粘土固化劑防滲灌漿在株洲市天元區湘江堤防三門段水毀修復工程中的應用

王順

株洲市水利水電規劃勘測設計院 湖南株洲 412007

1 工程概況

湘江堤防三門段水毀堤防位于天元區三門鎮，湘江左岸，長度650m，該段下游距離株洲航電樞紐約700m，屬三門保護圈。

湘江堤防三門段，歷經多年的洪水考驗，為三門保護圈的防洪抗災發揮了巨大的作用。由于該該堤防建設時，堤身填土質量較差，堤基清基不徹底，有一定的滲漏隱患。2019 年7 月，株洲市汛期經歷洪水考驗時，三門段防出現了滲漏、管涌、翻砂現象，以及背水坡局部滑坡。經過這次洪水考驗后項目區的堤防滲漏隱患問題已暴露，影響堤防安全，危及人民生命財產安全，為了更好的發揮堤防的防洪效益，消除安全隱患，對該處堤防進行除險加固十分必要[1]。

2 防滲方案選擇

已建堤防的垂直防滲根據經驗常用的一般有水泥土防滲墻、沖抓回填防滲墻、高壓噴射灌漿成墻、塑性薄壁混凝土防滲墻幾種，這幾種措施各有優缺點。

（1）水泥土防滲墻。優點是防滲成墻效果好、施工工效高，且造價低，相當于高壓噴射灌漿的1/5 ～1/4；缺點是防滲深度一般在20m 以內，穿越地層只能是土層及粉細砂及砂礫層，且砂礫層中不能有超過6cm 的卵石，施工平臺寬度不小于4．0m。

（2）沖抓套井回填粘土防滲墻施工技術。優點在于設備較為簡單，施工人員比較少、施工便捷、工程造價低、工效高、工程量總體較小，防滲效果比較好；缺點是對回填土料要求較高，且需控制好井內滲水。

（3）高壓噴射灌漿成墻。優點是防滲墻成墻效果好、施工功效高，適用地層較廣，可在中等砂卵石層進行，且要求的施工場地寬一般在1．5m ～2m 寬就可以了；缺點是造價高。

（4）塑性薄壁混凝土防滲墻。優點是適用地層廣，處理深度可達45m，自身造價適中；缺點是對施工要求高，施工路面寬度要求在8m～10m。

（5）粘土固化劑。優點是適用地層廣，施工簡便，自身造價適中；對施工要求高，施工過程中應加強控制，防止漿液外溢，影響環境。

本次防滲的深度均不超過20m，常見的防滲技術在處理深度上都可滿足，具體采用哪種方法主要考慮地層的適宜性與造價及施工的難易上。根據測量及地勘成果：該處項目區內土料場較遠，優質土料較少，如若采用沖抓套井回填粘土防滲墻則造價會較高，且該處項目區均位于株洲航電樞紐庫區范圍，常年水位較高，會造成套井內滲水較嚴重，不易抽干，因此該工程不考慮沖抓套井回填粘土防滲墻方案；該段湘江防洪堤堤身中塊石不均勻分布，不均勻分布，不能滿足水泥土防滲墻的施工條件；該段湘江防洪堤堤頂道路是當地村民進出主要道路，采用塑性薄壁混凝土防滲墻施工占用道路太多，會中斷當地交通，因此塑性薄壁混凝土防滲墻方案也不適用于本工程[2]。

經過比選后，湘江防洪堤三門段的防滲適用粘土固化劑防滲。根據上述分析，粘土固化劑防滲對該段堤防來說是最經濟、最合適的防滲方案。

3 防滲方案設計

粘土固化劑灌漿技術的優點是：粘土固化漿液吸水性大且基本無析水性；初始粘度、膠凝時間可控；結石體早期強度上升較快且可控，標準養護28 天抗壓強度可達6 ～7Mpa、滲透系數達到10-6cm/s 量級。在抗地下水稀釋性、流動性、可灌性、膠凝體積膨脹性、固化性、穩定性等方面優勢明顯；防滲體結構密實且強度高、抗震性好。在工程應用實踐中取得了明顯的技術、經濟效益。在膠凝體的膨脹性和強度和穩定性相結合方面達到國際先進水平（摘自水利部科技司鑒定意見）。施工設備簡單、操作容易、造價適中、施工方法成熟、防滲效果顯著、維護周期長、綠色環保。

3.1 灌漿孔距

粘土固化劑灌漿鉆孔布置在離堤頂中心線外側2．5m 處，孔距1．2m、排距0．6m，雙排布置。

3.2 灌漿孔深及孔徑

粘土固化劑灌漿深度為深入壤土、沙壤土層以下1．0m，孔徑110mm。

3.3 灌漿材料及灌漿壓力

土料選用粘土，要求粘土的黏粒含量不小于25%、塑性指數不小于15，水泥選用32．5 以上的普通硅酸鹽水泥，粘土固化劑選用特定的專利產品，水料比一般控制在1．5：1 ～1：1。灌漿壓力一般將回漿壓力控制在0．1 ～0．2Mpa，可通過灌漿試驗確定。

3.4 粘土固化劑漿液配制

粘土固化劑灌漿技術的使用關鍵在制漿，要求粘土必須粉碎成符合水料比的泥漿、粘土固化劑與水泥人工預先干拌后一次性倒入高速攪拌桶攪拌7 ～10min。漿液的最優配比一般需要通過制作試件和具體的地質狀況進行確定。

