南水北調中線工程弱膨脹土填方渠堤裂縫灌漿技術研究

周學友，田振宇，寧昕揚，常兆廣，孫統領

摘要：為探索適用于南水北調中線工程弱膨脹土填方渠堤裂縫的有效、快速灌漿修復方法，通過現場灌漿試驗，設計并分析灌漿材料、漿液配比、灌漿壓力和灌漿孔布置對裂縫灌漿效果的影響。結果表明：對于堤頂路面的細、淺裂縫，宜采用超細水泥、弱膨脹土、粉煤灰3種材料，按水固比1.0～1.2且水泥、粉煤灰、弱膨脹土分別占42%、28%、30%的漿液配比，以無壓貼嘴灌漿方式進行修復；對于堤頂路面的細、深裂縫，宜選擇同上的漿材和比例配置混合漿液，采用單排孔騎縫有壓灌漿進行修復，孔距不大于1 m，灌漿壓力控制在50 kPa以內；對于堤頂路面的寬、深裂縫，宜選擇水泥、弱膨脹土2種材料，采取“先稀后稠”原則進行灌漿修復。研究成果可應用于后期的工程運行維護，并可為其他工程膨脹土填方渠堤裂縫修復提供參考。

關鍵詞：弱膨脹土； 填方渠堤； 裂縫； 灌漿修復； 施工工藝； 南水北調中線工程

中圖法分類號：TV543文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.008

文章編號：1006-0081（2023）09-0051-06

0引言

膨脹土是一種對環境濕熱變化敏感的高塑性黏土，具有脹縮性、裂隙性等重要特性。在降雨和蒸發作用下，膨脹土反復脹縮變形導致裂隙萌生和發展，最終形成錯綜復雜的裂隙網絡。裂隙的產生破壞了膨脹土的完整性，降低了土體強度，促進膨脹土力學性能進一步劣化，為雨水侵入和土中水分蒸發提供便捷通道，從而影響膨脹土的整體強度和工程結構穩定，對工程安全造成巨大的危害［1-3］。因此，在膨脹土渠堤工程中，通常需要在發現裂縫至裂縫加速發育的短暫窗口期和不影響渠道運行的前提下完成渠堤裂縫修復工作［4-5］。

目前國內外針對渠堤裂縫的處理主要為開挖回填加固、開挖回填結合灌漿加固等措施［6-7］，存在施工速度慢、影響堤頂交通、處理效果不持久等問題，且以弱膨脹土填方渠堤裂縫為對象的快速有效治理技術研究較少［8］。基于此，本文結合室內模型試驗成果，開展現場裂縫灌漿試驗，探索有效的灌漿方法與快速施工工藝，為工程運行期后續渠堤裂縫修復提供參考。

1工程概況

南水北調中線渠首分局轄區工程中膨脹土渠段全長149.48 km，占渠道總長的84.5%。該工程渠道自2014年12月運行以來，部分填方渠道堤頂路面出現1條連續性或多條間斷分布的縱向、橫向裂縫，最大寬度為4～5 mm，長度為2～20 m，深度為0.3～3.5 m不等；下游邊坡中上部出現沿渠堤軸線間斷分布的縱向裂縫，多數土體表面裂縫最大寬度1～2 cm，縫長0.5～2.0 m，并在周邊伴隨直徑2～5 cm、深約20 cm以上的洞穴。目前工程主要采用無壓灌漿和人工開挖回填的方式對裂縫開展修復，但存在可灌性不穩定、灌漿效果不持久、影響道路通行等問題，因此亟需改善灌漿方式及工藝。

2弱膨脹土填方渠堤裂縫灌漿難點

（1） 運行條件下的快速施工工藝問題。灌漿是渠坡裂縫綜合處理方式之一［9-11］，通常適用于縫寬、縫長、縫深較小的裂縫發育初期。由于裂縫前期較為隱蔽，且發現裂縫至裂縫加速發育的間隔短暫，留給裂縫修復施工的時間較短；同時，為保證渠堤下游邊坡穩定安全和運行期堤頂日常交通，鉆孔、灌漿設備的體積、重量和灌漿壓力受到一定限制。因此，探索輕便設備和快速的施工工藝是一項重要課題。

