姚春江（苏州市水利设计院有限公司） 吴雪康（相城区水务局）

 

【摘  要】：堤防灌浆是改善堤防工程质量的一项重要技术措施。劈裂灌浆就是采用孔底注浆、全孔灌注的方法，有控制地加大灌浆压力，利用浆压力（灌浆开始用稀浆）将堤身劈裂成缝，再强制性注入浓浆液，使纵向浆脉在堤内部形成垂直的防渗帷幕。

【关键词】：堤防  劈裂灌浆  控制

 

       1、引言

       堤防灌浆是改善堤防工程质量的一项重要技术措施。建国后，我市太湖堤防经过多次大规模的复堤加固，由于受多种条件的限制，筑堤时淤泥质土和软弱土层未能清除，部分施工段分界接头不紧密，分层碾压不实等，造成局部部位不实，其堤身土标准贯入击数一般为2~4击,不少地段标准贯入击数仅1击乃至小于1击。堤身内部普遍存在“架空”现象,孔隙较大，透水性偏高，在汛期高水位时堤身出现冒水、渗漏水等现象。为消除太湖大堤存在的渗漏隐患，2001年5月在苏州吴县市东太湖和吴江市东太湖各选择了3.1公里堤防作劈裂灌浆试验，共采用了18种方案进行比较,以积累低堤防消险加固的设计技术参数及施工经验，为合理掌握设计施工要求，控制堤防灌浆质量，本文主要对劈裂灌浆进行探讨。

       2、堤防灌浆主要方式

       堤防灌浆主要有两种方式，锥探灌浆和劈裂灌浆。锥探灌浆是70年代以前较为常用的施工方法 ，但其压力较小，只对被灌浆孔眼穿通的缝或洞穴等隐患起作用，对未被锥孔穿通的缝、洞和虚土层则无能为力，起不到降低堤防浸润线作用。加之过去灌入的浆料为单一的土料，灌浆体不能防止动物和生物的破坏。自70年代起试验用劈裂灌浆技术来加固堤坝，其实质就是采用孔底注浆、全孔灌注的方法，有控制地加大灌浆压力，将原来充填式灌浆改为利用浆压力（灌浆开始用稀浆）将堤身劈裂成缝，再强制性注入浓浆液，使纵向浆脉在堤内部形成垂直的防渗帷幕。灌浆浆脉的宽度与堤防土质、堤身隐患、灌浆压力及工艺设备等因素有关。

       3、劈裂灌浆机理

       根据土力学原理，假定堤防为均质堤防，则堤防横断面三个主应力方向如图一所示，大堤内最大主应力是垂直应力σ₃，等于或接近土体重。由于大堤横断面方向远较纵轴线方向小，沿纵轴线方向可视为无限长，因此σ₂比σ₁要大得多，根据通常情况得，σ₃ >σ₂  >σ₁。劈裂灌浆时，泥浆在压力的作用下，压灌浆体总是沿最薄弱的方向进展，当原土堤体内有洞穴或裂缝时，首先是充满洞穴或裂缝，当土体比较均匀时，先克服最小主应力σ₁，沿平行于堤轴线的小应力面劈开土体，形成纵向裂缝。有压泥浆进入堤身后不是均匀地渗入到锥孔周围土体中，而是沿着裂缝以浆脉的形式延伸，形成一道垂直防渗帷幕。

       4、灌浆的主要设备和施工流程

       4.1   灌浆设备

       主要有造孔机、泥浆泵、拌浆机、搅灌机、水泵及配套柴油电动机组，此外还配有运土设备、输浆胶管、插管、压力表等。

       4.2灌浆施工流程

       5、场地条件、水文气象及工程地质

       5.1、场地条件

       此次拟灌浆太湖大堤顶高程一般在6~7m（吴淞高程系，下同）之间，堤高一般3.5~4.5 m，局部高达6 m。堤顶宽度一般5~6 m，局部窄处3~4 m，迎水坡多已建浆砌块石挡浪直墙，部分堤段挡浪直墙尚在施工中，墙顶高程5.0~5.5m；背水坡坡比在1：2~1：1.5之间,坡度较陡,堤防断面尺寸偏小,堤顶及背水坡多栽植树木。

       3.2、工程地质条件

       根据江苏省工程勘测研究院提供的《苏州东太湖堤防加固工程地质勘察报告》，该段土层分布的特点是：

       堤身土：为B层灰黄、褐黄色轻、中粉质壤土。

       堤基土：表层为1层灰黄色轻、中粉质壤土和1层灰色重粉质砂壤土、轻粉质壤土。

       勘探查明堤身土质较杂，密实度差，多处存在土块架空现象，从现场钻孔注水试验测得堤身B层注水试验平均渗透系数为2.1×10^-2cm/s，1₁、1₂层少粘性土层的平均渗透系数分别达2.4×10^-4cm/s、1.4×10^-3cm/s，具有中等~强透水性，1₃层又是透水的砂壤土层，当东太湖高水位运行时，易发生渗漏，漏水深度在1.5m~3.8m之间,漏水严重。      

