑性指數(shù) 10%～16%,有機(jī)含量小于 2%,當(dāng)土料粘粒含量過(guò)低時(shí),可加入一定量的膨脹劑。根據(jù)劈裂原理,在堤防回彈之前,堤防被一劈為二,其本身的穩(wěn)定性較起劈前差了許多。故在實(shí)際應(yīng)用中,必須認(rèn)真考慮如何使?jié){液盡快凝固,使劈裂后的堤防及時(shí)回復(fù)整體。試驗(yàn)表明,在漿液中摻入水泥有利于漿液固結(jié)。但水泥摻入量并非越多越好,若水泥摻入量太多,易在漿體中形成骨架,不利于壩體回彈壓密,形成的漿脈密度小,性質(zhì)比較脆,不能適應(yīng)壩體變形,反而產(chǎn)生壞的效果。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,在原純粘土漿中添加 15%左右的水泥形成水泥粘土漿,既能加速漿液凝固,較快發(fā)揮防滲效果,又不影響壩體回彈。

2.4 灌漿序次、灌漿間隔時(shí)間及復(fù)灌次數(shù)

灌漿序次可采用一序或兩序。分序的目的是使?jié){液在堤身有充分的析水固結(jié)時(shí)間。設(shè)計(jì)中多采用二孔進(jìn)行灌漿。復(fù)灌間隔時(shí)間應(yīng)根據(jù)灌入堤身漿液的固結(jié)狀態(tài)確定,即應(yīng)在前次灌入漿液初步凝固(固結(jié)度達(dá) 90%)后才能復(fù)灌。在灌漿方法上要“少灌多復(fù)”。灌漿壓力應(yīng)逐步增大,當(dāng)接近允許最大值時(shí),應(yīng)立即停灌,更換灌漿孔。一般每序孔的灌注相隔時(shí)間不小于 3d,復(fù)灌次數(shù)為 5次左右,每次相隔時(shí)間不小于 1d。

設(shè)計(jì)參數(shù)中的孔距、孔序、灌漿壓力、復(fù)灌間隔時(shí)間及復(fù)灌次數(shù)等指標(biāo),與堤身斷面、堤身質(zhì)量及土質(zhì)、灌漿土料、工藝設(shè)備等因數(shù)密切相關(guān),必須通過(guò)灌漿試驗(yàn),并應(yīng)按試驗(yàn)結(jié)果修正設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 劈裂灌漿工藝流程

3.1 造孔

根據(jù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)確定的孔距,沿堤身軸線用皮尺量距,定位布孔,縱向偏差小于5cm,上下游偏差低于3 cm,鉆孔偏斜度不大于孔深的 2%。

3.2 制漿及灌漿

制漿、灌漿應(yīng)同步進(jìn)行。制漿應(yīng)經(jīng)過(guò)攪漿、篩漿、拌漿等工序,除去大顆粒砂石及雜質(zhì),以確保漿液連續(xù)均勻供應(yīng),同時(shí)應(yīng)測(cè)定泥漿密度和粘度,若不符合要求,應(yīng)調(diào)整水土比;灌漿采用孔底注漿、全孔灌注的方法,灌漿應(yīng)按先稀后稠的原則,并按照試驗(yàn)確定灌漿序次、復(fù)灌次數(shù)和間隔時(shí)間進(jìn)行復(fù)灌。

3.3 終灌及封孔

灌漿結(jié)束過(guò)早,可能在堤防中留下隱患,過(guò)長(zhǎng)延長(zhǎng)灌漿時(shí)間,不僅浪費(fèi)材料,而且會(huì)帶來(lái)不利因素,因此,正確選擇結(jié)束時(shí)間很有必要。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)復(fù)灌次數(shù),隨著復(fù)灌次數(shù)的增加,吃漿量越來(lái)越少(小于 0.03m3/m in),每次灌漿歷時(shí)越來(lái)越短,直至灌漿歷時(shí)很短、吃漿量很少,堤頂開始冒漿2～3次,不能再繼續(xù)施灌,此時(shí)可確定為灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。封孔時(shí)向注漿孔內(nèi)連續(xù)注入容量大于 1.6 t/m3的稠漿,直至漿面不再下降為止,并用干土封堵?lián)v實(shí)。

