工程案例
業務范圍
堤防垂直防滲與地基加固技術
發布時間：2014-08-05
第一節 垂直防滲與地基加固方法選擇要點 第二節 灌漿加固與防滲技術
第三節 防滲墻技術
地基垂直防滲與地基加固技術較多，但在堤防加固工程中，比較適用的有灌漿技術、防滲墻技術、高壓噴射注漿技術、深層攪拌法加固技術、振沖法加固技術等。
第一節 垂直防滲與地基加固方法選擇要點
一、垂直防滲與地基加固方法選擇的基本原則
在除險加固工程中，防滲與地基加固處理方案的選擇，具體取決于以下諸方面。
(1)功能性：必須滿足工程目的和要求；
(2)可實施性：方案的工程規模、有關參數和技術指標，在目前的技術水平條件下是可行的；
(3)經濟性：方案通過技術經濟比較，投入產出分析，在滿足功能性要求的前提下，工程費用較低，工程概預算能夠承受；在確定采用后尚應采用先進技術，優化方案，合理使用材料。
(4)環境和安全性：避免工程污染環境或污染最小；能保障堤防結構和相鄰建筑物安全，保證施工人員的安全。
二、垂直防滲和地基加固方法與選擇
（一）垂直防滲方法的選擇
1.垂直防滲方案的選擇主要考慮適應工程性質、條件，可滿足工程防滲目的和要求，有一定的防滲標準，工程費用較低等因素。防滲標準直接關系到堤防的安全性以及工程量、工程進度、造價等。
2.堤防垂直防滲是滲流控制處理的一部分，盡可能符合前堵后排的原則、堤身和堤基滲流控制措施統一考慮的原則。和滲流控制方案一起應在技術經濟比較后確定。
3.堤身的垂直防滲處理
可采用截滲墻（薄防滲墻、定擺噴、板樁墻），劈裂灌漿等防滲體。在防滲體不能和地基防滲措施統籌實施時，可考慮截滲墻方案。
4.堤基的垂直防滲處理
透水堤基垂直防滲處理可采用截水槽、截滲墻等作為防滲體。采用截水槽、截滲墻等防滲體時，材料可采用粘性土、土工膜、固化灰漿、水泥、水泥砂漿、混凝土、塑性混凝土、瀝青混凝土、化學材料；施工可采用人工開挖、機械開挖、鋪設、沖擊鉆、回轉鉆、抓斗、輪銑、射水、鋸槽、斗式、多頭鉆、定擺噴、灌漿、板樁、攪拌樁等技術；其厚度和設置方式應滿足材料允許滲透坡降要求；其防滲性能、效果應符合防滲要求和適應防滲體的布置。
對于截滲墻，關鍵是要采用薄墻和廉價的材料才能有效地減低工程造價。如采用射水、鋸槽、鏈斗、多頭攪拌樁、插板等薄墻成槽方式，并使用土工膜、塑性混凝土、自凝灰漿、固化灰漿等作為墻體材料，其單價可在130～250元/m2間。定擺噴、板樁墻、攪拌樁造價也較低，其單價在70～350元/m2間。
對于砂卵礫石含量較高、粒徑較大的地層，則應考慮沖擊鉆、回轉鉆、抓斗、輪銑等成槽方式的截滲墻，其單價可在200～800元/m2間。根據堤防工程的特點，對該類地層險工段的防滲處理也可考慮單排灌漿帷幕防滲或劈裂灌漿，配合其它滲流控制措施可以達到一定的滲流控制標準，其單價可在50～150元/m2間。
5.堤基防滲體應布置在臨水堤腳或堤頂偏臨水側，并與堤身防滲體有效連接，且符合變形協調的要求。
（二）地基加固方法的選擇
1.首先應分析采用天然地基的可行性，如有可能應盡量采用天然地基。
2.根據建筑物對地基的要求和地基條件，確定需要進行處理的范圍和處理要求。
3.地基處理方法必須滿足堤防對地基的設計要求，主要指天然地基經處理后應能達到的物理力學指標。