（2） 不同特性裂縫灌漿的漿液配置問題。渠堤裂縫的寬度、深度普遍差異較大，為此需要配置不同的灌漿漿液。工程運行初期，裂縫修復通常采用單一配比的水泥漿液，針對性不強，經常會出現縫寬灌不滿、縫細灌不進等問題［12-14］，難以保證灌漿效果。因此，裂縫灌漿對漿液的選材及其配比提出較高要求。

（3） 重要輸水工程環保要求高。灌漿材料必須符合南水北調中線工程的環保要求，對有毒或低毒的化學材料應限制使用［15］。

3灌漿試驗

針對不同特性裂縫灌漿的漿液配置問題，采用無毒環保的超細水泥材料，對比分析不同灌漿材料組合、不同灌漿形式下的灌漿效果，探究快速、有效的灌漿工藝。

（1）灌漿試驗段孔位布置。針對不同特征裂縫，灌漿試驗分A，B，C，D共4組，均位于某跨渠公路橋附近（樁號K49+536），其中A，B組位于渠堤頂，C，D組位于渠堤下游邊坡。A組為水泥-弱膨脹土漿液和水泥-粉煤灰-弱膨脹土漿液組合對比灌漿區，B組為細小裂縫、寬大裂縫在不同漿液配比和不同布孔方式下的對比灌漿區，C組為有壓、無壓對比灌漿區，D組為水泥-粉煤灰-弱膨脹土漿液的不同配比對比灌漿區。

（2）灌漿材料。根據室內試驗成果，灌漿材料選用水泥-弱膨脹土漿液和水泥-粉煤灰-弱膨脹土漿液，弱膨脹土、超細硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰技術指標要求見表1～3。

（3） 灌漿主要設備。考慮裂縫修復的便捷和高效施工，選擇的便攜灌漿設備主要有手持鉆機（鉆頭直徑5～10 cm）、小型有壓灌漿機（帶測壓計）、馬氏漏斗（用于灌漿前檢測制備漿液的黏度）各一件。

（4）灌漿方法。具體包括貼嘴無壓灌漿和純壓封閉灌漿。① 無壓灌漿組采用貼嘴式充填灌漿法，即灌漿嘴緊貼裂縫口的灌漿方式，具體施工工序：清理并探測裂縫→沿縫鑿出淺V型灌漿口→根據裂縫形態選擇注漿嘴（扁平型或圓口型）→制備漿液→灌漿后封孔→灌漿觀測。② 有壓灌漿組采用純壓式孔口封閉灌漿，具體施工工序：清理并探測裂縫→施工期縫寬監測→鉆孔取芯→分析土體裂縫發育情況→灌漿孔布置、注漿栓塞安裝→制備漿液→灌漿后封孔→灌漿觀測。

（5）灌漿壓力。渠堤堤頂路面裂縫灌漿和下游土坡裂縫有壓灌漿壓力按50 kPa控制。

4試驗結果分析

灌漿完成并養護漿液3～7 d后，通過鉆孔取芯、開挖探坑等方式分析裂隙填充程度、漿液擴散半徑、強度和滲透性等，進而綜合評定灌漿效果。

4.1裂隙填充程度

整理試驗段裂縫不同試驗方案灌漿后，檢測土樣的干密度和孔隙率，分析裂縫灌漿對土體空隙的填充效果，芯樣檢測結果見表4～5。

4.1.1灌漿材料對灌漿裂隙填充效果影響

A1，A2試驗組均為無壓灌漿，A1試驗組灌漿后，0.5～0.7 m深土樣孔隙率為43.3%，與灌漿前的A0組相應土樣相比，孔隙率減小了1.1%；A2試驗組灌漿后，0.5～0.7m深土樣孔隙率為42.7%，與灌漿前的A0組相應土樣相比，孔隙率減小了1.7%。由以上分析得出：超細水泥、弱膨脹土、粉煤灰這3種材料的混合漿液對裂隙的填充效果好于超細水泥、弱膨脹土2種材料的混合漿液。

