黏土灌浆在灌区堤防加固中的应用

刘洪明，胡守平，葛孚强

（德州市李家岸灌区管理局，山东 临邑 251500）

李家岸灌区是全国大型引黄灌区之一，设计流量100 m3/s，设计灌溉面积21.43万hm2，1971年建成引水。灌区位于德州市东部，灌区范围包括齐河、临邑、陵县、宁津、乐陵、庆云等6县、市部分或全部，总人口196万人。开灌40年来，年平均引水量4.8亿m3，为灌区内国民经济和社会发展做出了重要贡献。

1 工程概况

李家岸灌区总干渠建于1970年，由于当时堤防采用就地取土人工填筑而成，存在土质差、填土未碾压或碾压不实等情况，致使部分坝体疏松，引水时出现渗漏。特别是在2011年初冬季引水期间，由于运行水位高、时间长，总干渠崔许闸下（K12+700～K17+000、K31+817～K32+817）5.3 km 堤防渗漏严重，而且出现裂缝，缝宽达到2 cm，不仅影响了工程效益的充分发挥，而且还存在严重的安全隐患。为此，灌区管理局决定采用黏土灌浆技术提高堤防防渗能力和稳定性，消除安全隐患，以发挥灌区的最大效益。

2 堤防勘探

为了掌握灌浆效果和灌浆设计所需的基础资料，在灌浆施工前，对拟定灌浆范围的堤防钻探取样，勘探深度15 m，每米土层取一个土样，检测坝体的土质、干容重、孔隙比及压缩系数等指标（详见表1）。

表1 大堤灌浆前检测钻孔各土层物理力学指标

3 灌浆实验

3.1 灌浆土料实验

灌浆是为了提高堤防的抗渗能力和稳定性。因此，土料黏粒含量不能太少，黏粒含量太少的土料成浆率低，泥浆容易沉淀，堵塞裂缝，致使细缝灌不进泥浆，不能达到防渗的目的。但黏粒过高的土料制浆，土料不易粉碎分解，制成的泥浆粒度大，容易堵塞灌浆设备，且析水性能差，凝结后体积收缩也大。浆料的含砂量也不宜过多，砂粒过多时，泥浆的稳定性不好，在裂缝中沉淀后会形成透水的砂层。通过试验检测，确定宫家和李英两处土场的土质主要为粉质黏土。其黏粉含量为30%～40%，粉粒含量60%～70%，砂粒含量小于10%，有机质含量不超过2%，符合要求。

3.2 泥浆比重测定

通过现场模拟操作，观测灌浆压力、泥浆注入量和灌浆时间，及灌浆前后试验数据对比，确定本次灌浆泥浆比重为1.3～1.7 g/cm3。当泥浆比重＜1.3 g/cm3时，泥浆含水量偏大，不仅起不到堵塞漏水空隙的作用，反而将空隙周围土粒带走，进一步扩大了漏水缝隙；当泥浆比重＞1.7 g/cm3时，泥浆含水量偏小，浆料偏稠流动性低，容易堵塞灌浆机械，不利于施工。

实际灌浆施工时，测定泥浆比重的仪器较多，其中比重瓶的测量精度高，为了保证灌浆质量采用了比重瓶测定法。

3.3 灌浆压力

泥浆扩散范围的大小与灌浆压力有关，灌浆压力大，泥浆扩散范围就大。但是，灌浆压力过大会破坏坝体结构，影响坝体安全。因此，灌浆压力的控制非常关键。通过现场实验，在相同条件下，对10组钻孔在不同灌浆压力下的泥浆注入量、灌浆时间、冒浆、串浆等技术指标进行比较，得出本次灌浆最佳压力（孔口压力）为0.3 kgf/cm2，对比数据见表2。

表2 灌浆压力实验数据对比表

3.4 外加剂

在泥浆中掺入一定量的外加剂，可以改善泥浆的性能。根据李家岸总干渠堤防实际情况，本次施工采用添加水泥外加剂来改善泥浆的性能。

水泥黏土混合浆开始时，其黏度比未加入水泥的黏土浆要小些，可凝固的时间要快的多，固结后的强度也较高。水泥加入量宜控制在干料重的10%～30%之间，若水泥掺加量超过干料重的30%，则混合浆很快初凝，使浆液面不能随着浆液收缩而下沉，但浆液要不断析水固结，因而在泥浆中产生许多水平方向的细裂缝，这对防渗是十分不利的。综合比较后，确定水泥加入量控制在干料重的15%。