4.對天然地基的條件、處理要求、工程費用及材料來源等各方面進行綜合考慮，以確定合適的地基處理方法。
5.地基處理方法原則上一定要技術上可靠、經濟上合理，又能滿足施工進度要求。通過分析比較可以采用一種處理方法，也可以采用由兩種或兩種以上的處理方法組成綜合的處理方案。
6.注意節約能源，注意環境保護，避免因地基處理而對地面水和地下水產生污染，振動噪音等對周圍環境產生不良影響。
（三）幾種垂直防滲與地基加固方法的比較
垂直防滲與地基加固的方法較多，但在堤防除險加固工程中，比較適用的有灌漿法、防滲墻法、高壓噴射灌漿法、深層攪拌法和振沖法等幾種，其中灌漿法、防滲墻法高壓噴射灌漿法和深層攪拌法既可以做成防滲墻，處理地基滲漏問題，也可以用于地基加固。而振沖法、強夯法、排水固結法等可應用于新建或改建堤防工程中。幾種垂直防滲與地基加固方法的特點及適用范圍見表5－1。
表5－1 幾種主要垂直防滲與地基加固方法的比較
加固方法
特點和功能
適用范圍
備注
灌漿法
適應性廣，不受地基加固深度的限制。既可用于地基加固，又可用于砂礫石基礎的防滲帷幕灌漿。
砂礫石和濕陷性黃土地基。
防滲墻法
用于堤防的垂直防滲
各類砂性土，粘土及濕陷性黃土等
高壓噴射注漿法
用于加固地基，采用定噴和擺噴法可組成防滲帷幕。
各種粘性土、沖填土、粉細砂、砂礫石等基礎處理。
地下水流速過大，無填充物的巖溶地段以及永凍土層不宜采用。
深層攪境拌法（水泥土加固法）
用于加固地基，成樁深度30m，也可用于組成水泥土擋墻，形成隔水帷幕，成墻深度可達18m，造價低。
各種粘性土，沖填土，砂性土性地基
振沖法
提高基礎的抗滑穩定及抗震防液化能力。
砂性土及粘性土地基加固。
對飽和超軟粘土（抗剪強度<20KPa）地基要慎用。
擠密砂樁法
可防止松散砂土振動液化，對軟弱粘性土可提高承載力。
新建或改建堤防工程砂性土和軟弱粘土地基的加固。
已建堤防工程要慎用。
強夯法
同上
同上
同上
排水固結法
解決地基沉降和穩定問題。
新建或改建工程軟粘土地基處理。
雖然常用的幾種地基加固方法可以用來加固堤身，但往往在經濟上是不合理的。堤身問題可以按照堤防工程施工規范的有關要求，采用人工翻建的方法重新填筑，施工質量是可以得到保證的，而且還可以利用當地的農閑勞動力，以工代賑。
第二節 灌漿加固與防滲技術
灌漿技術是利用壓力將能固結的漿液通過鉆孔注入巖土孔隙或建筑物的裂隙中，使其物理力學性能改善的一種方法。
一、灌漿分類
1.按照灌漿的作用來劃分 （1）固結灌漿 ；（2）帷幕灌漿；（3）接觸灌漿。
2.按照基礎的構成來劃分 （1）砂礫石灌漿；（2）巖石灌漿。
3.按照灌漿材料來劃分 （1）水泥灌漿；（2）水泥粘土灌漿；（3）化學灌漿。
4.按照使用的壓力來劃分 （1）常壓灌漿；（2）高壓灌漿。
5.按照灌漿工藝所依據的理論來劃分 （1）滲入性灌漿；（2）劈裂灌漿；（3）壓密灌漿
還有其他不同的分類方法，如常見到的有充填灌漿、裂縫灌漿、應急灌漿、糾偏灌漿、界面灌漿等等。
二、灌漿材料
用于堤防工程的灌漿技術，是在灌漿壓力作用下，漿液克服各種阻力而滲入孔隙和裂隙，壓力越大，吸漿量及漿液擴散距離就大，因此又稱滲入性灌漿。這種灌漿是在地層結構不被破壞的條件下滲入地層，因而漿液的顆粒尺寸必須小于土的孔隙尺寸，也就是說，漿液必須滿足地層的可灌性條件，因此漿材的選用尤為重要。