4.1.2灌漿壓力對裂隙填充效果影響

A組試驗方案中，A1和A2采用無壓灌漿后，與A0相比，邊坡土體的孔隙率從44.4%分別降至43.3%與42.7%；A3組灌漿材料及配比同A2組，采用有壓灌漿后，其與A2相比，邊坡土體的孔隙率從42.7%降至40.3%，裂隙填充效果優于無壓灌漿。

C組試驗方案中，C1采用無壓灌漿后，對比C0邊坡土體的孔隙率從45.3%最大降至43.4%，變化微小，裂隙填充效果較差；C2和C3均為有壓灌漿，與C0相比，灌漿后孔隙率分別降至約40.2%與40.3%，裂隙填充效果優于C1。

4.1.3鉆孔布置對裂隙填充效果影響

C2和C3均為有壓灌漿，其中C2鉆孔采用單排豎孔、騎縫布置，C3鉆孔采用兩排孔斜孔、梅花型布置，孔距均為0.3 m。灌漿后，C2和C3在相同取樣深度的土樣孔隙率相差約0.1%，裂隙填充效果基本相同。

4.1.4漿液黏稠度對裂隙填充效果影響

B組試驗針對堤頂路面細小裂縫，采用水泥-粉煤灰-弱膨脹土灌漿材料，分別配置水固比為1.2，1.1，1.0的B1，B2，B3試驗漿液，經現場用馬氏漏斗黏度計測量，得到3種漿液的黏度依次為28，35，41 s。B1～B3試驗段灌漿后0.3～0.5 m深土樣的孔隙率依次為41.0%、42.3%、43.4%，與灌漿前相比分別降低了3.2%、1.9%、0.8%。由此可見，黏度達到41 s以上的水泥-粉煤灰-弱膨脹土混合漿液對堤頂路面細小裂縫基本無填充效果。

D組試驗針對土坡裂縫，采用水泥-粉煤灰-弱膨脹土灌漿材料，分別配置水固比為1.0，0.9的D1，D2漿液，測得兩種漿液黏度依次為35，42 s。D1，D2組灌漿后0.3～0.5 m段土樣孔隙率分別為41.8%與44.3%，與灌漿前土樣D0相比，孔隙率依次降低約3%與0.5%。由此可見，黏度達到42 s以上的水泥-粉煤灰-弱膨脹土混合漿液對土坡裂隙基本無填充效果。

4.2漿液擴散半徑

為確定漿液的擴散半徑，灌漿后，在相鄰灌漿孔中間位置進行取樣檢測，漿液在土樣中的分布形態及含量統計詳見表6。

A組試驗段中，A3和A4試驗段分別采用1.0 m和1.2 m孔距，對比分析灌漿后芯樣：A3土樣中含漿段長約0.35 m，漿液在土樣中呈條帶狀分布；A4土樣中含漿段長約0.10 m，漿液在土樣中呈粒狀分布，如圖1（a），（c）所示。由此說明，針對堤頂路面裂縫，采用試驗方案的鉆孔布置及50 kPa灌漿壓力，灌注漿液可以填充裂縫范圍內土體大部分孔隙，其漿液擴散半徑平均約為0.5 m。

D組試驗段中，D1和D2試驗段分別采用0.3 m和0.4 m孔距，對比分析灌漿后芯樣：D1土樣中含漿段長約0.40 m，漿液在土樣中呈條帶狀分布；D2土樣中含漿段長約0.10 m，漿液在土樣中呈粒狀分布，如圖1（b），（d）所示。由此說明，針對堤防下游土坡上裂縫，按照試驗方案的鉆孔布置及50 kPa灌漿壓力，灌注漿液可以填充裂縫范圍內土體大部分孔隙，其漿液擴散半徑平均約為0.3 m。

