灌浆技术在农业水利工程堤坝防渗施工中的应用与效果分析

2022-06-08孙佳文

中国新技术新产品 2022年4期

孙佳文

（阜康市水利局（阜康市水利工程技术服务中心）,新疆阜康 831500）

1 堤坝发生渗漏的原因

堤坝是农业水利工程基础设施建设的关键要素，常用于拦水、蓄水，在防洪抗旱等过程。对农业生产抵御雨涝自然灾害中的作用较大。农业水利工程堤坝的坚固耐用安全性能提升了防渗漏的安全运行效果。如果防渗漏技术或工程质量存在问题，会带来较大的风险隐患。例如“8.10”浙江岱山水库堤坝由于渗漏预防控制不到位，在蓄水长时间高位的情况下，渗漏加剧导致溃坝，岱山县的中段村被冲毁，人民群众的生命财产受到了极大的损失和威胁。堤坝产生渗漏的主要因素：一是堤坝在建设修筑施工过程中，防渗漏技术不到位，存在局部段位裂缝、塌陷、沙眼等渗漏现象，随着后期运行过程的不断深化，导致渗水通道越来越大，在堤坝拦水量大，水位高、时间长的运行条件下，渗漏水道的压力不断增加，进而造成渗漏流速加快，导致溃坝；二是堤坝基础的防水工程施工质量标准不高导致运维过程不达标。由于地基基础周围含水量较大，长时间的浸泡会导致堤坝基础逐渐发生松软或者塌陷现象，导致防水防渗能力减少。堤坝底部水的压力较大，使蓄水过程不断出现挤压的情况，最终冲破堤坝基础土层，形成外泄；三是堤坝的主体工程与堤坝地基的接壤位置施工中的渗漏裂缝、沙眼等处理不当，粘合不好，防渗漏功能不足，可以导致堤坝“拦腰斩断”，使裂缝增加，渗漏现象加速，导致不同长度的溃坝或者大面积渗漏，出现非常严重的安全事故。

2 堤坝施工灌浆技术的工艺原理及工艺流程

在农业水利工程中，堤坝防渗施工的防渗技术就是利用水泥、黏土等建筑材料与化学聚合物添加剂混合搅拌成浓度不同的浆液，将堤坝的裂缝、沙眼部位开沟部位进行围合，通过自然位置的落差或者注浆泵完成灌筑浆液作业，最终使漏点和相关的裂缝被浆液填充物灌入。在外力作用下不断钻进沉淀使坝体密实，最终形成有机的整体，有效防止渗漏，保证堤坝稳固，保障安全。农业水利堤坝防渗工程施工中常用的灌浆技术有劈裂式灌浆技术、速凝式灌浆技术、高压填充式灌浆技术、灌浆加固技术等。

2.1 施工前准备

农业水利堤坝有土坝、砌体石坝、水凝混凝土坝、橡皮坝等多种材料构筑形式，不同的坝体防渗漏施工中应用的灌浆技术的建筑材料、方法模式不尽相同，无论是哪种堤坝，防渗漏施工都必须做好岗前技术培训和材料、设备的准备工作。在该过程中，首先要对施工现场进行仔细勘查，确定滴漏封堵的整体和重点部位，计算工程量、需要的材料、机械设备等，根据土坝、砌体坝或者混凝土坝体的实际需求确定浆液组成材料的比例，按照施工需要选择配置时间；其次围绕坝体渗漏部位划定封堵范围，清理坝体滴漏缝隙、管孔钻孔表面周围的附着物、污染物或者灰尘，找到坝体构筑材料的结构层，土坝要见到土体结构的新土层，混凝土坝要看到混凝土结构的结构层，清理干净，不留灰尘；最后配比浆液。根据坝体部位和缝隙、管孔大小、深度，制作相应需要的浆液，选择相应的加固材料。

2.2 开沟、打孔

根据坝体的结构组成不同，例如土体结构、砌体结构、混凝土结构等，结合实际渗漏部位进行综合开孔，例如主体结构、基础结构等。合理选择相应的开沟、打孔的机械设备，例如旋挖钻机、电锯和钻头等。力求钻工工艺与施工实际流程相吻合。开沟宽度及孔眼深度，必须保证浆液填充物充分凝固，完全封堵渗漏通道，防渗漏、加固作用明显。