適合于堤防灌漿的材料主要有以下幾種：
1.水泥漿 水泥漿是由水泥和水混合經攪拌而制成的漿液.為了改進漿液性能，有時需要在漿中加入少量的添加劑。
水泥漿液具有來源豐富，價格便宜，漿液結石體抗壓強度高、抗滲性能好、工藝設備簡單、操作方便等優點，但是水泥漿液是一種顆粒狀的懸浮材料，受到水泥顆粒粒徑的限制，通常用于粗砂層的加固。
2.粘土漿 粘土漿是粘土的微小顆粒在水中分散，并與水混合形成的半膠體懸浮液。選擇灌漿用的粘土，一般有如下幾個要求：
塑性指數> 17；
粘粒（粒徑小于0.005mm）含量不小于40％～50％；
粉粒（粒徑0.005～0.05mm）含量一般不多于45％～50％；
含砂量（0.05～0.25mm）不大于5％。
粘土漿的結石強度和粘結力都比較低，抗滲壓和沖蝕的能力很弱，故僅在低水頭的防滲工程上才考慮采用純粘土漿灌漿。
在粘土漿液中，加入水玻璃溶液，可配制成粘土水玻璃漿液，水玻璃加量為粘土漿的10％— 15％，漿液的凝結時間可縮短為幾十秒至幾十分，固結體滲透系數為10- 5～10- 6cm/s。
3.水泥粘土漿 水泥粘土漿是由水泥和粘土兩種基本材料相混合所構成的漿液。水泥和粘土混合可以互相彌補缺點，構成性能較好的灌漿漿液。
水泥粘土漿液較單液水泥類漿液成本低，流動性、抗滲性好，結石率高，目前大壩的砂礫石基礎的防滲灌漿帷幕，幾乎都是采用水泥粘土漿灌注的。
4.水泥— 水玻璃漿液 水泥— 水玻璃漿液是以水泥和水玻璃溶液組成的一種灌漿材料。它克服了水泥漿液凝結時間過長的缺點，水泥— 水玻璃漿液的膠凝時間可以縮短到幾十分鐘，甚至數秒鐘。可灌性比純水泥漿也有所提高，尤其適合在動水狀態下粗砂層地基的防滲加固處理。
5.水泥砂漿 在對較大缺陷的部位灌漿時，可采用水泥砂漿灌漿，一般要求砂的粒徑不大于1.0mm,砂的細度模數不大于2。
在水泥砂漿中加入粘土，組成水泥粘土砂漿，水泥起固結強度作用，粘土起促進漿液的穩定作用，砂起填充空洞的作用。水泥粘土砂漿適用于靜水頭壓力較大情況下的較大缺陷，大洞穴的充填灌漿。
6.水玻璃類漿液 水玻璃類漿液是由水玻璃溶液和相應的膠凝劑組成。灌入地層后，經過化學反應生成硅酸凝膠，在土（砂）的孔隙中充填，達到固結和防滲堵漏的目的。
水玻璃漿液的粘度小，流動性好，在用水泥漿或粘土水泥漿難于處理的細砂層和粉砂層地基，可使用水玻璃漿液。
在堤防基礎的加固及防滲處理施工中，漿液的可灌性是決定灌漿效果的最重要參數
堤基灌漿可以用下式評價其可灌性：
M=D15/d85 (5-1)
式中：M為灌入比；D15為受灌地層中15％的顆粒小于該粒徑(mm)；d85為灌注材料中85％的顆粒小于該粒徑(mm)。
M> 15可灌注水泥漿；M > 10可灌注水泥粘土漿。如可灌性不好，可采用水玻璃類漿液灌漿。幾種灌漿材料的主要特點見表5— 2
表5— 2 幾種灌漿材料的主要特點
名稱
主要特點
適用范圍
備注
水泥漿
施工簡單、方便；漿液凝結時間較長
粗砂地基的防滲加固
可灌性差
粘土漿
材料來源廣，價廉；強度低
堤身的防滲加固
水泥粘土漿
價格低，使用方便。
粗砂地基的防滲加固
可灌性比水泥漿好
水泥— 水玻璃漿液
施工要求高，漿液凝結時間短，且容易調節
動水狀態下粗砂地基的防滲加固
在特殊情況下使用
水泥砂漿
強度高，價格便宜，但施工要求較高。