4.3滲透性分析

通過滲透儀、四連剪切儀檢測了土樣滲透性、抗剪強度等物理力學參數，如表7所示。4組試驗土樣滲透系數變化見圖2。

A組試驗中，與A1相比，A2的滲透系數降低為其63.0%，表明水泥-粉煤灰-弱膨脹土漿液改善土體滲透性的作用更優；與A0相比，A2和A3的滲透系數分別降為其32.7%與18.5%，表明有壓灌漿在改善土體滲透性上更優；與A0相比，A4滲透系數降為其91.5%，表明堤頂路面裂縫灌漿孔間距超1.2 m時，土體灌漿的防滲效果不明顯。

B組試驗中，B1，B2，B3水固比分別采用1.2，1.1和1.0，滲透系數相應降低為灌漿前的35%、40%、60%。結果表明：漿液水固比低于1.0時，灌漿改善土體滲透性的效果較差。

C組試驗中，C2，C3灌漿后土樣滲透系數相差微小，表明采用單排豎孔或雙排梅花型布置斜孔進行有壓灌漿時，二者對土體滲透性的改善效果接近。

D組試驗中，D3滲透系數降為D0的96.0%，表明土坡灌漿孔布置超過0.3 m間距時，灌漿防滲效果不明顯。

4.4強度分析

A組試驗中，A2，A3較灌漿前A0土樣的黏聚力、內摩擦角均有所增大；與A1相比，A2試驗段灌漿土樣的黏聚力、內摩擦角稍小，表明水泥-弱膨脹土漿液灌漿后的土體強度要高于水泥-弱膨脹土-粉煤灰漿液。

B組試驗中，B1～B3試驗段土體的抗剪強度隨著漿液水固比的減小而增大，表明在保證可灌性的同時，應盡可能減小水固比。

5灌漿形式與施工工藝

通過現場灌漿試驗研究，確定了適用于南水北調中線渠首工程膨脹土填方渠堤裂縫的灌漿形式和施工工藝。

（1） 針對路面細、淺裂縫的堤頂，宜采用超細水泥、弱膨脹土、粉煤灰3種材料，按水固比為1.0～1.2且水泥、粉煤灰、弱膨脹土分別以42%、28%、30%的比例配置混合漿液，用無壓貼嘴灌漿方式完成修復。

（2） 針對路面細、深裂縫的堤頂，宜選擇與（1）相同的漿材和比例配置混合漿液，采用單排孔騎縫有壓灌漿完成修復，孔距不大于1 m，灌漿壓力控制在50 kPa以內。

（3） 針對路面寬、深裂縫的堤頂，宜選擇水泥、弱膨脹土2種材料，采取“先稀后稠”原則進行灌漿修復。稀漿液水固比為1.2，稠漿液水固比為0.9～1.0，水泥與弱膨脹土的比例為6∶4，鉆孔方式和灌漿壓力控制在50 kPa以內。

（4） 針對渠堤下游土坡裂縫，采用與（1）相同的漿材和比例配置混合漿液，應用單排孔騎縫有壓灌漿，孔距0.3 m，灌漿壓力控制在50 kPa以內，可有效完成修復。

6結論

本文研究了不同裂縫灌漿方法和工藝，將渠堤裂縫劃分為堤頂路面細淺裂縫、堤頂路面細深裂縫、堤頂路面寬深裂縫、渠堤下游坡裂縫4種類型，并分類采取不同灌漿處理方式，進而實現快速施工響應。研究成果可應用于南水北調中線膨脹土段渠堤工程的后期運行和維護，并可為其他工程膨脹土填方渠堤裂縫修復提供參考。

參考文獻：

［1］冷挺，唐朝生，徐丹，等.膨脹土工程地質特性研究進展［J］.工程地質學報，2018，26（1）：112-128.

