灌漿技術在農業水利工程堤壩防滲施工中的應用與效果分析

孫佳文

（阜康市水利局（阜康市水利工程技術服務中心）,新疆 阜康 831500）

1 堤壩發生滲漏的原因

堤壩是農業水利工程基礎設施建設的關鍵要素，常用于攔水、蓄水，在防洪抗旱等過程。對農業生產抵御雨澇自然災害中的作用較大。農業水利工程堤壩的堅固耐用安全性能提升了防滲漏的安全運行效果。如果防滲漏技術或工程質量存在問題，會帶來較大的風險隱患。例如“8.10”浙江岱山水庫堤壩由于滲漏預防控制不到位，在蓄水長時間高位的情況下，滲漏加劇導致潰壩，岱山縣的中段村被沖毀，人民群眾的生命財產受到了極大的損失和威脅。堤壩產生滲漏的主要因素：一是堤壩在建設修筑施工過程中，防滲漏技術不到位，存在局部段位裂縫、塌陷、沙眼等滲漏現象，隨著后期運行過程的不斷深化，導致滲水通道越來越大，在堤壩攔水量大，水位高、時間長的運行條件下，滲漏水道的壓力不斷增加，進而造成滲漏流速加快，導致潰壩；二是堤壩基礎的防水工程施工質量標準不高導致運維過程不達標。由于地基基礎周圍含水量較大，長時間的浸泡會導致堤壩基礎逐漸發生松軟或者塌陷現象，導致防水防滲能力減少。堤壩底部水的壓力較大，使蓄水過程不斷出現擠壓的情況，最終沖破堤壩基礎土層，形成外泄；三是堤壩的主體工程與堤壩地基的接壤位置施工中的滲漏裂縫、沙眼等處理不當，粘合不好，防滲漏功能不足，可以導致堤壩“攔腰斬斷”，使裂縫增加，滲漏現象加速，導致不同長度的潰壩或者大面積滲漏，出現非常嚴重的安全事故。

2 堤壩施工灌漿技術的工藝原理及工藝流程

在農業水利工程中，堤壩防滲施工的防滲技術就是利用水泥、黏土等建筑材料與化學聚合物添加劑混合攪拌成濃度不同的漿液，將堤壩的裂縫、沙眼部位開溝部位進行圍合，通過自然位置的落差或者注漿泵完成灌筑漿液作業，最終使漏點和相關的裂縫被漿液填充物灌入。在外力作用下不斷鉆進沉淀使壩體密實，最終形成有機的整體，有效防止滲漏，保證堤壩穩固，保障安全。農業水利堤壩防滲工程施工中常用的灌漿技術有劈裂式灌漿技術、速凝式灌漿技術、高壓填充式灌漿技術、灌漿加固技術等。

2.1 施工前準備

農業水利堤壩有土壩、砌體石壩、水凝混凝土壩、橡皮壩等多種材料構筑形式，不同的壩體防滲漏施工中應用的灌漿技術的建筑材料、方法模式不盡相同，無論是哪種堤壩，防滲漏施工都必須做好崗前技術培訓和材料、設備的準備工作。在該過程中，首先要對施工現場進行仔細勘查，確定滴漏封堵的整體和重點部位，計算工程量、需要的材料、機械設備等，根據土壩、砌體壩或者混凝土壩體的實際需求確定漿液組成材料的比例，按照施工需要選擇配置時間；其次圍繞壩體滲漏部位劃定封堵范圍，清理壩體滴漏縫隙、管孔鉆孔表面周圍的附著物、污染物或者灰塵，找到壩體構筑材料的結構層，土壩要見到土體結構的新土層，混凝土壩要看到混凝土結構的結構層，清理干凈，不留灰塵；最后配比漿液。根據壩體部位和縫隙、管孔大小、深度，制作相應需要的漿液，選擇相應的加固材料。

2.2 開溝、打孔

根據壩體的結構組成不同，例如土體結構、砌體結構、混凝土結構等，結合實際滲漏部位進行綜合開孔，例如主體結構、基礎結構等。合理選擇相應的開溝、打孔的機械設備，例如旋挖鉆機、電鋸和鉆頭等。力求鉆工工藝與施工實際流程相吻合。開溝寬度及孔眼深度，必須保證漿液填充物充分凝固，完全封堵滲漏通道，防滲漏、加固作用明顯。

