劈裂灌浆技术在滹沱河北大堤整治工程中的应用

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1、工程概况
    滹沱河北大堤自无极县东罗尚闸，至献县枢纽，全长101.123 km，是天津市、华北油田及滹沱河至大清河之间众多城镇的重要防洪屏障。为省Ⅰ等一级堤防，堤身土料来源于大堤两侧，主要为黏土、壤土及砂壤土，分层混合填筑，土质不均匀，质量差异较大，碾压不实，存在松散夹层和空洞、裂隙。堤段干容重最大为17.6 kN/m3，最小仅11.6 kN/m3，全堤统计合格率（干容重大于15 kN/m3）为27％，平均干容重为14.4kN/m3。“96·8”洪水以来，堤身多处出现塌陷、管涌、贯通裂缝等重大险情。鉴于滹沱河北大堤在河北省防洪渡汛中的重要地位，1998年以来，连续对其进行了劈裂灌浆、垂直铺塑、混凝土护坡等一系列的综合整治。
    北大堤循环式劈裂灌浆工程位于深泽县境内，施工日期为2000年3月10日～2000年5月30日。灌浆段桩号为10＋300～16＋700、19＋074～20＋300，其中13＋000～13＋826、14＋850～15＋150为双排孔，梅花型布置，其余段为单排孔。孔位布置于堤顶迎水侧，双排孔距堤肩1.0 m，单排孔距堤肩2.0 m，孔深5.5 m，孔距3.0m。
    2、劈裂灌浆原理
    劈裂灌浆利用最小主应力面和堤轴线方向一致的规律，根据土体水力劈裂的原理，顺堤向布孔，在灌浆压力下以适宜的泥浆液为能量载体，有控制地劈裂堤身，将与浆脉连通的所有裂缝、空洞、空隙等隐患用泥浆充填密实，同时浆压将筑堤土压密，最终在堤内顺堤向形成密实、垂直、连续、有一定厚度的浆液防渗固结体，从而达到防渗加固的目的。
    3、灌浆主要设备
    设备选用山东泰安产WJ100型卧式灌浆机，该机集搅拌、过滤、储浆、输浆功能为一体，可以连续搅浆和输浆，移动方便灵活。输浆用80/10型泥浆泵，功率4 kW，最大工作压力1.0 MPa，输浆量0.08 m3/min，水平输送距离60～80 m。动力配备为12 kW柴油发电机。
    4、灌浆土料
    设计要求：土料就近取材，主要为黏性土，在没有黏性土时，可选用粉质壤土（黏粒含量?12％，粉粒含量约75％，砂粒含量≤13％）。施工时选用土场的采样试验结果(表1)。
    由表1可以看出，三个料场的黏粒含量为21.2％～25.6％，粉粒含量65.5％～66.3％，砂粒含量11.3％～12.5％，土料均为壤土，符合设计要求。
    5、灌浆施工
    （1）施工准备。由于灌浆需要24小时不间断施工，为保证工程进度与质量，施工前必须做好施工准备，首先，灌浆机、发动机应进行全面检修，保证机械设备正常运行。第二，选择符合要求的土料场，由于灌浆孔吃浆量的不确定性，所选择的料场土料必须充足。第三，选好水源及送水车辆。
    （2）场地布置。施工现场主要布置在北大堤堤顶上，根据灌浆泵的输送能力及施工中的具体情况，土料每100 m一堆，每堆大约20 m3。搅拌机、发电机等布置在背水坡侧。
    （3）钻孔。钻孔之前，先根据设计要求布好孔位，采用洛阳铲打孔，造孔应保证垂直，倾斜度不大于2％。
    （4）护壁管安放。护壁管的作用是使堤顶不致过早劈裂，保证灌浆效果。护壁管为DN 100的无缝钢管，长5 m。下管方法：悬吊起护壁管放入孔内，上管口在离地1.0 m时用布缠绕护壁管，徐徐落下；在离地0.3 m时，再用布条二次封堵孔口并填土夯实，防止浆液从孔口冒浆。上述封孔方法在施工中效果较好。
    （5）灌浆。采用不分序依次向前推进的循环式劈裂灌浆法。所谓劈裂式，即在套管顶部加回浆管，当孔口压力过高时，从回浆管回浆，以加快浆液的流动性，减少和避免固形物在灌浆管中沉淀。灌浆流程（图1）。
    浆液由泥浆泵通过注浆管压入孔内，排气完毕后，关闭阀门，向孔内注浆直至大堤劈裂冒浆。注浆装置如图2所示。
    第一，泥浆比重的控制。制浆采用机械拌制，水与干土重量比为1∶1～1∶1.6。灌浆过程中根据吃浆量的大小变化，调节泥浆比重，吃浆量大时浓些，反之稀些。每孔初灌时，为打开浆路，采用比重为1.53～1.55 g/cm3的稀泥浆，随后逐渐增大泥浆稠度，一般控制在1.64～1.66 g/cm3之间，封孔泥浆比重控制在1.70～1.74 g/cm3之间，泥浆比重采用比重计测量。
    第二，时间间隔。初灌与第一次复灌的时间间隔为15 h，复灌1～2、2～3等以后的复灌间隔时间均为30 h。
    第三，灌浆压力。灌浆压力是保证灌浆质量的关键，压力过大会对大堤的稳定不利，过低则会降低灌浆效果，达不到预期目的。设计灌浆压力0.15～0.6 MPa，但在施工时，不把它作为控制性指标，而是以大堤劈裂冒浆为原则。灌浆时压力由小逐渐加大，达到0.15 MPa时持续灌浆5分钟，如仍不出现劈裂，加大注浆压力，直至堤顶劈裂。裂缝出现后，为了延长劈裂时间，适当减少注浆量（减少20％～30％），继续升压，直至劈裂冒浆。
    第四，结束标准。灌浆采用初灌一次，复灌两次。如果复灌2的吃浆量大于总吃浆量的15％，则应进行第三次复灌、第四次复灌……直至最后一次的吃浆量小于总吃浆量的15％为止。
    第五，封孔。终灌结束后在孔内注满容重大于1.6 g/cm3泥浆，浆面下沉后再灌，直至浆面不再下沉为止，施工中一般注入3～5次。
    第六，观测记录。灌浆过程中，应做好现场施工记录工作，动态观测灌浆过程中的各种变化，如劈裂缝的宽度、长度、方向的变化、地基的鼓起范围和高程、堤坡局部平面位移、各孔吃浆量等，以备查询。
    6 灌浆效果
    通过对观测记录分析，孔间劈裂缝的搭接率在80％以上，局部段达到100％，缝宽一般为4～13 mm，最宽的达到30 mm，平均单孔吃浆量为2.15 m3，最大单孔吃浆量为31.8 m3，吃浆量大的灌浆孔说明其周围存在较大的洞穴。灌浆结束后，随机挖深3.0 m、长3.0 m、宽1.5 m的深坑5个，深坑中劈裂缝由灌浆孔底部贯通到了堤顶，裂缝最宽处达到了30 mm，浆脉清楚，浆液固结体密实。距浆脉10 cm、30 cm处各取5组土样进行检测，10 cm组的干容重平均为15 kN/m3，30 cm组的干容重平均为14.6 kN/m3，灌浆效果明显，达到了堤防防渗加固的目的。