3.5 灌注工藝

粘土固化劑灌漿工藝采用循環和純壓式相結合的方式進行。一般采用從下至上的灌漿方法。

4 堤身滲流計算

4.1 典型斷面選擇

對工程區內該段堤防分別選取該段中最不利斷面即堤身較高且有較厚的透水層進行分析計算。針對本次工程中出現的險情，選取三門段湘江防洪堤最危險斷面(LK43+250)作為典型斷面進行分析計算。

4.2 計算斷面滲透指標的確定

滲流計算斷面的滲透分區主要根據現場地質勘探的資料、室內土工實驗資料，并結合堤防建設情況進行分區。

根據地質勘探資料：湘江防洪堤三門段自上而下依次為素填土滲透系數2×10-4cm/s，淤泥質壤土滲透系數5×10-5cm/s，沙壤土滲透系數1．2×10-3cm/s，含礫粉細砂滲透系數2×10-3cm/s，砂礫石滲透系數2×10-2cm/s，強風化砂礫巖滲透系數3×10-4cm/s。根據工程經驗粘土固化劑防滲墻滲透系數取2×10-6cm/s。

4.3 堤防滲流計算方法

滲流分析計算采用北京理正研究院編制的《滲流計算分析程序》，該程序可采用有限元分析法。經多處工程實例對比計算驗證，程序計算結果符合常規并具有較高的精度，能夠滿足本工程設計要求。

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）的規定，結合本工程實際情況，本文滲流復核計算僅考慮工況：臨水側為設計洪水位44．59m，背水側無水。

4.4 滲流計算公式

穩定滲流有限元分析基本方程為：

式中：

[K]——透水系數矩陣；

{H}——總水頭向量；

[M]——單元儲水量矩陣；

[Q]——流量向量。

非穩定滲流有限元分析基本方程為：

式中：

?t——時間增量；

H1——時間增量結束時的水頭值；

H0——時間增量開始時的水頭值；

Q1——時間增量結束時的流量值；

Q0——時間增量開始時的流量值；

其他符號的意義同前。

4.5 滲流計算結果

根據上述確定的計算原則、參數及工況，滲流計算成果圖如下。

根據以上的防滲方案及數據，對加固后的堤防滲流進行復核，局部滲流的最大比降值、逸出段滲透比降及單寬滲流量見表1。

表1 典型斷面滲流穩定計算成果表

由以上結果表1可以看出，經過堤身堤基防滲處理后，均滿足規范要求。

①滲透比降

通過滲流分析計算復核結果，可得到以下結論：

堤身內部最大滲透比降為0．11，而堤身填土允許滲透比降[J]=0．33 ～0．37，堤身內部滲流性態安全；下游堤基最大滲漏比降為0．9，而堤基土允許滲漏比降為[J]=0．83 ～0．92，堤基滲流性態安全；下游堤坡出逸段最大滲透比降為0．59，而堤身填土允許滲透比降為[J]=0．83 ～0．92，堤坡滲流性態安全。

②下游出逸點高度和單寬流量

在設計洪水位時背水側堤坡出逸點高度為1．32m，堤身和堤基單寬滲漏流量為0．63m3/d。由計算結果可知，做完防滲措施后堤身和堤基單寬滲漏流量大大減少，但背水側堤坡出逸點過高，滲水經堤坡溢出后順坡面流淌，將對堤坡穩定產生不利影響，因此加固設計時須在背水側坡腳考慮堤身排水設施，本工程設計排水盲溝。

4.6 防滲效果

該堤防防滲工程經過質量檢測，防滲技術指標完全達到設計要求。工程完工后，截止到目前該段堤防已在相對高水位運行過，未再次出現漏水現象，防滲工程經歷住了洪水考驗，該防滲技術在本工程的應用是成功的[3]。

5 制漿及灌漿工藝要點

5.1 制漿工藝

采用天然粘土造漿的制漿工藝流程：

5.2 灌漿工藝

應用循環式以及純壓式之間結合的綜合灌漿形式，保障漿液可以達到一些細小縫隙以及有效擴散的具體。在灌漿開始前，必須全部打開循環閥， 方便灌漿開始后可以排除灌漿孔中空氣以及水，等到排干凈水以及空氣再開始進行回漿，進而關閉回漿閥。

孔口必須通過專人進行查看回漿閥以及壓力表，保證回漿壓力滿足設計值。

為確保漿液不從孔口套管周圍冒出，應從孔口順著套管開挖至土層以下30cm 處，并用封口袋圍著套管扎緊筑實，然后用粘土夯緊，制成孔口壓漿板。

6 結語

粘土固化劑防滲灌漿技術從2010 年開始在湖南省婁底、益陽、邵陽、懷化、瀏陽等地區的病險水庫除險加固工作中應用實例已超過300 座；2015 年在洞庭湖的湘陰縣北湖垸、義合金雞垸，南縣南鼎垸的堤防除險加固的試驗應用已通過了三年的高水位穩定運行，防滲效果良好。從株洲市天元區湘江干堤三門段堤防水毀修復工程的案例來看，粘土固化劑在堤防防滲加固中的應用，即徹底解決了堤防的滲漏問題，保證了堤防工程的安全與穩定，且其施工工藝簡單，工程造價低、施工工期短，施工材料易得等優勢。