堤防灌浆加固与防渗技术图文详解

灌浆技术是利用压力将能固结的浆液通过钻孔注入岩土孔隙或建筑物的裂隙中，使其物理力学性能改善的一种方法。

    一、灌浆分类

    1.按照灌浆的作用来划分 （1）固结灌浆 ；（2）帷幕灌浆；（3）接触灌浆。
    2.按照基础的构成来划分 （1）砂砾石灌浆；（2）岩石灌浆。
    3.按照灌浆材料来划分 （1）水泥灌浆；（2）水泥粘土灌浆；（3）化学灌浆。
    4.按照使用的压力来划分 （1）常压灌浆；（2）高压灌浆。
    5.按照灌浆工艺所依据的理论来划分 （1）渗入性灌浆；（2）劈裂灌浆；（3）压密灌浆
    还有其他不同的分类方法，如常见到的有充填灌浆、裂缝灌浆、应急灌浆、纠偏灌浆、界面灌浆等等。

    二、灌浆材料

    用于堤防工程的灌浆技术，是在灌浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入孔隙和裂隙，压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就大，因此又称渗入性灌浆。这种灌浆是在地层结构不被破坏的条件下渗入地层，因而浆液的颗粒尺寸必须小于土的孔隙尺寸，也就是说，浆液必须满足地层的可灌性条件，因此浆材的选用尤为重要。

适合于堤防灌浆的材料主要有以下几种：
    1.水泥浆 水泥浆是由水泥和水混合经搅拌而制成的浆液.为了改进浆液性能，有时需要在浆中加入少量的添加剂。
    水泥浆液具有来源丰富，价格便宜，浆液结石体抗压强度高、抗渗性能好、工艺设备简单、操作方便等优点，但是水泥浆液是一种颗粒状的悬浮材料，受到水泥颗粒粒径的限制，通常用于粗砂层的加固。
    2.粘土浆 粘土浆是粘土的微小颗粒在水中分散，并与水混合形成的半胶体悬浮液。选择灌浆用的粘土，一般有如下几个要求：
塑性指数 17；
粘粒（粒径小于0.005mm）含量不小于40％～50％；
粉粒（粒径0.005～0.05mm）含量一般不多于45％～50％；
含砂量（0.05～0.25mm）不大于5％。
    粘土浆的结石强度和粘结力都比较低，抗渗压和冲蚀的能力很弱，故仅在低水头的防渗工程上才考虑采用纯粘土浆灌浆。
    在粘土浆液中，加入水玻璃溶液，可配制成粘土水玻璃浆液，水玻璃加量为粘土浆的10％— 15％，浆液的凝结时间可缩短为几十秒至几十分，固结体渗透系数为10 5～10 6cm/s。
    3.水泥粘土浆 水泥粘土浆是由水泥和粘土两种基本材料相混合所构成的浆液。水泥和粘土混合可以互相弥补缺点，构成性能较好的灌浆浆液。
    水泥粘土浆液较单液水泥类浆液成本低，流动性、抗渗性好，结石率高，目前大坝的砂砾石基础的防渗灌浆帷幕，几乎都是采用水泥粘土浆灌注的。
    4.水泥— 水玻璃浆液 水泥— 水玻璃浆液是以水泥和水玻璃溶液组成的一种灌浆材料。它克服了水泥浆液凝结时间过长的缺点，水泥— 水玻璃浆液的胶凝时间可以缩短到几十分钟，甚至数秒钟。可灌性比纯水泥浆也有所提高，尤其适合在动水状态下粗砂层地基的防渗加固处理。
    5.水泥砂浆 在对较大缺陷的部位灌浆时，可采用水泥砂浆灌浆，一般要求砂的粒径不大于1.0mm,砂的细度模数不大于2。
    在水泥砂浆中加入粘土，组成水泥粘土砂浆，水泥起固结强度作用，粘土起促进浆液的稳定作用，砂起填充空洞的作用。水泥粘土砂浆适用于静水头压力较大情况下的较大缺陷，大洞穴的充填灌浆。
    6.水玻璃类浆液 水玻璃类浆液是由水玻璃溶液和相应的胶凝剂组成。灌入地层后，经过化学反应生成硅酸凝胶，在土（砂）的孔隙中充填，达到固结和防渗堵漏的目的。
    水玻璃浆液的粘度小，流动性好，在用水泥浆或粘土水泥浆难于处理的细砂层和粉砂层地基，可使用水玻璃浆液。
    在堤防基础的加固及防渗处理施工中，浆液的可灌性是决定灌浆效果的最重要参数
    堤基灌浆可以用下式评价其可灌性：
M=D15/d85                               (5-1)
式中：M为灌入比；D15为受灌地层中15％的颗粒小于该粒径(mm)；d85为灌注材料中85％的颗粒小于该粒径(mm)。
    M 15可灌注水泥浆；M  10可灌注水泥粘土浆。如可灌性不好，可采用水玻璃类浆液灌浆。几种灌浆材料的主要特点见表5— 2
表5— 2 几种灌浆材料的主要特点