       6、 劈裂灌浆设计技术要求

       6.1布孔

       本次灌浆孔采用沿堤身轴线偏上游30厘米单排布孔, 采用干法成孔，平均孔深为5米，灌浆孔直径为50毫米。造孔保持垂直，垂直度小于2%。灌浆孔一般分三序进行：孔距第一序为20m，第二序10m，第三序5m。如果在施工中灌完第三序孔以后，裂缝仍未连起来，还可布置第四序，孔距仍为上序孔之半；孔深一般控制在堤基下2 m左右。较松散的堤体一般第二序孔即可连通，不需再布置第三序孔。对堤顶部处于较大横向拉应力或已形成多条纵向裂缝的堤防，应在主排孔两边布置副排孔，孔深钻至受拉区以下；对堤体处于纵向受拉的区域和已出现横向缝的部位，应按梅花形布孔，孔距视堤防土体破坏情况确定，一般为1 m~3 m；对水平缝也应按梅花形布孔，孔距1m ~2 m，孔深要超过缝深。对于堤防局部疏松区域，应在堤顶对应的隐患处布孔，孔深应穿过隐患处，孔距可视工程情况确定。如图二。

       6.2  灌浆压力控制

       劈裂灌浆通过浆压力使疏松的堤体得到增强，同时由于堤体的回弹加快浆体的排水固结，保证了浆体的强度。但灌浆压力过大又会造成不良后果，因此控制灌浆压力是劈裂灌浆的关键。灌浆压力要从两方面提出极限压力，一是堤防土体被劈开极限状态时的孔口压力，二是最大控制灌浆孔口压力，灌浆压力不仅与堤身质量有关，而且还与堤的断面尺寸、灌浆部位、泥浆浓度及浆量有关，很难用一个公式准确计算。灌浆过程中压力不是恒定不变的，初始阶段表现压力上升，一旦形成劈缝，泥浆便在压力的作用下迅速进入缝隙中，此时孔口压力迅速下降，当缝内泥浆充满时，孔口压力又开始回升，达到一定数值后，又出现新的劈裂，这就出现了孔口压力周而复始波动。据我市实地试验材料分析，灌浆初始压力一般为80kpa,最大达120kpa，持续压力为40~70 kpa。

       6.3灌浆材料

       灌浆材料应满足流动性好、排水固结快、稳定性好、固结后强度高、防渗性能好的要求，实际天然土料很难同时满足上述要求。常见的浆液材料是粘土，它是有取材方便、费用低、流动性及稳定性好特点；其缺点是固结时间长、强度较低、自凝性差。通过实践证明，在粘土中掺入适量的水泥有助于加快固结时间，提高强度，以及渗透系数减小，一般水泥掺量为10%~15%，从我市太湖堤防灌浆试验说明，泥浆中砂粒含量一般在25%以上、粘粒含量小于20%、其余为粉粒，效果较好,其形成的主浆脉宽度大于1.0厘米,浆脉影响宽度不小于10厘米, 浆脉固结体室内渗透试验测得其渗透系数为A×10^-6cm/s。为提高泥浆的稠度，若加1%~2%的水玻璃，可将泥浆的容重提高到1.65~1.85 g /cm³，有利于加快泥浆的固结和提高固结后浆体强度。

       6.4 灌浆历时、复灌次数、复灌时间间隔

       劈裂灌浆时，在一定时间内劈缝宽度由小到大逐步劈开。试验和实践证明，若时间太短，一是不能充分发挥堤体的压缩回弹作用，造成浆体析水固结慢、强度低，甚至会出现浆体和土体结合不牢，出现新的裂缝；二是停灌后泥浆缝顶部可能出现空洞。一般每序孔的灌注相隔时间不小于三天，复灌次数不少于5次，每次相隔时间不小于1d 。在灌浆方法上要“少灌多复”。灌浆压力应逐步增大，当接近允许最大值时，应立即停灌，更换灌浆孔。总之，掌握好灌浆压力、时间、灌浆量是灌浆工程的重要环节，不能急于求成。

       6.5 灌浆结束标准

       灌浆结束过早,可能在堤防中留下隐患 ，过长延长灌浆时间，不仅浪费材料，而且会带来不利因素，因此，正确选择结束时间很有必要。灌浆结束标准为：随着复灌次数的增加，吃浆量越来越少，每次灌浆历时越来越短，直至灌浆历时很短、吃浆量很少，堤顶开始冒浆，不能再继续施灌，此时可确定为灌浆结束标准。

       7、灌浆中易出现的问题和措施

       在灌浆过程中，易出现裂缝、塌坑、冒浆、串浆、机械故障等，必须采取措施，认真处理。

       7.1裂缝处理：纵向裂缝应引导和发展，但应限制其过早延伸到堤顶，原则上前三次灌浆期间应限制裂缝沿伸至堤顶表面，一旦堤面出现裂缝应及时分析是湿陷缝还是劈裂缝，前者续灌，后者加强观测，下次复灌前，顺裂缝方向挖深0.2m~0.3m,采用干土捣实成阻浆盖,再复灌。横向裂缝：横向裂缝必须限制其发展，一旦出现应立即停灌检查，做好阻浆盖后续灌。

       7.2塌坑处理：局部堤防在灌浆期间出现塌坑，应立即停灌，3~5d后可在塌坑的四周打孔灌注稠浆，然后在坑内分层填土夯实。

       7.3冒浆：堤身灌浆时冒浆因部位、原因及程度不同，处理的方法也不同。如堤坡冒浆，可能有洞穴等与灌浆孔直接连通，采用浓浆灌~停~灌的间隙性灌浆方法进行处理；再如孔口冒浆，一般产生原因是孔口阻浆盖未做好，重新做好阻浆盖即可。

       7.4串浆：灌浆过程中发生串浆时,分析其对堤身的整体和局部安全是否有影响,一般用木塞堵住串浆孔即可。

       7.5机械故障：发生机械故障时，要及时进行处理，避免灌浆工作不能实施或达不到设计要求。

 

 

（本文2005年8月发表于《治淮》和《江苏水利》杂志）