浅议高压喷射灌浆技术的应用

2016-07-19张光莉

陕西水利 2016年1期

关键词：防渗堤防应用

张光莉

（广州市水务规划勘测设计研究院　广东　广州　510640）

浅议高压喷射灌浆技术的应用

张光莉

（广州市水务规划勘测设计研究院广东广州510640）

摘要该文结合工程实例，通过对堤岸进行整体稳定及渗流稳定计算，采用高压喷射灌浆法加固处理前后对比，阐述高压喷射灌浆技术在堤防除险加固工程中的应用。根据计算分析及对比表明，高压喷射灌浆（旋喷桩）对堤身及堤基的防渗有明显的效果，且经济合理、技术可行。

关键词高压喷射灌浆；堤防；防渗；应用

1　高压喷射灌浆技术及特点

高压喷射灌浆法是用高压泥浆泵，通过喷嘴向周围土体高压喷射固化浆液(一般使用水泥浆液)，浆液凝固后在土体中形成了一定形状的固结体。高压喷射灌浆分为旋喷、定喷及摆喷三种。

高压喷射灌浆法不会对周围环境和水质造成污染，成本较低，施工速度较快，固结体强度大，可靠性高，施工噪音小。

2　高压喷射灌浆应用实例

高压喷射灌浆在工程设计中广泛应用，适用于地基处理加固、止水等方面。下面以广州市某河涌堤防除险加固工程实例阐述高压喷射灌浆技术在堤防除险加固工程中作为堤基（堤身）防渗加固处理方面的应用，为以后类似的除险加固工程设计提供借鉴。

2.1工程现状情况概述

本工程位于广州市从化区。2014年5 月23日，受高空短波槽和低层西南暖湿气流共同影响，该河流域普降大雨，坝上洪峰水位26.64m，洪峰流量2120m/s，为1964年以来最大流量，接近100年一遇。受“5.23”洪水影响，部分堤岸出现渗透、管涌，甚至滑坡，严重威胁区域人民生命财产安全，必须除险加固整治。

2.2工程加固方案设计

本次除险加固范围内的堤段根据堤防勘察钻孔揭露，堤身填土层大部分由粘性土、碎石及砂土构成，堤身结构复杂多样；堤基均有粗砾砂层，且厚度较厚，属于中等透水层，个别钻孔有粉砂层，对堤防而言，会发生渗透破坏现象。下面通过对堤岸进行整体稳定计算及渗流稳定计算进行分析判断。

（1）堤岸整体稳定计算

整体稳定计算采用中国水利科学院的边坡稳定分析程序STAB2009，应用瑞典法进行计算。选取发生险情堤段的两个典型断面，根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中的相关规定，土堤整体稳定计算可分为正常工况和非正常工况。

正常工况：

工况1：设计洪水位骤降期的临水侧堤坡（堤顶荷载10kN/m2）；

工况2：设计洪水位下的稳定渗流期或不稳定渗流期的背水侧堤坡（堤顶荷载10kN/m2）。

非正常工况：

工况3：施工期临水侧堤坡（堤顶荷载20 kN/m2）。

其中工况1和工况2整体稳定允许安全系数K为1.25，工况3整体稳定允许安全系数K为1.15。

根据地质勘察结果可知典型断面图所在堤段的土层及物理参数情况。断面图一位置土层分别为填土层（C=9.9kPa，φ=20°）、粉质粘土层（C=22.1kPa，φ=8.2°）、粗砾砂层（C=4.43kPa，φ=35.57°）、残积土层（C=36.8kPa，φ=17.7°）；断面图二位置土层分别为填土层（C=9.9kPa，φ=20°）、粗砾砂层（C=4.43kPa，φ=35.57°）、粉质粘土层（C=21.8kPa，φ=9.4°）。

采用以上所选断面、工况、土层及参数，对堤防进行整体稳定计算，计算结果为：

表1.1　渗流稳定计算成果表

图1　标准断面图一

从结果可知：三种工况中，断面图一、断面图二堤岸边坡稳定系数均大于允许稳定系数，则现状堤岸整体稳定满足规范要求。

图2　标准断面图二

表1.2　渗流稳定复核计算成果表

（2）堤岸渗流稳定计算

通过采用理正岩土计算软件的二维渗流有限元法对堤基渗流稳定计算分析。选取发生险情堤段的两个典型断面，根据《堤防工程设计规范》（GB50286.2013）要求，并结合本工程实际情况，渗流分析计算以下水位组合：①外江水位为设计洪水位、堤内无水；②外江水位为设计洪水位，堤内为相应水位；③设计洪水位骤降时对临水侧堤坡稳定最不利的情况。