    上述几种材料中，除水玻璃浆液外，价格都比较低，水玻璃浆液的价格比其它浆液的价格要高一些，工程多采用水泥浆和水泥粘土浆。对一些非均质的粉砂土地基还可以采用水泥和水玻璃浆液分别灌注的方法，达到复合加固的目的。
    水泥浆液只能灌入粗砂层，而对颗粒细、孔隙小、工程特征欠佳的粉砂土地基，水泥灌浆只能进入地基土体结构受到破坏而形成的空洞或裂缝中，起不到防渗灌浆的作用，难以提高地基的抗渗性能。而水玻璃浆液可以进入细砂层和细砂层的孔隙。
    采用复合灌浆方法，可取长补短，先用水泥灌浆处理，使水泥浆液先行填充地基土体中大小不一的孔洞和裂隙，经48小时的沉淀和固化，然后对同一孔进行清孔，再灌注水玻璃浆液(如酸性水玻璃浆液)。这样既可以充分发挥水泥浆液强度高的特点，又可以充分利用水玻璃浆液的优点，提高注浆的效果。这种复合灌浆的方法，已在江苏丰县废黄河畔的范楼闸应用，粉砂土的渗透系数由2.7-4.7×10-4cm/s降至1.3×10-7cm/s以下。

    三、灌浆工艺

  （一）灌浆加固工艺
    1.灌浆孔的布设。加固灌浆孔的布设常用方格形、梅花形和六角形，见图5－1。方格形的主要优点是便于补加灌浆孔，在复杂的地区宜采用这种方法，而梅花形和六角形布孔的主要缺点是不便于补加灌浆孔，预计灌浆后不需补加孔的地基多采用这种形式。
    2.钻孔。钻孔可采用机钻、锥钻、打管等各种成孔方法。
    3.灌浆施工技术要点
（1）采用“围、挤、压”的原则，就是先将灌浆区圈围住，再在中间插孔灌浆挤密，最后逐序压实，这样易于保证灌浆质量。最好采用分序灌浆的办法。

图5－1 灌浆孔布置图
（2）在可能的情况下，以采用较大的压力为好。
（3）灌浆开始时，以稀浆开始，采用逐步加稠的方法。

（二） 帷幕灌浆工艺
    灌浆技术除作为加固地基外，也适合堤防工程透水地基的防渗处理，构筑防渗帷幕。
   1.帷幕的设置
  （1）帷幕的位置
  堤防基础的灌浆帷幕应与堤防防渗体（多由粘土一类的不透水材料所构成）相连，因此帷幕宜设在堤防临水侧铺盖下或临水坡脚下，见图5—2
（2）帷幕的形式
1）均厚式帷幕 帷幕各排孔的深度均相同。称为均厚式帷幕。在砂砾石层厚度不大，灌浆帷幕不甚深的情况下，一般多采用这种形式。
2）阶梯式帷幕 在深厚的砂砾石层中，因为渗流坡降随砂砾石层的加深（即随帷幕的加深）而逐渐减小，故设置深帷幕时，多采用上宽下窄呈阶梯状的帷幕。幕宽的部位，灌浆孔的排数多；幕窄的部位，灌浆孔的排数少。