2.3 表面沖洗清理

壩體裂縫的切開擴面或者滲漏管孔的鉆深過程中，施工作業中都會產生一些碎渣和灰塵，要及時對表面污漬和雜質進行及時的清理，過程不潔凈就無法保證漿液黏合物與壩體結構的完全結合，最終會導致防滲漏效果不強。因此孔縫周圍的雜質灰塵清理至關重要，這同樣也是灌漿技術工藝流程的主要內容，在加工過程中還要進行適當地風吹、沖洗或者相關的化學凈化處理，使灌注漿液與縫隙和滴漏管孔周圍結構完全黏合。

2.4 性能測試

擴孔施工完成后，完成表面清理凈化施工，還需要對管孔周圍壩體材料吸水率進行測定，以確定漿液的濃度和實際需要的注入壓力，同時也要綜合配備合適的注漿泵設備。一般情況下，管孔的性能測試就是進行壓水試驗，壓水試驗獲取的數據是后續施工各個環節參考的主要技術指標，對孔縫封堵施工能否順利完成至關重要，同時也是制定灌漿技術實施方案的基礎。在壓水試驗中充分了解壩體結構抗擊縫隙、管孔水流沖擊能力、阻止發生滴漏的具體性能條件。

2.5 灌漿施工

灌漿施工是農業水利堤壩防滲漏加固工程的核心內容，其過程包括一次性灌注施工和循環多次灌注施工，也包括自然灌注施工和機械灌注施工；一般情況下，一次性灌注施工，主要用于壩體日常養護過程中微小縫隙或沙眼、局部凹陷面的處理；多次循環灌注施工則是在裂縫較大或者開裂變化速度較快的情況下，要求固定作用顯著，有明顯控制滲漏的要求；自然灌注技術主要應用于水平開裂或者滲漏通道的封堵施工中，機械灌注技術主要應用于堤壩的立縫或者自然灌縫封堵效果不明顯的情況下，主要是增加灌漿的壓力，確保漿液全面滲透灌入，使壩體成為一體，抗滲漏能力增強。整體的施工工藝流程圖如圖1 所示。1）堤壩左右槽位置處分別安裝有灌漿鉆孔，在實際的開挖過程中主要采用固定架位的鉆機來進行鉆孔，同時采用卷揚機的升降過程進行排架。2）鉆孔的孔距與實際之間的設計誤差不應超過10cm。3）鉆孔孔徑根據現場的實際工作條件進行設置，最優的參數孔徑為Ф75mm。4）鉆機安裝過程需要牢固并且平穩，鉆孔位置對齊、方向準確。5）灌漿孔施工也要按照灌漿程序進行，分兩道工序進行施工，二者之間可以進行同時施工的過程，施工順序為I 序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔。

圖1 灌漿施工工藝流程圖

3 灌漿技術在農業水利工程堤壩防滲施工的計算案例

在該文探討的案例中，壩肩主要是由階地堆積的各類土壤提復合而成，其中四級階地堆積層底部的砂礫石層厚0.7m～1.5m，邊坡角的方位為41°～43°。其整體的運行過程較為平穩，自然狀態下的狀態基本穩定。在風化的過程中，強風化砂巖以及礫巖都屬于是C Ⅳ類壩基巖體。根據現場的勘查設計資料進行綜合分析，其左岸的卸荷帶水平寬度2.0m～3.0m，其主要存在的工程地質問題為石層的表面風化所導致的滲漏。砂礫石層視為有壓流的計算過程如下。

式中：為階地流量；為砂礫石滲透系數；為揚程高度；為含水層厚度。

基巖視為無壓流的計算過程：

式中：為河床流量；為基巖滲透系數；為揚程高度；為基巖厚度；為水頭高度。

最終壩基的滲漏計算公式：

式中：為基巖滲透系數；為揚程高度；為滲透層厚度；為分帶寬度。

式中：為單寬滲透量；為分帶寬度；Q為流量。

式中：為總流量。

壩基滲漏計算結果見表1。

表1 壩基計算統計結果

在完整的性能計算后才能夠得出具體的灌漿參數，同時還要注重灌漿過程的要點：第一，灌漿壓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層中，尤其是在加工過程中其灌漿壓力超過一定的參數定值時，往往會出現滲透現象和劈裂現象。對具有較小孔隙的細沙來說，各類縫隙仍舊是細沙存在較多的節點位置，往往分布于劈裂的形式，少見于滲透的工況。這是灌漿中需要重點觀察的關鍵要素。第二，在地下土壤能夠可見變形的作用基礎下，才能夠更好的發揮出黏土的基本效應，實現過程可灌。為了能夠最大限度地減少地形變化所引起的變形作用，需要采取綜合降低灌漿壓力的方法來消除灌漿壓力，減少劈裂以及滲透。