2.3 表面冲洗清理

坝体裂缝的切开扩面或者渗漏管孔的钻深过程中，施工作业中都会产生一些碎渣和灰尘，要及时对表面污渍和杂质进行及时的清理，过程不洁净就无法保证浆液黏合物与坝体结构的完全结合，最终会导致防渗漏效果不强。因此孔缝周围的杂质灰尘清理至关重要，这同样也是灌浆技术工艺流程的主要内容，在加工过程中还要进行适当地风吹、冲洗或者相关的化学净化处理，使灌注浆液与缝隙和滴漏管孔周围结构完全黏合。

2.4 性能测试

扩孔施工完成后，完成表面清理净化施工，还需要对管孔周围坝体材料吸水率进行测定，以确定浆液的浓度和实际需要的注入压力，同时也要综合配备合适的注浆泵设备。一般情况下，管孔的性能测试就是进行压水试验，压水试验获取的数据是后续施工各个环节参考的主要技术指标，对孔缝封堵施工能否顺利完成至关重要，同时也是制定灌浆技术实施方案的基础。在压水试验中充分了解坝体结构抗击缝隙、管孔水流冲击能力、阻止发生滴漏的具体性能条件。

2.5 灌浆施工

灌浆施工是农业水利堤坝防渗漏加固工程的核心内容，其过程包括一次性灌注施工和循环多次灌注施工，也包括自然灌注施工和机械灌注施工；一般情况下，一次性灌注施工，主要用于坝体日常养护过程中微小缝隙或沙眼、局部凹陷面的处理；多次循环灌注施工则是在裂缝较大或者开裂变化速度较快的情况下，要求固定作用显著，有明显控制渗漏的要求；自然灌注技术主要应用于水平开裂或者渗漏通道的封堵施工中，机械灌注技术主要应用于堤坝的立缝或者自然灌缝封堵效果不明显的情况下，主要是增加灌浆的压力，确保浆液全面渗透灌入，使坝体成为一体，抗渗漏能力增强。整体的施工工艺流程图如图1 所示。1）堤坝左右槽位置处分别安装有灌浆钻孔，在实际的开挖过程中主要采用固定架位的钻机来进行钻孔，同时采用卷扬机的升降过程进行排架。2）钻孔的孔距与实际之间的设计误差不应超过10cm。3）钻孔孔径根据现场的实际工作条件进行设置，最优的参数孔径为Ф75mm。4）钻机安装过程需要牢固并且平稳，钻孔位置对齐、方向准确。5）灌浆孔施工也要按照灌浆程序进行，分两道工序进行施工，二者之间可以进行同时施工的过程，施工顺序为I 序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔。

图1 灌浆施工工艺流程图

3 灌浆技术在农业水利工程堤坝防渗施工的计算案例

在该文探讨的案例中，坝肩主要是由阶地堆积的各类土壤提复合而成，其中四级阶地堆积层底部的砂砾石层厚0.7m～1.5m，边坡角的方位为41°～43°。其整体的运行过程较为平稳，自然状态下的状态基本稳定。在风化的过程中，强风化砂岩以及砾岩都属于是C Ⅳ类坝基岩体。根据现场的勘查设计资料进行综合分析，其左岸的卸荷带水平宽度2.0m～3.0m，其主要存在的工程地质问题为石层的表面风化所导致的渗漏。砂砾石层视为有压流的计算过程如下。

式中：为阶地流量；为砂砾石渗透系数；为扬程高度；为含水层厚度。

基岩视为无压流的计算过程：

式中：为河床流量；为基岩渗透系数；为扬程高度；为基岩厚度；为水头高度。

最终坝基的渗漏计算公式：

式中：为基岩渗透系数；为扬程高度；为渗透层厚度；为分带宽度。

式中：为单宽渗透量；为分带宽度；Q为流量。

式中：为总流量。

坝基渗漏计算结果见表1。

表1 坝基计算统计结果

在完整的性能计算后才能够得出具体的灌浆参数，同时还要注重灌浆过程的要点：第一，灌浆压力耦合作用下的黏土特性往往分布在具有大孔隙的卵石和粗砂层中，尤其是在加工过程中其灌浆压力超过一定的参数定值时，往往会出现渗透现象和劈裂现象。对具有较小孔隙的细沙来说，各类缝隙仍旧是细沙存在较多的节点位置，往往分布于劈裂的形式，少见于渗透的工况。这是灌浆中需要重点观察的关键要素。第二，在地下土壤能够可见变形的作用基础下，才能够更好的发挥出黏土的基本效应，实现过程可灌。为了能够最大限度地减少地形变化所引起的变形作用，需要采取综合降低灌浆压力的方法来消除灌浆压力，减少劈裂以及渗透。