較大缺陷的充填加固和防滲處理
易沉淀，可灌性差，在特殊情況下使用。
水玻璃漿液
漿液粘度與水接近，可灌性好，但價格較高。
細砂層和粉砂層地基的防滲加固
在水泥等顆粒狀漿液滿足不了可灌性要求時采用
上述幾種材料中，除水玻璃漿液外，價格都比較低，水玻璃漿液的價格比其它漿液的價格要高一些，工程多采用水泥漿和水泥粘土漿。對一些非均質的粉砂土地基還可以采用水泥和水玻璃漿液分別灌注的方法，達到復合加固的目的。
水泥漿液只能灌入粗砂層，而對顆粒細、孔隙小、工程特征欠佳的粉砂土地基，水泥灌漿只能進入地基土體結構受到破壞而形成的空洞或裂縫中，起不到防滲灌漿的作用，難以提高地基的抗滲性能。而水玻璃漿液可以進入細砂層和細砂層的孔隙。
采用復合灌漿方法，可取長補短，先用水泥灌漿處理，使水泥漿液先行填充地基土體中大小不一的孔洞和裂隙，經48小時的沉淀和固化，然后對同一孔進行清孔，再灌注水玻璃漿液(如酸性水玻璃漿液)。這樣既可以充分發揮水泥漿液強度高的特點，又可以充分利用水玻璃漿液的優點，提高注漿的效果。這種復合灌漿的方法，已在江蘇豐縣廢黃河畔的范樓閘應用，粉砂土的滲透系數由2.7-4.7×10-4cm/s降至1.3×10-7cm/s以下。
三、灌漿工藝
（一）灌漿加固工藝
1.灌漿孔的布設。加固灌漿孔的布設常用方格形、梅花形和六角形，見圖5－1。方格形的主要優點是便于補加灌漿孔，在復雜的地區宜采用這種方法，而梅花形和六角形布孔的主要缺點是不便于補加灌漿孔，預計灌漿后不需補加孔的地基多采用這種形式。
2.鉆孔。鉆孔可采用機鉆、錐鉆、打管等各種成孔方法。
3.灌漿施工技術要點
（1）采用“圍、擠、壓”的原則，就是先將灌漿區圈圍住，再在中間插孔灌漿擠密，最后逐序壓實，這樣易于保證灌漿質量。最好采用分序灌漿的辦法。
圖5－1 灌漿孔布置圖
（2）在可能的情況下，以采用較大的壓力為好。
（3）灌漿開始時，以稀漿開始，采用逐步加稠的方法。
（二） 帷幕灌漿工藝
灌漿技術除作為加固地基外，也適合堤防工程透水地基的防滲處理，構筑防滲帷幕。
1.帷幕的設置
（1）帷幕的位置
堤防基礎的灌漿帷幕應與堤防防滲體（多由粘土一類的不透水材料所構成）相連，因此帷幕宜設在堤防臨水側鋪蓋下或臨水坡腳下，見圖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。稱為均厚式帷幕。在砂礫石層厚度不大，灌漿帷幕不甚深的情況下，一般多采用這種形式。
2）階梯式帷幕 在深厚的砂礫石層中，因為滲流坡降隨砂礫石層的加深（即隨帷幕的加深）而逐漸減小，故設置深帷幕時，多采用上寬下窄呈階梯狀的帷幕。幕寬的部位，灌漿孔的排數多；幕窄的部位，灌漿孔的排數少。
圖5—2 灌漿帷幕位置示意圖
（3）帷幕的深度和厚度
一般情況下，帷幕深度宜穿過砂礫石層達到基巖，這樣可以起到全部封閉滲流通道的作用。帷幕的厚度（T）主要是根據幕體內的允許坡降值來確定的。但可按下式作初步估算：
T=H/J （5-2）
式中 H為最大作用水頭，m；J為帷幕的容許比降，對一般粘土漿可采用J≤3～4。
對于砂礫石厚度較淺，一般設置1～2排灌漿孔即可，對基礎承受的水頭超過25～30m時，帷幕的組成才設置2～3排。
灌漿孔距主要決定于地層的滲透性、灌漿壓力、灌漿材料等有關因素，一般要通過試驗確定，通常孔距為2～4m。如果在灌漿施工過程中，發現漿液擴散范圍不足，則可采用縮小孔距，加密鉆孔的辦法來補救。