4 灌漿技術在農業水利工程堤壩防滲施工中的應用

4.1 劈裂式灌漿施工技術的應用

劈裂式灌漿施工技術需要的設備主要有鉆孔機、攪灌機、注漿泵等，操作流程較為簡便，經過崗前操作技術培訓，即可上崗作業。

漿液灌注施工要求一氣呵成，一旦施工出現中斷，就對漿液統一凝固形成不良的效果，亟需注意的技術操作要點和相關事項，一旦灌漿施工中斷，必須侵襲鉆孔。后續灌漿施工中，出現鉆孔不能順利吸漿，要重新打孔，進行新的灌注作業。灌漿過程若發生串漿，必須立即排出漿孔中的泥漿，把該孔堵塞，嚴格控制串漿的反復發生。

灌漿施工作業完成，馬上清理去除鉆孔內的污物，全部處理干凈，用砂漿抹平封閉鉆孔。

4.2 試驗結果分析

在對各類孔洞進行灌漿輸入之前，需要對施工場地進行參數化壓水測試，以期能保證系統運行穩定。在系統化的明確原始透水能力的基礎上，通過綜合強化單位吸水量來提升壩基的基礎上防滲透能力。根據相關的測試過程可知，各次級孔的吸水量頻率累計過程如圖2 所示。

圖2 各次序孔單位吸水量累計頻率

由第1 次序孔單位吸水量頻率累計曲線可知，第1 次序孔的吸水量明顯大于10L/ MPa·m·min，并且其段數占據到整體段數分布的30%以上。同時大于1L/ MPa·m·min 的段數占據到整體段數的10%。由此可以綜合分析，隨著灌漿數和灌漿次序的不斷提升，其實單位吸水量的含量逐漸降低，其過程符合工程應用的正常參數規律。在灌漿測試結束之后開始對各個次序的孔洞開展相關的壓水測試，其結果參數滿足單位吸水量的相關參數要求（單位吸水量均＜1L/ MPa·m·min）。

4.3 工程應用

工程開工之前，首先對檢查孔進行壓水檢驗，綜合測試堤壩的整體穩定性情況。首先采用了與計算結果一致的壓力進行灌漿操作，時間保持在45min 內，持續操作2h以上。其過程首先要觀察是否有明顯的冒水現象，同時還要在巖心內部的裂隙中能夠明顯的觀察到有水泥漿的相關填充物，滿足以上條件即可開展實際施工。根據4.2 節的相關測試結果，灌漿試驗的相關參數操作建議如下：①根據灌漿的相關測試結果，在綜合平衡相關的經濟性能后，確定基本的灌漿間距為1.5m。②灌漿方式采用常規的自下而上式的反距離灌漿。③灌漿過程的距離劃分段落為“2m-5m-5m”過程，在不斷下漿的過程中還要結合槽巖基來開展輔助性工作。④灌漿壓力在不同層級范圍內采用不同的灌漿壓力，其中第一段為0.4MPa，第二段為0.8MPa，后續依次遞增。

在綜合確定了壩基的補償灌漿的方案過程后，開始正式的施工過程，根據表1 計算的基礎參數進行計算后，計算得到補償灌漿的計算工作量依據，其參數結果數據見表2。

表2 補強灌漿試驗段鉆孔灌漿工作量數據

在補漿過程中也要保證相關的施工流程穩定，具體的施工過程可以參照三步施工法進行：一是合理地布局孔間距。根據堤體的豎直度、彎曲度，結合壩體發生病害隱患的實際情況，選擇相應的梅花式打孔布局或者直線式打孔布局；二是鉆孔灌漿。打孔作業完成后，依次進行便面清理、壓水性能測試等，同時，根據需要制備灌注施工需要的漿液；三是灌漿施工順序。從孔眼底部開始灌注，用漿液的壓力劈裂病害壩堤，漿液在壩體表面凝結。逐漸形成新的覆蓋保護層，從內部將壩體與地層重新粘合到一起，形成新的穩定結構。

5 結語

農業水利工程堤壩防滲施工事關防洪抗旱，控澇減災，對農業生產的影響很大，也是保障水庫周邊人民群眾生命安全的重要舉措，積極采用合理的灌漿施工技術能夠加強堤壩的防滲功能、確保農業增收、促進鄉村振興，因此，農業水利部門，庫渠建設單位，必須對相關技術進行探討。