王順

株洲市水利水電規(guī)劃勘測設(shè)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(qū)三門鎮(zhèn)，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(hù)圈。

湘江堤防三門段，歷經(jīng)多年的洪水考驗，為三門保護(hù)圈的防洪抗災(zāi)發(fā)揮了巨大的作用。由于該該堤防建設(shè)時，堤身填土質(zhì)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(jīng)歷洪水考驗時，三門段防出現(xiàn)了滲漏、管涌、翻砂現(xiàn)象，以及背水坡局部滑坡。經(jīng)過這次洪水考驗后項目區(qū)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(chǎn)安全，為了更好的發(fā)揮堤防的防洪效益，消除安全隱患，對該處堤防進(jìn)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(jù)經(jīng)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(yōu)缺點。

（1）水泥土防滲墻。優(yōu)點是防滲成墻效果好、施工工效高，且造價低，相當(dāng)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(nèi)，穿越地層只能是土層及粉細(xì)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(shù)。優(yōu)點在于設(shè)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(nèi)滲水。

（3）高壓噴射灌漿成墻。優(yōu)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(jìn)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(yōu)點是適用地層廣，處理深度可達(dá)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(yōu)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(yīng)加強(qiáng)控制，防止?jié){液外溢，影響環(huán)境。

本次防滲的深度均不超過20m，常見的防滲技術(shù)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(jù)測量及地勘成果：該處項目區(qū)內(nèi)土料場較遠(yuǎn)，優(yōu)質(zhì)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(qū)均位于株洲航電樞紐庫區(qū)范圍，常年水位較高，會造成套井內(nèi)滲水較嚴(yán)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?shù)缆肥钱?dāng)?shù)卮迕襁M(jìn)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(dāng)?shù)亟煌ǎ虼怂苄员”诨炷练罎B墻方案也不適用于本工程[2]。

經(jīng)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(jù)上述分析，粘土固化劑防滲對該段堤防來說是最經(jīng)濟(jì)、最合適的防滲方案。

3 防滲方案設(shè)計

粘土固化劑灌漿技術(shù)的優(yōu)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(jié)石體早期強(qiáng)度上升較快且可控，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天抗壓強(qiáng)度可達(dá)6 ～7Mpa、滲透系數(shù)達(dá)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(wěn)定性等方面優(yōu)勢明顯；防滲體結(jié)構(gòu)密實且強(qiáng)度高、抗震性好。在工程應(yīng)用實踐中取得了明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。在膠凝體的膨脹性和強(qiáng)度和穩(wěn)定性相結(jié)合方面達(dá)到國際先進(jìn)水平（摘自水利部科技司鑒定意見）。施工設(shè)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(hù)周期長、綠色環(huán)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(cè)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(shù)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(chǎn)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(shù)的使用關(guān)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(yù)先干拌后一次性倒入高速攪拌桶攪拌7 ～10min。漿液的最優(yōu)配比一般需要通過制作試件和具體的地質(zhì)狀況進(jìn)行確定。

3.5 灌注工藝

粘土固化劑灌漿工藝采用循環(huán)和純壓式相結(jié)合的方式進(jìn)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(qū)內(nèi)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(jìn)行分析計算。針對本次工程中出現(xiàn)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(jìn)行分析計算。

4.2 計算斷面滲透指標(biāo)的確定

滲流計算斷面的滲透分區(qū)主要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探的資料、室內(nèi)土工實驗資料，并結(jié)合堤防建設(shè)情況進(jìn)行分區(qū)。

根據(jù)地質(zhì)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(shù)2×10-4cm/s，淤泥質(zhì)壤土滲透系數(shù)5×10-5cm/s，沙壤土滲透系數(shù)1．2×10-3cm/s，含礫粉細(xì)砂滲透系數(shù)2×10-3cm/s，砂礫石滲透系數(shù)2×10-2cm/s，強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖滲透系數(shù)3×10-4cm/s。根據(jù)工程經(jīng)驗粘土固化劑防滲墻滲透系數(shù)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(jīng)多處工程實例對比計算驗證，程序計算結(jié)果符合常規(guī)并具有較高的精度，能夠滿足本工程設(shè)計要求。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）的規(guī)定，結(jié)合本工程實際情況，本文滲流復(fù)核計算僅考慮工況：臨水側(cè)為設(shè)計洪水位44．59m，背水側(cè)無水。

4.4 滲流計算公式

穩(wěn)定滲流有限元分析基本方程為：

式中：

[K]——透水系數(shù)矩陣；

{H}——總水頭向量；

[M]——單元儲水量矩陣；

[Q]——流量向量。

非穩(wěn)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(jié)束時的水頭值；

H0——時間增量開始時的水頭值；

Q1——時間增量結(jié)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(jié)果

根據(jù)上述確定的計算原則、參數(shù)及工況，滲流計算成果圖如下。

根據(jù)以上的防滲方案及數(shù)據(jù)，對加固后的堤防滲流進(jìn)行復(fù)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(wěn)定計算成果表

由以上結(jié)果表1可以看出，經(jīng)過堤身堤基防滲處理后，均滿足規(guī)范要求。

①滲透比降

通過滲流分析計算復(fù)核結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

堤身內(nèi)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(nèi)部滲流性態(tài)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(tài)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(tài)安全。

②下游出逸點高度和單寬流量

在設(shè)計洪水位時背水側(cè)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(jié)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(cè)堤坡出逸點過高，滲水經(jīng)堤坡溢出后順坡面流淌，將對堤坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，因此加固設(shè)計時須在背水側(cè)坡腳考慮堤身排水設(shè)施，本工程設(shè)計排水盲溝。

4.6 防滲效果

該堤防防滲工程經(jīng)過質(zhì)量檢測，防滲技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)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(xiàn)漏水現(xiàn)象，防滲工程經(jīng)歷住了洪水考驗，該防滲技術(shù)在本工程的應(yīng)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(yīng)用循環(huán)式以及純壓式之間結(jié)合的綜合灌漿形式，保障漿液可以達(dá)到一些細(xì)小縫隙以及有效擴(kuò)散的具體。在灌漿開始前，必須全部打開循環(huán)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(jìn)行回漿，進(jìn)而關(guān)閉回漿閥。

孔口必須通過專人進(jìn)行查看回漿閥以及壓力表，保證回漿壓力滿足設(shè)計值。

為確保漿液不從孔口套管周圍冒出，應(yīng)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(jié)語

粘土固化劑防滲灌漿技術(shù)從2010 年開始在湖南省婁底、益陽、邵陽、懷化、瀏陽等地區(qū)的病險水庫除險加固工作中應(yīng)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(yīng)用已通過了三年的高水位穩(wěn)定運行，防滲效果良好。從株洲市天元區(qū)湘江干堤三門段堤防水毀修復(fù)工程的案例來看，粘土固化劑在堤防防滲加固中的應(yīng)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(wěn)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(yōu)勢。