錐探灌漿試驗在南水北調工程渠堤高填方施工中的應用

范 春 艷， 周 超, 原 鵬 飛

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

南水北調中線干線漳古段SG09標工程位于河北省邢臺市內丘縣境內，主要建筑物級別為I級。左岸排水建筑物的設計防洪標準為50年一遇，校核防洪標準為200年一遇。總干渠過水斷面采用梯形斷面，按挖填類型分為挖方、半挖半填和全填方三種斷面形式。設計底寬為22～26 m，設計邊坡坡比為1∶0.3～1∶2。渠道設計流量為220 m3/s，加大流量為240 m3/s，渠道設計水深6 m，渠段縱坡為1/18 000～1/25 000。

主干渠渠道高填方段通過分層碾壓施工而成，在填筑過程中受人為控制因素影響較大，施工過程中很容易存在局部碾壓不到位、層間局部有光面、顆粒不均產生架空等現(xiàn)象，而且因層間光面、局部架空等引起的滲漏通道很難被發(fā)現(xiàn)。因此，高填方區(qū)極易產生沉降，進而發(fā)生剪切破壞而影響到土體的整體性及抗?jié)B性。因此，在渠道修建完成后，經多方論證，對原高填方渠段的防滲方式進行了優(yōu)化，采用錐探灌漿方式以提高其抗?jié)B能力。

錐探灌漿主要用于水利工程中的土壩、河流和渠道堤防施工。錐探灌漿采用錐探機械作用于帶勺型鉆頭的鉆桿上擠壓土質渠堤成孔，然后將按比例拌制好的膨潤土泥漿由泥漿泵加壓后經輸漿管順堤頂預先打好的孔口灌入堤身，用以充填密實堤身內部存在的裂隙、土質松散等，以達到消除滲漏、提高堤防自身抗?jié)B能力的目的，確保渠堤的安全運行。

2 錐探灌漿試驗

為保證全渠道高填方段錐探灌漿施工的順利進行，相關單位和部門集中優(yōu)勢力量優(yōu)先組織進行了錐探灌漿試驗。此次工藝試驗的試驗段為主干渠渠堤高填方段的一部分(樁號139+790～139+840.25段右岸渠堤)，總長度為50.25 m。自堤頂向下1～5.6 m為分層碾壓土層，施工后的壓實度為0.98；5.6～7.6 m為原始土層，灌漿深度為堤頂至原始土層以下2 m。

2.1 錐探灌漿試驗的目的

為確保錐探灌漿達到預期效果，應對灌漿材料、漿液配合比、鉆孔設備、灌漿時間間隔、制漿和灌漿機具等進行試驗選擇。

通過現(xiàn)場試驗確定最優(yōu)的參數(shù)(泥漿的密度、黏度、孔口灌漿壓力、灌漿持續(xù)時間、灌漿量、膨潤土泥漿配合比、合理的灌漿孔間距等)，選擇灌漿的機具與灌漿材料，從而有效指導現(xiàn)場的施工。

2.2 錐探灌漿試驗過程

2.2.1 試驗材料的準備

(1) 試驗土料。因該標段土石方開挖已全部完成，不具備就地取土條件，故本次試驗選用成漿率高、體積收縮率較小、穩(wěn)定性較好的膨潤土。膨潤土由鈣基膨潤土和鈉基膨潤土按試驗確定的比例配置，試驗結果見表1。試驗結果表明：膨潤土較為適宜。黏粒含量較高的土料不易粉碎，泥漿析水性差、固化慢、收縮率大、泥漿容易形成空心柱；黏粒含量較少的土料泥漿膠體低、顆粒粗、容易沉淀，有可能堵塞裂縫和通道。如果黏度很大則含砂量小，密度亦小；反之密度很大則含砂量大，黏度小、失水率大，容易沉淀。從以上分析可以看出：泥漿的密度、黏度、含砂量等指標間的關系密切、相互影響。因此，泥漿的各項指標必須達到規(guī)定的數(shù)值方能用于灌漿。