图5—2 灌浆帷幕位置示意图
（3）帷幕的深度和厚度
    一般情况下，帷幕深度宜穿过砂砾石层达到基岩，这样可以起到全部封闭渗流通道的作用。帷幕的厚度（T）主要是根据幕体内的允许坡降值来确定的。但可按下式作初步估算：
T=H/J                （5-2）
式中 H为最大作用水头，m；J为帷幕的容许比降，对一般粘土浆可采用J≤3～4。
    对于砂砾石厚度较浅，一般设置1～2排灌浆孔即可，对基础承受的水头超过25～30m时，帷幕的组成才设置2～3排。
    灌浆孔距主要决定于地层的渗透性、灌浆压力、灌浆材料等有关因素，一般要通过试验确定，通常孔距为2～4m。如果在灌浆施工过程中，发现浆液扩散范围不足，则可采用缩小孔距，加密钻孔的办法来补救。

    2.帷幕灌浆方法
    钻孔灌浆方法主要有打花管灌浆法、套管护壁法、循环钻灌法和袖阀管法。
    （1）打花管灌浆法 首先在地层中打入一下部带尖头的花管，然后冲洗进入管中的砂土，最后自下而上分段拨管灌浆。见图5—3。此法比较简单，但遇卵石及块石时打管很困难，故只适用于较浅的砂土层。
    （2）套管护壁法 套管护壁法的施工见图5— 4所示，边钻孔边打入护壁套管，直至预定的灌浆深度（a），接着下入灌浆管（b），然后拔套管灌注第一灌浆段（c），再用同法灌注第二段（d）及其余各段，直至孔顶。
    （3）循环钻灌法 如图5—5，这种方法仅在地表埋设护壁管，而无需在孔中打入套管，自上而下钻完一段灌注一段，直至预定深度为止，钻孔时需用泥浆固壁或较稀的浆液固壁。如砂砾层表面有粘性土复盖，护壁管可埋设在土层中（a），如无粘土层则埋设在砂砾石层中（b）。

图5—3 打花管灌浆法

图5－4 套管护壁灌浆法

图5—5 循环钻灌法

图5— 6 袖阀管法施工程序
（4）袖阀管法
    袖阀管法的施工可分四个步骤，见图5—6。 钻孔 用优质泥浆（如膨润土）固壁，不用套管护壁（a）；插入袖阀管 为使套壳料的厚度均匀，应设法使袖阀管位于钻孔的中心（b）；浇注套壳料 用套壳料置换孔内泥浆（c）；套壳料的作用是封闭袖阀管与钻孔壁之间的环状空间，防止灌浆时浆液流窜，套壳在规定的灌浆段范围内受到破碎而开环，逼使灌浆浆液在一个灌浆段范围内进入地层。灌浆 待套壳料只有一定强度后，在袖阀管内放入带双塞的灌浆管进行灌浆（d）。
    灌浆方法的选用主要取决于施工队伍的经验和技术熟练程度，其中打花管法灌浆最为简单，袖阀管法比较复杂一些，但施工质量较高。袖阀管法可根据需要灌注任何一个灌浆段，还可以进行重复灌浆。而且可使用较高的灌浆压力，冒浆和串浆的可能性小。
    在砂砾石层灌浆中，对灌浆压力的确定，目前还缺乏统一的、比较准确的计算灌浆压力的公式。灌浆初期，也可先凭经验预估的压力灌浆，然后根据吸浆情况以及对地表的观察，视有无冒浆或抬动变形情况，再做压力调整。
    灌浆的施工机具比较简单，可采用专用灌浆泵，也可以自行用普通的泥浆泵加设一个简单的搅拌器组成。对进浆量较小的粉砂层灌浆，也可以采用简单的手压注浆泵或隔膜泵来代替。

