劈裂灌浆技术在堤防除险加固中的应用巫柏霖

劈裂灌浆技术在堤防除险加固中的应用巫柏霖

巫柏霖

化州市水利水电建设管理中心525100

摘要：劈裂灌浆技术在土质堤坝中应用，具有施工简便、造价适宜、防渗效果可靠等优点，所以在堤坝防渗加固工程中得到广泛应用。本文对劈裂灌浆技术机理、参数选择、施工技术进行了分析。

关键词：劈裂灌浆；堤防；除险加固

1引言

目前，我国大约有9.8万座水库，堤防总长度约41.4万km，其中大部分为土堤。土堤的破坏形式除慢顶溢流以外，大部分为渗透破坏。要保证土堤安全就要对病险堤坝进行防渗加固，常用的防渗加固措施包括防渗墙、高喷灌浆、土工膜防渗、灌浆防渗等。其中灌浆防渗以其施工简便、成本低廉的特点，在中小土质堤坝防渗加固工程中获得广泛应用。灌浆防渗早在19世纪初就出现了，通过向地层中挤压浆液起到消除隐患、提高强度的作用。我国在20世纪50～60年代就采用灌浆法对土质堤坝进行除险加固，但纯碎的充填灌浆并不总有效。在总结灌浆法经验教训的基础上，山东省水利科学研究所（现为山东省水利科学研究院）于20世纪70年代中期提出了劈裂灌浆技术方案。该技术一经提出，就以机理明确、工艺合理、工期短、效果好等特点，在中低水头均质土堤坝防渗加固工程中得到推广应用。鉴于劈裂灌浆在土质堤坝防渗加固中的良好效果，本文对劈裂灌浆技术在堤防除险加固中的应用进行了分析。

2劈裂灌浆技术机理

说到劈裂灌浆技术机理，很多人都会讲出这样的机理：因为土堤小主应力面基本上沿堤坝轴线分布，当灌浆压力超过钻孔孔壁劈裂压力时，就会沿堤坝小主应力作用面劈开，泥浆的填充作用，加上堤坝的湿陷固结、浆坝互压效应，堤坝渗透稳定性与内部应力状态得到改善[1]。这是基于弹性力学理论的分析，但除此以外很少有人对劈裂灌浆机理作进一步分析，刘振兴[2]通过试验揭示了劈裂灌浆的详细过程。总体来说，劈裂灌浆是一个先压密、后劈裂的过程。第一阶段是鼓泡压密阶段。在灌浆管孔附近形成椭球形浆泡挤压土体，此时吃浆量少，但压力增长快。第二阶段是劈裂流动阶段。当灌浆压力达到启裂压力后，在阻力最小的小主应力面上产生劈裂流动。主要特征是压力降低很快，并在某一压力值附近摆动。第三阶段是被动土压力阶段。裂缝扩展到一定程度，灌浆压力又开始上升，并出现第二个压力峰值。此时克服水平主应力，产生水平向裂缝，也被称为二次劈裂。该阶段对土体稳定性和刚度的改善帮助很大，也是堤坝加固的关键阶段。可见，劈裂灌浆施工中最重要的控制条件就是劈裂压力。当灌浆压力低于劈裂压力时，只有浆液对土体的挤密作用，而没有劈裂流动现象，浆液加固范围有限。灌浆压力远大于劈裂压力时，会导致被加固堤坝扰动破坏，发生串浆溢流现象。垂直劈裂灌浆压力极限值应满足下式：

（1）

式（1）中，为土的表观密度，为灌浆段深度，为土体内摩擦角，为由边界条件确定的常数。

实际灌浆过程中，因存在灌浆管道压力损耗及灌浆端头浆体堵塞等因素，实际注浆压力一般会大于理论压力。

3劈裂灌浆参数选择

3.1布孔

通常，堤高低于10m时，沿堤线布设单排孔。如果堤身土特别疏松或地形高差较大的堤段也可在主排孔两侧再布置1～2排副孔。堤身高度超过10m时，一般也按低于10m的堤高进行布孔。堤下有涵洞、埋管，初期布孔可采用多排梅花形方式。一般采用二序孔，灌浆堤段较短时也可采用三序孔或四序孔。