4 灌浆施工

4.1 灌浆方式

灌浆方式分为劈裂式灌浆和充填式灌浆。劈裂式灌浆适用于处理范围较大，问题性质和部位都不完全确定的隐患；充填式灌浆适用于处理性质和范围都已确定的局部隐患。由于本次灌浆的隐患性质和范围都已确定，故灌浆方式采用充填式灌浆。

4.2 灌浆设备

灌浆钻机机械采用HD12-1型全液压锥探机和ZK24型锥孔机。灌浆机械采用BW-250型灌浆机组。

4.3 钻孔布置

根据李家岸总干渠堤防的实际情况，确定本次灌浆孔按6排梅花形布孔，间距2 m，孔深10 m，超过隐患深度3～4 m。

4.4 施工工序

1）灌浆顺序。在灌浆过程中，采用“少灌多复”的方法，对灌浆孔分3序灌浆，先灌上游，再灌下游，最后灌中间排孔，每序灌浆时间间隔不少于20 d。

2）灌浆程序。首先，按照设计要求造孔，造孔应保证铅直，偏斜不得大于孔深的2%。然后，采用机械制浆，浆液各项指标要严格按设计要求控制。最后灌浆，灌浆过程中要控制好灌浆压力、灌浆量等技术指标。

当浆液升至孔口，经连续3次复灌不再吃浆时，即可停止灌浆。待孔周围泥浆不再流动时，用黏土将孔口封闭。

3）灌浆记录。现场管理人员对每孔灌浆的灌浆时间、压力、注入浆量及泥浆容重等数据进行了翔实的记录。灌浆结束后，经施工单位技术人员认证后保存。

4.5 问题处理

1）冒浆处理。灌浆时堤顶、堤坡出现冒浆，应立即停灌，挖开冒浆出口，用黏土土料回填夯实后再进行灌浆。对于不能堵塞的情况，应待已灌泥浆初凝后再继续灌浆，或者提高泥浆浓度。

2）串浆处理。灌浆时相邻孔出现串浆，用木塞堵住串浆孔，然后继续灌浆。

5 灌浆质量检查

灌浆施工过程中，在每个施工单位安排2名质量监督人员，吃住在施工一线，全程监督灌浆施工的布孔、造孔、工艺操作、浆液性能、综合控制情况等技术指标，严格按规范要求施工质量。

1）检查内容。主要包括：坝体各土层的干容重、孔隙比、压缩系数及渗流量变化情况等技术指标。

2）检查方法。首先通过在总干渠引水期间安排站所管理人员，对灌浆后堤防的运行情况进行观察，发现灌浆范围内的堤防渗漏情况已经全部杜绝。然后在总干渠停止引水3个月后，对堤防钻探取样，检测灌浆后坝体各土层的物理力学指标，检测数据见表3。并对灌浆前后各土层的渗透系数进行了详细对比，对比数据见表4。

表3 大堤灌浆后钻孔各土层物理力学指标

表4 各土层渗透系数对比一览表

6 结论

根据各勘探点不同深度取样的试验结果，对灌浆前后堤防各土层物理力学指标及渗透系数进行对比，形成如下结论：

1）通过对试验指标中干容重增幅为2%～6%，孔隙比降幅为7%～14%，渗透系数降幅为7%～80%的数据进行分析，大堤灌浆后，各层指标均有变化，虽然变化幅度不同，但全部是有利的。大部分层段土体干容重已达到16.1 kN/m3以上，满足15.0 kN/m3的设计要求。处理深度范围内渗透系数由1.14E-05 cm/s减为4.39E-06 cm/s，满足堤防要求。

2）对灌浆深度以下地基也有一定的益处，如多数堤段地基土体干容重已达到12～17 kN/m3之间，较灌浆前也有增加，渗透系数也略有减小。

3）通过以上数据充分说明，李家岸灌区堤防除险加固工程应用黏土灌浆技术，有效提高了堤防防渗能力和稳定性，消除了安全隐患，为灌区发挥最大效益提供了可靠保证。