    （三）灌浆效果检查
    灌浆法作为地基加固和地基防渗处理，灌浆效果的检查还没有比较合适的标准，但一般常用下列几个方法判断。
    1.浆液的灌入量 同一地区堤防地基的差异不是很大，可以根据各孔段的单位灌入量来衡量。
    2.压水试验 设检查孔做压水试验，以单位吸水量值表示幕体的渗透性。

    四、堤身劈裂灌浆

    劈裂灌浆是利用堤身的最小主应力面和堤轴线方向一致的规律，以土体水力劈裂原理，沿堤轴线布孔，在灌浆压力下，以适宜的浆液为能量载体，有控制地劈裂堤身，在堤身形成密实、竖直、连续、一定厚度的浆液防渗固结体，同时与浆脉连通的所有裂缝、洞穴等隐患均可被浆液充填密实。适应于处理堤身浸润线出溢点过高、有散浸现象、裂缝（不包括滑坡裂缝）、各种洞穴。
    堤身劈裂灌浆防渗处理，多采用单排布孔。孔距5～10m。在弯曲堤段应适当缩小孔距。
    劈裂灌浆和锥探充填灌浆浆液多采用土料浆，参见表5－3、5－4。根据不同的需要可掺入水泥、各种外加剂。
表5－3 浆土料选择表

    灌浆孔口压力以产生沿堤线方向脉状扩散形成一连续的防渗体，但又不得产生有害的水平脉状扩散和变形为准，需要现场灌浆试验或施工前期确定。堤防灌浆口压力多在0.1～1MPa间。
    堤身劈裂灌浆应“少灌多次”，分序灌浆，推迟坝面裂缝的出现和控制裂缝的开度在3cm之内，并在灌后能基本闭合。每孔灌浆次数应在5次以上，每次灌浆量控制在每米0.5～1m3之间。形成的脉状泥墙厚度应在5～20cm之间。一年后脉状泥墙的容重应大于14kN/m3，一般可达15～17 N/m3，水平向渗透系数达10-6～10-8cm/s。
    考虑到堤身应力，劈裂灌浆应在不挡水的枯水期进行，同时应核算灌浆期堤坡的稳定性，进行堤身变形、裂缝等观测，以策安全。对于较宽的堤防，也应核算堤身应力分布，避免贯穿性横缝产生。
表5－4 浆浆液物理力学性能表

    劈裂灌浆钻孔均是一次成孔。在冲击钻进中一般采用取土钻头干钻钻进或冲击锤头锥击钻进。在回转钻进中最好采用泥浆循环钻进，特别是在一些较重要的水利工程堤坝施工中，应合理选用冲洗液循环钻进，采用清水钻进时，应依据堤坝的土质条件、渗透程度来慎重选用。钻孔孔径可小到Φ25mm，一般孔径在Φ60-Φ130mm之间。所有灌浆钻孔均需埋设孔口管，使顶部灌浆压力由孔口管承担，可施加较大的灌浆压力，促使浆液析水固结，有利于提高浆液的固结速率和浆体结石的密实度。
    灌浆压力是劈裂式灌浆施工中的一个重要参数。应注意掌握：起始劈裂压力、裂缝的扩展压力、最大控制灌浆压力。灌浆压力的大小不仅与灌浆范围大小、水文工程地质条件等因素有关，而且还与地层的附加荷载及灌浆深度有关，所以不能用一个公式准确地表达出来，应根据不同情况通过经验和灌浆试验确定。
    灌浆过程中，对冒浆、串浆、隆起等一些特殊情况做好相应的处理。必须做好灌浆结束后的封孔工作。
    灌浆效果检查有：标准贯入试验、弹性波法、现场透水试验、现场载荷试验等。

浆液 粘土 水泥

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