河堤土壩防滲治理中劈裂灌漿技術的應用

李存田 利川市毛壩鎮水利水產管理站

1.問題的提出

某河位于某市北郊未央區和灞橋區境內，堤防段長度為21.47km，原河堤土壩因修建時間早，設防標準偏低，工程隱患多，必須進行河堤土壩防滲加固處理，以便顯著提升河流南岸現狀防洪能力。河堤堤防工程為Ⅰ級土壩，堤壩頂寬46.5m，該堤防標段加固工程共包括20個標段。河堤土壩主要由散粒性材料構成，存在孔隙較大，透水性強的問題，水通過河堤堤身和土質堤基內部孔隙便形成滲流。結合工程實踐，堤身滲流水流表面主要表現為曲線形態，即所謂的浸潤線，浸潤線之下的壩體孔隙處于充滿水的狀態，使壩體遭受上浮力和浸透力的共同作用。在上浮力的作用下壩體土重量減輕，抗剪強度降低，堤坡發生滑動的可能性增大；在滲透力的影響下土粒及土壩滲透坡降和滲透壓力增大，導致壩體移動，同時土壩內土粒大量被滲水帶走流出后會造成管涌、流土等滲透變形，嚴重威脅河堤土壩運行安全與穩定。

對于此類病害，通常采用土壩劈裂灌漿加固技術，即沿土壩軸線布置1～2排或多排注漿孔，使其穿過河堤土壩滲漏區，并通過逐步加密方式逐段灌漿，嚴格按照設計要求確定注漿壓力，以保證注漿漿液能順利進入裂縫。通過注漿使各注漿孔劈裂裂縫能彼此銜接，填充漿液后使其形成一道“薄墻”，部分漿液進入河堤土壩土體孔隙，并對周圍土體施加壓縮應力，使其擠密壓實。灌漿結束后漿液在河堤土壩回彈應力及材料自重的綜合作用下析水固結，并最終形成以孔隙中“漿石體”為主，以滲入體和擠密體為輔的隔水性帷幕結構，達到河堤土壩防滲加固的目的。

2.劈裂灌漿施工技術要點

2.1 灌漿孔的布置

結合類似工程施工經驗，均質土壩及心墻漏水通常由兩類原因引起，一是壩體土料填筑碾壓時施工質量未達到設計要求的密度水平，二是壩體沉降量過大，導致其壩肩等壩高突變區域出現順河流方向的貫穿性橫向裂縫。對于此類橫向裂縫，通常只需局部布孔、灌漿加固，而如果在橫向裂縫之外，壩體內部也存在裂縫，則除應進行局部性灌漿加固外，還應進行壩體全線劈裂灌漿。

對于局部布孔灌漿而言，應在裂縫范圍內參照固結灌漿以面狀均勻布置注漿孔群，并注漿，充填裂隙，以減小河堤土壩不均勻沉降。對于全線劈裂灌漿通常只在壩軸線下游距離1～2m的位置與壩軸線平行布置1排注漿孔，孔距控制在5～10m。如果要布置2排孔，則應分別在上下游排沿軸線布置，排距應為2.0m，孔深不超過22.5m，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個序次孔施灌，各序次孔孔距分別為20m、10m和5m，且各序次孔注漿次數至少5次，注漿壓力控制在0.05～0.25MPa范圍內。設計孔深必須穿過土壩壩體全部滲漏層，并銜接于不漏水層，盡量保證孔向垂直，以確保各序次孔劈裂灌漿后能達到貫通效果。

2.2 造孔

本河堤土壩以土料為填筑料，造孔相對容易，采用常規輕型鉆機即可。本工程主要使用帶錐頭的φ50mm鉆桿進行錐探干法造孔，通過鉆頭直接錘擊至孔底，并逐步上拔灌漿，使錐頭繼續留在孔底。將灌漿施工孔位和設計孔位偏差控制在10cm以內，對于鉆孔偏斜度超出設計規定的情況，必須采取有效措施及時補救；深孔鉆進造孔時，必須以孔深20m以內的偏差為控制重點。造孔施工過程中若出現掉鉆、塌孔、涌水、鉆速突變等突發情況，必須立即停鉆，查明并記錄原因，采取有效措施處理并解決后再恢復造孔。造孔結束后清孔、洗孔，將孔底沉積層厚度控制在20cm以內，并覆蓋孔口妥善保護，防止污水及雜物落入。