4 灌浆技术在农业水利工程堤坝防渗施工中的应用

4.1 劈裂式灌浆施工技术的应用

劈裂式灌浆施工技术需要的设备主要有钻孔机、搅灌机、注浆泵等，操作流程较为简便，经过岗前操作技术培训，即可上岗作业。

浆液灌注施工要求一气呵成，一旦施工出现中断，就对浆液统一凝固形成不良的效果，亟需注意的技术操作要点和相关事项，一旦灌浆施工中断，必须侵袭钻孔。后续灌浆施工中，出现钻孔不能顺利吸浆，要重新打孔，进行新的灌注作业。灌浆过程若发生串浆，必须立即排出浆孔中的泥浆，把该孔堵塞，严格控制串浆的反复发生。

灌浆施工作业完成，马上清理去除钻孔内的污物，全部处理干净，用砂浆抹平封闭钻孔。

4.2 试验结果分析

在对各类孔洞进行灌浆输入之前，需要对施工场地进行参数化压水测试，以期能保证系统运行稳定。在系统化的明确原始透水能力的基础上，通过综合强化单位吸水量来提升坝基的基础上防渗透能力。根据相关的测试过程可知，各次级孔的吸水量频率累计过程如图2 所示。

图2 各次序孔单位吸水量累计频率

由第1 次序孔单位吸水量频率累计曲线可知，第1 次序孔的吸水量明显大于10L/ MPa·m·min，并且其段数占据到整体段数分布的30%以上。同时大于1L/ MPa·m·min 的段数占据到整体段数的10%。由此可以综合分析，随着灌浆数和灌浆次序的不断提升，其实单位吸水量的含量逐渐降低，其过程符合工程应用的正常参数规律。在灌浆测试结束之后开始对各个次序的孔洞开展相关的压水测试，其结果参数满足单位吸水量的相关参数要求（单位吸水量均＜1L/ MPa·m·min）。

4.3 工程应用

工程开工之前，首先对检查孔进行压水检验，综合测试堤坝的整体稳定性情况。首先采用了与计算结果一致的压力进行灌浆操作，时间保持在45min 内，持续操作2h以上。其过程首先要观察是否有明显的冒水现象，同时还要在岩心内部的裂隙中能够明显的观察到有水泥浆的相关填充物，满足以上条件即可开展实际施工。根据4.2 节的相关测试结果，灌浆试验的相关参数操作建议如下：①根据灌浆的相关测试结果，在综合平衡相关的经济性能后，确定基本的灌浆间距为1.5m。②灌浆方式采用常规的自下而上式的反距离灌浆。③灌浆过程的距离划分段落为“2m-5m-5m”过程，在不断下浆的过程中还要结合槽岩基来开展辅助性工作。④灌浆压力在不同层级范围内采用不同的灌浆压力，其中第一段为0.4MPa，第二段为0.8MPa，后续依次递增。

在综合确定了坝基的补偿灌浆的方案过程后，开始正式的施工过程，根据表1 计算的基础参数进行计算后，计算得到补偿灌浆的计算工作量依据，其参数结果数据见表2。

表2 补强灌浆试验段钻孔灌浆工作量数据

在补浆过程中也要保证相关的施工流程稳定，具体的施工过程可以参照三步施工法进行：一是合理地布局孔间距。根据堤体的竖直度、弯曲度，结合坝体发生病害隐患的实际情况，选择相应的梅花式打孔布局或者直线式打孔布局；二是钻孔灌浆。打孔作业完成后，依次进行便面清理、压水性能测试等，同时，根据需要制备灌注施工需要的浆液；三是灌浆施工顺序。从孔眼底部开始灌注，用浆液的压力劈裂病害坝堤，浆液在坝体表面凝结。逐渐形成新的覆盖保护层，从内部将坝体与地层重新粘合到一起，形成新的稳定结构。