根据地质勘察结果可知典型断面所在堤段的土层的渗透系数分别为：断面图一位置土层分别为粉质粘土层（k=1×10-5cm/s）、粗砾砂层（k=4.45×10-2cm/s）、残积土层（k=3.15×10-6cm/s）；断面图二位置土层分别为粗砾砂层（k=4.45× 10-2cm/s）、残积土层（k=1.54×10-6cm/s）、粉质粘土层（k=3.93×10-7cm/s）。

采用以上所选断面、工况、土层及参数，对堤防进行渗流计算，计算渗透比降结果如表所示。

计算结果显示，水位组合①情况下计算出逸比降大于允许出逸比降0.40，不满足渗流稳定要求，需要对堤基进行防渗加固处理。

常用于处理堤防除险加固的方法有：灌浆法、防渗墙法、高压喷射灌浆法、深层搅拌法等几种。以上几种方法既可以作为防渗墙处理堤身（堤基）渗漏问题，也可以用于地基加固。几种防渗方案的比较如下：

1）灌浆法：施工简便，造价低廉，但对于砂砾石堤基，灌浆浆液难控制，施工质量难保障。

2）防渗墙法：可对堤防进行垂直防渗处理，对堤防破坏程度大，开挖工程量大，工期较长。

3）高压喷射注浆法：此种方法分为旋喷、定喷、摆喷。常用的为旋喷法，施工速度快，固结体强度大，可靠性高，不污染环境，施工噪音小，成本较低，处理效果好；摆喷法造价高，施工工艺复杂，处理效果不明显，且此种方法的施工机械较少；定喷法应用很少。

4）深层搅拌桩法（水泥土加固法）：此种方法加固方式灵活，可充分利用原状土，无弃土问题。但对于砂砾石地基，钻头不易打入，施工难度大。

根据以上比较和险段现状情况，考虑到技术可实施性，最终选择高压喷射注浆法中旋喷法处理险段的渗透问题。根据工程需要和地质条件，为了不对堤顶造成破坏及节省投资，本次除险加固在临水侧坡面处，距离堤顶边线2.0m的位置采用单排Φ600单管旋喷桩，间距450mm，利用高压浆液，喷射冲切破坏土体，压力20Mp，旋转速度约20r/min，成桩直径为60cm。其加固质量好，施工速度快和成本低。对被破坏的草皮护坡和路缘砖按原样进行修复。处理方案如图所示。

2.3加固后堤基渗流稳定复核计算

采用理正岩土计算软件的二维渗流有限元法对堤基渗流稳定进行复核计算。根据《堤防工程设计规范》（GB50286.2013）要求，并结合本工程实际情况，对上述堤岸渗流稳定计算断面中不满足渗流稳定要求的水位组合进行复核计算。渗流分析计算水位组合：水位组合①外江水位为设计洪水位、堤内无水。

计算结果显示，采用旋喷桩防渗处理后计算得出的出逸比降值均小于允许出逸比降值0.40，满足渗流稳定要求。

2.4加固方案与环境协调性

本工程建成后可以避免堤内洪涝灾害问题的发生，保障区域经济持续稳步发展，同时恢复了原有的景观绿化效果。本次除险加固方案设计充分考虑了与环境的协调性，具体表现在以下方面：

（1）工程加固方案综合考虑各个方面，选择经济合理、可实施、对环境无污染的方案。部分护坡修复段结合堤岸现状进行设计，与原有护坡协调统一。现状堤岸以绿化景观为主为其他生物生存休憩场地，在一定范围内设置相关设施，为周围人群提供休闲场所，增加人与自然的交流和互动，使人们更接近自然，体会自然，做到人与自然和谐统一。

（2）节能减排方面

本方案充分结合现状，使方案符合大的建设环境，运用先进的理念及方法使工程建设达到节能，低碳的目的。主要体现在以下方面：

1）工程设计中，采用土方的开挖与回填在满足功能的条件下，尽量做到挖填平衡的原则，减少外购及弃运土。

2）在施工组织设计中选用主要施工机械均为较先进的设备，能耗较低。优化施工器械的使用次数。

3）采用低碳环保及可回收的产品及材料，减少环境的二次污染。