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劈裂灌浆技术在堤防工程中的应用探讨

行业资讯 / 2021-03-30 15:33

劈裂灌浆技术在堤防工程中的应用探讨
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,σ31。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。
       5.3、水文地质条件
       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《水利》杂志)
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