4 灌漿中易出現(xiàn)的問(wèn)題及處理措施

在灌漿過(guò)程中,易出現(xiàn)裂縫、塌坑、冒漿、串漿、機(jī)械故障等現(xiàn)象,應(yīng)對(duì)此加以控制和處理。

4.1 裂縫處理

在灌漿期間堤頂出現(xiàn)了縱向縫,若因堤身填土碾壓質(zhì)量差,泥漿析水引起堤身土濕化變形的濕陷縫,可繼續(xù)灌漿不做處理;若為劈裂縫則應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè),當(dāng)裂縫發(fā)展到1 cm～2 cm寬時(shí),可沿裂縫開挖、填土夯實(shí),形成阻漿蓋,或適當(dāng)降低孔口壓力,采取少灌多復(fù)的辦法,嚴(yán)格控制最大裂縫不超過(guò)3 cm。當(dāng)裂縫達(dá)到3 cm時(shí),應(yīng)立即停灌,待裂縫基本閉合后再灌。如果出現(xiàn)橫向或斜向裂縫,必須停灌檢查,并采取沿裂縫開挖、回填粘土夯實(shí)或沿裂縫鉆 2個(gè) ～4個(gè)孔灌入較稠的壓力泥漿,促使被灌土區(qū)變形穩(wěn)定。

在堤防彎曲段,因?yàn)榈谭纼?nèi)部應(yīng)力比較復(fù)雜,易出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。對(duì)于這種堤段,一般需單獨(dú)處理。

4.2 塌坑處理

局部堤防在灌漿期間出現(xiàn)塌坑,應(yīng)立即停灌,3d～5d后可在塌坑的四周打孔灌注稠漿,然后在坑內(nèi)分層填土夯實(shí)。

4.3 冒漿處理

因堤身存在裂縫、洞穴等隱患,灌漿期間堤坡、堤頂?shù)瘸３霈F(xiàn)冒漿。對(duì)堤坡冒漿可采取在原灌漿孔內(nèi)用濃漿間歇性灌漿的方法處理,對(duì)灌漿初期的堤頂冒漿,可采取降低灌漿壓力和輸漿量或在冒漿處作阻漿蓋阻止冒漿,灌漿后期的堤頂冒漿可不處理。

4.4 串漿處理

灌漿中出現(xiàn)串漿時(shí),應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè),分析其對(duì)堤身的整體和局部安全是否有影響,在確認(rèn)對(duì)堤防安全無(wú)影響時(shí),可采取對(duì)灌漿孔口和串漿孔同時(shí)灌漿,或在串漿孔口加木塞,然后繼續(xù)灌漿。

4.5 機(jī)械故障

發(fā)生機(jī)械故障時(shí),要及時(shí)進(jìn)行處理,避免灌漿工作不能實(shí)施或達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

5 劈裂灌漿質(zhì)量檢驗(yàn)

按照施工記錄分別統(tǒng)計(jì)出每孔吃漿量及相應(yīng)的漿液稠度,可計(jì)算得每孔干土灌入量及平均每米孔深干土灌入量。在實(shí)際工程中常用探坑檢測(cè)法,當(dāng)灌漿結(jié)束后20d左右,在施工區(qū)內(nèi)隨機(jī)挖一定數(shù)量的探坑,檢查漿脈是否清晰、連續(xù)、均勻和固結(jié)效果,主漿脈和影響帶寬度,以及漿液在縫內(nèi)、孔隙內(nèi)充填情況及漿體結(jié)構(gòu)與原堤結(jié)合情況等,并垂直主漿脈取土樣做室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)及顆分、液塑限試驗(yàn)等。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,劈裂灌漿技術(shù)是一項(xiàng)適用性很強(qiáng),施工方便、造價(jià)低的堤身防滲技術(shù),因此被廣泛推廣,特別是對(duì)于堤身孔洞較多的土堤,可以充分發(fā)揮其充填、擠壓作用。

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