(2)灌漿用水。灌漿用水采用生活用水，水質滿足《水工混凝土施工規(guī)范要求》(DL/T5144-2015)中的有關條款規(guī)定[1]。

表1 灌漿用膨潤土物理力學性能表

(3)泥漿漿液的設計物理力學性能指標見表2[2]。

表2 漿液物理力學性能表

2.2.2 錐探灌漿試驗工序準備

(1)鉆 孔。

布 孔：錐探灌漿孔采用梅花形布置，孔深為堤頂至原始地面以下2 m，孔徑為50～76 mm，沿渠道橫向共設3排，分別為：堤頂迎水面布置一排錐探灌漿孔，堤頂中間布置一排灌漿孔，堤頂背水面布置一排灌漿孔，排距1.5 m，每排灌漿孔順水流方向的間距為1.5 m。其中堤頂中間的一排灌漿孔布置在渠堤中心線偏迎水面?zhèn)?.3 m，迎水面灌漿孔距渠坡襯砌護肩0.32 m，背水面灌漿孔距路緣石0.8 m，與硅芯管的間距為0.2 m(圖1)。

鉆具的選擇：渠堤填筑壓實度為0.98，非常密實。因普通全液壓錐探機靜壓造孔極為困難，故采用地質回轉鉆機和一臺動力觸探儀干法成孔。

鉆 孔：順渠道軸線方向分段，干法造孔，一次成孔，成孔孔徑為72 mm。用水平尺控制機臺水平以保證造孔的垂直度，孔傾斜度不大于2%，孔位偏差不大于10 cm。成孔后用塑料板將孔口蓋好以防止雜物掉入或堵孔。

(2)注水試驗。錐探灌漿試驗前、后分別進行了3組鉆孔注水試驗，分別獲得錐探灌漿試驗前渠堤填土、灌漿后渠堤填土的滲透系數(shù)用以檢測灌漿效果。試驗孔位ZS-01、 ZS-02、 ZS-03為灌漿前測定， ZS-04、 ZS-05、 ZS-06為灌漿后測定，具體位置見圖1，鉆孔注水試驗結果對比情況見表3。

按照《水利水電工程注水試驗規(guī)程》(SL345-2007)的要求進行注水試驗。一般選擇鉆孔常水頭注水試驗。本工程錐探灌漿渠段為無地下水渠段，采用納斯別爾格公式計算。觀測時間選擇為2 h[3]。

圖1 錐探灌漿試驗段孔位平面布置圖

流量觀測須符合下列規(guī)定：

開始的5次流量觀測間隔時間為5 min，其后每隔20 min觀測一次。

相鄰兩次量測的流量差值不大于10%時可選擇結束試驗，選最后一次灌注流量作為計算值。

當試驗段漏水量大于供水量時，需要一直記錄供水量。

表3 鉆孔注水試驗結果對比表

(3)制漿配合比。采用立式攪拌機高速拌制，將制漿材料稱量誤差控制在2%以內。制漿時，嚴格按照經泥漿配比試驗后確定的配比進行配置(膨潤土泥漿配合比試驗結果見表4)。將水、膨潤土稱重后連續(xù)、均勻地從拌漿機的一端進料口加入，土料在攪拌機內經連續(xù)高速攪拌后在旋轉離心作用下從另一端排漿孔排至轉篩(下設36孔/cm2篩網過濾)內，篩選過的細泥漿流入下設的攪拌筒內，繼續(xù)攪拌，防止?jié){液沉淀。嚴格按照《土壩灌漿技術規(guī)范》 SL564-2014的要求對泥漿的密度、黏度、穩(wěn)定性、膠體率、失水率進行檢測，待其達到設計規(guī)定后備用。泥漿按漿液重力密度12.5～13.5 kN/m3、13.5～14.5 kN/m3、14.5～15.5 kN/m3三種分別進行配置，獨立存儲。按照設計要求選用13.2 kN/m3、14.1 kN/m3、15 kN/m3泥漿分別進行灌漿。泥漿的各項指標必須滿足設計和規(guī)范要求，灌漿施工過程中漿液密度的檢測頻率為1次/h，漿液穩(wěn)定性和膠體率為1次/10 d。若更換漿液材料必須調整檢測頻率。

表4 膨潤土泥漿配合比試驗結果表

2.2.3 灌漿試驗的實施

(1)灌漿方法。本次試驗采用自上而下灌漿法，鉆孔至設計深度7.6 m后提出鉆具，用專業(yè)封孔器封孔。在鉆好的孔中下灌漿管，距孔底0.5～1 m處進行灌漿，灌漿管一定要與鉆孔孔壁緊密結合，防止灌漿時漿液沿孔壁上行至堤頂冒漿。按純壓式灌漿方式連接灌漿管路進行灌漿。灌漿時注意孔口壓力表的讀數(shù)，保證壓力不大于50 kPa，達到壓力后維持10 min，即初灌結束。灌漿過程中，隨時調整封孔器的封閉水壓，防止孔口冒漿[4]。