2.3 漿液制備

本河堤土壩劈裂灌漿土料采用工程所在地較為常見的輕質黏土，在灌漿施工初期不摻加水泥，而在此后的反復灌漿施工階段適量摻加強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，以加速漿液凝固，提升后期強度。如果水泥摻加量過多會出現骨架漿體現象，增大土壩壩體回彈壓實難度，并會因漿脈密度降低而無法適應壩體變形，為此，本工程應將水泥摻量控制在15%。若灌漿土料含量較高，既會增大造漿難度，又會延長析水時間，降低漿體密度及其防滲性能。本工程漿液中粒徑＜0.005mm的粘粒含量應控制在25%～35%內，中細砂含量控制在10%～20%內，灌漿土料塑限取20%，液限取30%，有機質含量＜2%，可溶鹽含量＜8%。

漿液通過專用攪拌機制備，經高速攪拌后的漿液穩定性好，漿體防滲性強，且漿液各項性能均符合設計及規范要求，漿液物理力學指標詳見表1所示，為提升漿液流動性，應按干土重量的0.5%～1.0%摻加水玻璃。

表1 漿液物理力學指標

2.4 灌注

河堤土壩劈裂灌漿分次序逐步加密，各灌漿孔均由下至上分段灌注，即先將置入的注漿管提起，使其與孔底相距2～3m后進行首段灌漿，此后按設計要求反復灌注，完成后再將注漿管上提3～4m進行第二段灌漿，如此循環往復，直至完成各注漿孔灌漿施工。在本土壩所采用的劈裂灌漿施工方式下，漿液從管底壓出，劈裂灌漿從孔底最低處開始，并逐段向上延伸，有助于實現“內劈外不劈”的灌漿效果，同時應通過控制注漿速率和注漿量，限制劈縫過快延伸等措施防止劈縫延伸至壩頂導致冒漿。設計要求的“泥墻”厚度必須經過多次重復灌漿施工才能逐漸達到。

對于鉆孔深度超出10m的壩段采用孔底注漿全孔封閉灌漿施工時，若劈裂灌漿壓力過小，則土壩壩頂會發生劈裂，導致注漿孔內出現上裂下不裂的情況，無法取得理想的劈裂灌漿加固效果。為避免發生串漿和冒漿，必須嚴格按照設計次序灌漿，待Ⅰ序孔結束灌漿后再開始Ⅱ序孔灌漿，且應保證漿液先稀后濃，待壓力表指針發生突降，說明已經達到劈裂效果，則調整漿液濃度。為保證灌漿效果，避免土壩壩體在灌漿施工過程中發生嚴重變形和破壞性位移，應加強監測，在土壩壩體及壩端等處設置位移變形觀測點，進行定期監測和監測數據分析。

3.劈裂灌漿治理效果檢測

通過對監測數據及觀測記錄的分析，河堤土壩灌漿孔間劈裂縫搭接率均在86%以上，劈裂縫寬度在5～12mm，注漿孔吃漿量為3.21m3/孔。灌漿結束后隨機開挖三個長、寬、深為2.0m、1.0m和2.0m的檢測坑，深坑內皮裂縫均從注漿孔底貫穿至堤頂，且漿脈清晰，漿液固結體緊致密實，灌漿效果良好。

考慮到河堤土壩壩體灌漿加固施工過程的安全性，應按照《土壩壩體灌漿技術規范》相關要求進行施工期內全線劈裂灌漿最不利工況進行壩坡穩定驗算，公式如下：

式中：K—河堤土壩安全系數；R—滑弧半徑（m）；αi—土條中心重力線和底面中點半徑夾角（°）；Φi—土壩壩體土不固結飽和快剪強度（MPa）；ci—土壩壩體土固結飽和快剪強度（MPa）；Li—Wi—土條實際重量（kg），Wi=ri bi hi，其中hi為土條實際高度（m），bi為土條實際寬度（m），ri為土條實際容重（N/m3）；R'—滑弧圓心至泥漿柱壓力圖合力線垂距（m）；E—劈裂灌漿內漿液對滑動體壓力合力，可通過泥漿柱壓力圖面積表示，

γ'為漿液容重（N/m3），h'為滑裂面以上泥漿柱實際高度（m）。

將本河堤土壩劈裂灌漿施工參數代入式（1）便可求得土壩安全系數K取1.084，比規范所規定的1.00大，表明本土壩劈裂灌漿防滲加固處理后土壩壩體施工質量符合穩定性要求。

4.結論

通過本文對具體工程河堤土壩劈裂灌漿防滲加固處理問題的探討表明，劈裂灌漿施工技術具有施工設備簡單輕便、操作容易，過程可控，灌漿材料可就地取材，防滲加固效果好，造價低廉等技術優勢，且適用范圍廣；可以在原土壩壩體應力無需釋放的情況下構建起豎直且連續的漿體防滲帷幕，并能根據原土壩壩體質量的好壞程度進行漿脈厚度及土條條數的調整，能有效充填和漿脈連通的裂縫、孔洞、砂層等病害段，具有其他防滲加固技術所不具有的優勢。