3.2孔距

一般情况下，堤高低于10m时，孔距可选择2～3m。堤高超过10m，孔距可采用3～5m。岸坡段、弯曲堤段，应适当减小孔距。

3.3孔深

应根据隐患深度决定孔深，通常主孔深度应大于隐患深度2～3m，或深入到基岩内。副孔深度可参照主孔深度，无隐患时取主孔深度的1/3[3]。

3.4浆幕厚度

通常，堤高低于10m时，浆体幕墙厚度不小于5cm。堤高超过10m时，浆体幕墙厚度不小于10cm。

3.5浆液选择

浆液一般采用黏土浆液，也可根据需要采用水泥黏土浆、纯水泥浆等。黏土以当地适用黏土为宜，不一定是纯黏土，粉质黏土、重粉质壤土、中粉质壤土比较好。浆液配制尽量采用高密度，但也要顾及流动性，通常控制指标：密度1.3～1.6g/cm3；黏度20～100s；24h稳定性0.05～0.1g/cm3；胶体率≥90%。

4劈裂灌浆施工技术

4.1工艺流程

场地平整→放样布孔→分序钻孔→配制泥浆→分序灌浆→复灌（每孔灌5～10次）→终灌→封孔→顶面处理。

4.2施工准备

施工前要对场地、材料、设备进行准备。场地应根据地形、料场、水源、设备情况进行布置，以便于施工、工程质量与人员安全保证、工效提高、运输费用减少为原则。料场储备量应为施工需要量的2～4倍。一般10m以内堤坝多采用冲击式、挤压式钻机，干法钻进；10m以上堤坝采用旋转钻机，湿法钻进。制浆设备采用WJG80、WJ100型搅浆机。此外，还有灌浆泵、水泵、储水箱等设备。

4.3灌浆试验

在正式施工前，应进行灌浆试验，以验证设计参数的合理性，并为正式施工确定工艺数据。试验时，应对制浆、钻孔、灌浆压力等参数进行记录，然后分析总结并确定正式施工的工艺参数。

4.4钻孔

为了避免孔口开裂或冒浆，应作阻浆盖，方法是在堤坝轴线处挖出宽0.7m、深1.5m的沟槽，然后填土夯实。根据设计要求放出孔位，要求孔位偏差≤50mm。钻孔时，要保证孔的垂直度，一般要求孔底偏斜率不超过2%。

4.5制浆

制浆有干法制浆、湿法制浆两种方式，通常后者更为方便，也应用更广。制浆主要通过密度进行控制，按照试验确定的水土比与密度的关系进行调配。为加快固结速度，可加入15%以内的水泥；为改善泥浆流动性，可加入干土重0.5%～1%的水玻璃。

4.6灌浆

实践中，劈裂灌浆有“孔底注浆，全孔灌注”的白氏法、“全孔护壁、孔底注浆”的章氏法、“循环劈裂式充填灌浆”等方法，其中以白氏法应用最广。白氏法的原则是“稀浆开路，浓浆灌注，少灌多复，综合控制”。在孔口放置3～5m深的套管，以护壁和保护孔口。前两次采用比重1.1～1.3的稀浆，第三次采用比重1.3～1.6的浓浆，每个孔至少灌5次以上，复灌间隔5d以上。灌浆压力因孔而异，孔越深压力越大。注意始裂压力、二次劈裂压力、单孔最大压力3个等级，灌浆压力应达到二次劈裂压力，但不得超过单孔最大压力。

4.7终灌

浆液升至孔口，连续3次复灌不再吃浆，且外观上饱、满、实，即可认为达到终灌标准。然后拔出注浆管，灌入比重1.6的浓浆，至孔口浆面不再下降、稳定30min以上，终止灌浆。

4.8封孔

终灌后静置7d，抽出孔内清水，填入比重1.6以上的稠浆至孔口平齐，然后采用干土封孔并压实。

4.9质量检查

一般通过挖探坑、探槽的方法检查浆体分布、浆脉厚度、深度是否达到设计要求，并试验干密度、渗透系数等指标。工程运行后观察浸润线、散浸等现象。

5结语

劈裂灌浆技术是在传统充填灌浆技术基础上发展起来的一门技术，为我国首创，实践证明该技术机理明确、工艺合理、施工简便、效果可靠，目前已成为土质堤坝防渗加固的重要选项。但灌浆施工属于隐蔽工程，必须严格试验和加强施工过程的质量控制，才能确保灌浆效果。

参考文献

[1]卓林.浅谈劈裂灌浆在堤坝加固中的应用[J].甘肃水利水电技术，2013,49(7)：56-58.

[2]刘振兴.基于平面模型下致密土体劈裂灌浆机理的试验研究[J].北京：北京交通大学，2012.

[3]王彧杲.劈裂灌浆技术应用过程控制要点分析[J].水利建设与管理，2013,49(7)：2015,35(3)：23-26.