(2)灌漿順序。灌漿按不同容重泥漿分3段依次進行(圖1)。每段均先灌迎水面一排，然后灌背水面一排，最后灌中間排。灌漿時每排采用2序灌注，灌完Ⅰ序后，再灌Ⅱ序。

(3)灌漿次數(shù)與間隔控制。灌漿采用“先稀后稠、孔底灌漿、少灌多復”的方案。每序每孔一般不少于3次，每孔復灌1～3次；當泥漿升至孔口、連續(xù)復灌三次不再下漿時可終止灌漿，每次灌漿時間間隔為12 h。在灌漿過程中采用灌漿量、灌漿壓力、橫向水平位移等進行控制。孔口壓力應控制在設計允許的最大灌漿壓力之內，避免堤面出現(xiàn)裂縫。復灌采用漿液密度較大的泥漿時，應待前次灌入漿液固結度達到90%時(表現(xiàn)為孔內漿液無明水)方可進行復灌。復灌時間間隔不應少于5 d，復灌次數(shù)可根據前次復灌吃漿量確定。

(4)灌漿壓力與灌漿量觀測。灌漿壓力觀測，在孔口灌漿管上安裝壓力表，灌漿過程中，應及時觀測壓力變化并及時注意記錄瞬時的最大壓力，適時控制灌漿壓力。

進行現(xiàn)場灌漿試驗時，采用鋼尺測量漿筒內的漿液下降量，并根據泥漿桶斷面積分別計算每孔的初灌、復灌量，然后計算出每孔的總灌量。對于每孔每次的灌漿量和總灌漿量均應準確記錄，每次的灌漿量應根據下漿量的大小進行控制。

(5)灌漿結束及封孔。當泥漿升至孔口、連續(xù)三次復灌不下漿即可終止灌注。若一直不能達到結束標準，則需要與監(jiān)理工程師共同商定處理措施。灌漿完畢，應及時進行封孔，方法為向孔內注入漿液重力密度為15 kN/m3以上的稠漿，再用直徑2～3 cm、含水量適中的黏土球分層夯實回填。

3 錐探灌漿試驗過程中出現(xiàn)的問題及采取的應對措施

3.1 串 漿

在整個灌漿工藝試驗過程中出現(xiàn)了兩個異常孔(1-30和2-32)，異常部位位于距堤頂7 m左右并相互貫通，其中1-30孔灌漿量為1.92 m3，2-32孔灌漿量為0.55 m3。針對此情況，技術人員在現(xiàn)場與監(jiān)理單位協(xié)商一致后立即停灌，同時加強觀測。經分析后認為是在施工填筑期間，由于層面間的局部光面結合而產生的橫向細微裂縫所致。后經地質專家現(xiàn)場查勘確認其對堤身無安全隱患后，采用木塞堵住串漿孔，繼續(xù)灌漿[5]。

3.2 壓力表讀數(shù)突然增大

在灌漿過程中，由于操作人員操作的不夠細致，泥漿攪拌不均勻，有成小顆粒狀的泥漿進入灌漿管導致壓力表讀數(shù)突然增大、不進漿，造成輸漿管堵塞。針對此情況，立即采取停灌措施，將灌漿管從灌漿孔提出后用稀漿沖洗，疏通管道，同時嚴格控制泥漿的攪拌均勻程度和泥漿的過濾以保證泥漿的合理指標。

4 結 語

經對灌漿前后的滲透系數(shù)進行對比分析后認為：此次灌漿試驗對填方段層間防滲和原土軟弱層加固起到了很好的作用。

考慮到渠堤填筑段的壓實度較高，靜壓方式成孔難度大，筆者建議：后續(xù)灌漿施工中的成孔設備應采用地質回轉鉆機、動力觸探或風循環(huán)鉆機，干法成孔。灌漿時宜選用口徑合適的水壓式封孔器進行封孔以確保灌漿效果。

孔深宜鉆至填筑段原始地面以下2 m位置，以達到填方段層間防滲的目的，同時又加固了基底原土層的效果。灌漿泥漿漿液重力密度按12.5～13.5 kN/m3控制，封孔泥漿漿液重力密度≥15 kN/m3。