［2］朱洵，李國英，蔡正銀，等.濕干循環下膨脹土渠道邊坡的破壞模式及穩定性［J］.農業工程學報，2020，36（4）：159-167.

［3］王斯海，趙貴濤，袁昌成，等.酸堿環境下膨脹土脹縮變形規律研究［J］.人民長江，2022，53（10）：175-182.

［4］袁俊平，陳劍.膨脹土單向浸水膨脹時程特性試驗與應用研究［J］.河海大學學報（自然科學版），2003，31（5）：547-551.

［5］李磊.膨脹土膨脹變形試驗研究［D］.鄭州：華北水利水電大學，2015.

［6］寧昕揚，曾俊，呂國梁.引江濟淮工程菜巢線分水嶺段弱膨脹土邊坡柔性綜合防護方案［J］.水利水電快報，2022，43（5）：67-72.

［7］馮光愈，王湘凡.南水北調中線工程——總干渠膨脹土邊坡穩定問題［J］.1993（3）：9-14，64.

［8］艾東，司春霞，呂士展，等.膨脹土-超細水泥-粉煤灰灌漿材料性能試驗研究［J］.人民長江，2023，54（4）：198-204.

［9］盧坤林，朱大勇，楊揚.邊坡失穩過程模型試驗研究［J］.巖土力學，2012，33（3）：778-782.

［10］夏炎，劉海笑，劉軍.膨脹土地區土工膜結合抗滑樁結構在滑坡治理與橋梁樁基防護中的應用［J］.巖土工程學報，2016，38（增1）：248-252.

［11］趙建軍，黃潤秋，巨能攀.某水庫溢洪道邊坡變形破壞特征及治理對策研究［J］.成都理工大學學報（自然科學版），2007，34（2）：190-194.

［12］羅平平.裂隙巖體可灌性及灌漿數值模擬研究［D］.南京：河海大學，2006.

［13］朱建輝，田宇宏.聚合物改性超細水泥灌漿材料性能研究［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2008，40（6）：759-763.

［14］李國忠，張水.聚合物水泥基灌漿材料的性能研究［J］.建筑材料學報，2010，13（6）：744-748.

［15］王紅霞，王星，何廷樹，等.灌漿材料的發展歷程及研究進展［J］.混凝土，2008（10）：30-33.

（編輯：江燾，高小雲）

Study on crack grouting technology of weak expansive soil filling canal embankment in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

ZHOU Xueyou1，TIAN Zhenyu2，3，NING Xinyang2，3，CHANG Zhaoguang1，SUN Tongling1

（1.Head Section，Middle Branch of China South-to-North Water Diversion，Co.Ltd.，Nanyang 473000，China；2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；3.Key Laboratory of Water Network Engineering and Dispatching，Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to explore an effective and rapid grouting repair method suitable for weak expansive soil filling canal embankment cracks in the jurisdiction of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project，the on-site grouting test methods was used to design and analyze the effects of grouting materials，slurry ratio，grouting pressure，and grouting hole arrangement on crack grouting effectiveness.The test results showed that：for the fine and shallow cracks on the embankment top road surface，the ultra-fine cement，weak expansive soil and fly ash were recommended for grouting，and the repair should be carried out by using a water-solid ratio of 1.0 to 1.2，cement slurry proportion of cement，fly ash，and weak expansive soil for 42%，28%，and 30%，respectively，and adopted non-pressure grouting method.For fine and deep cracks on the top of the embankment road surface，the same slurry material and proportion were recommended for grouting，and the pressure grouting with single row hole should be used for repairing the hole spacing of less than 1 m and a grouting pressure controlled within 50 kPa.For the wide and deep cracks on the embankment top road surface，cement and weak expansive soil were recommended for grouting，with the grouting repair principle of "thinning first and then thickening".The research results can be applied to the later engineering operation and maintenance，and can be a reference for repairing cracks in the expansive soil filled canal embankments in other projects.

Key words： weak expansive soil； fill canal embankment； cracks； grouting repair； construction technology； Middle Route of South-to-North Water Diversion Project