2.帷幕灌漿方法
鉆孔灌漿方法主要有打花管灌漿法、套管護壁法、循環鉆灌法和袖閥管法。
（1）打花管灌漿法 首先在地層中打入一下部帶尖頭的花管，然后沖洗進入管中的砂土，最后自下而上分段撥管灌漿。見圖5—3。此法比較簡單，但遇卵石及塊石時打管很困難，故只適用于較淺的砂土層。
（2）套管護壁法 套管護壁法的施工見圖5— 4所示，邊鉆孔邊打入護壁套管，直至預定的灌漿深度（a），接著下入灌漿管（b），然后拔套管灌注第一灌漿段（c），再用同法灌注第二段（d）及其余各段，直至孔頂。
（3）循環鉆灌法 如圖5—5，這種方法僅在地表埋設護壁管，而無需在孔中打入套管，自上而下鉆完一段灌注一段，直至預定深度為止，鉆孔時需用泥漿固壁或較稀的漿液固壁。如砂礫層表面有粘性土復蓋，護壁管可埋設在土層中（a），如無粘土層則埋設在砂礫石層中（b）。
圖5—3 打花管灌漿法
圖5－4 套管護壁灌漿法
圖5—5 循環鉆灌法
圖5— 6 袖閥管法施工程序
（4）袖閥管法
袖閥管法的施工可分四個步驟，見圖5—6。 鉆孔 用優質泥漿（如膨潤土）固壁，不用套管護壁（a）；插入袖閥管 為使套殼料的厚度均勻，應設法使袖閥管位于鉆孔的中心（b）；澆注套殼料 用套殼料置換孔內泥漿（c）；套殼料的作用是封閉袖閥管與鉆孔壁之間的環狀空間，防止灌漿時漿液流竄，套殼在規定的灌漿段范圍內受到破碎而開環，逼使灌漿漿液在一個灌漿段范圍內進入地層。灌漿 待套殼料只有一定強度后，在袖閥管內放入帶雙塞的灌漿管進行灌漿（d）。
灌漿方法的選用主要取決于施工隊伍的經驗和技術熟練程度，其中打花管法灌漿最為簡單，袖閥管法比較復雜一些，但施工質量較高。袖閥管法可根據需要灌注任何一個灌漿段，還可以進行重復灌漿。而且可使用較高的灌漿壓力，冒漿和串漿的可能性小。
在砂礫石層灌漿中，對灌漿壓力的確定，目前還缺乏統一的、比較準確的計算灌漿壓力的公式。灌漿初期，也可先憑經驗預估的壓力灌漿，然后根據吸漿情況以及對地表的觀察，視有無冒漿或抬動變形情況，再做壓力調整。
灌漿的施工機具比較簡單，可采用專用灌漿泵，也可以自行用普通的泥漿泵加設一個簡單的攪拌器組成。對進漿量較小的粉砂層灌漿，也可以采用簡單的手壓注漿泵或隔膜泵來代替。
（三）灌漿效果檢查
灌漿法作為地基加固和地基防滲處理，灌漿效果的檢查還沒有比較合適的標準，但一般常用下列幾個方法判斷。
1.漿液的灌入量 同一地區堤防地基的差異不是很大，可以根據各孔段的單位灌入量來衡量。
2.壓水試驗 設檢查孔做壓水試驗，以單位吸水量值表示幕體的滲透性。
四、堤身劈裂灌漿
劈裂灌漿是利用堤身的最小主應力面和堤軸線方向一致的規律，以土體水力劈裂原理，沿堤軸線布孔，在灌漿壓力下，以適宜的漿液為能量載體，有控制地劈裂堤身，在堤身形成密實、豎直、連續、一定厚度的漿液防滲固結體，同時與漿脈連通的所有裂縫、洞穴等隱患均可被漿液充填密實。適應于處理堤身浸潤線出溢點過高、有散浸現象、裂縫（不包括滑坡裂縫）、各種洞穴。
堤身劈裂灌漿防滲處理，多采用單排布孔�？拙�5～10m。在彎曲堤段應適當縮小孔距。
劈裂灌漿和錐探充填灌漿漿液多采用土料漿，參見表5－3、5－4。根據不同的需要可摻入水泥、各種外加劑。
表5－3 漿土料選擇表
項目
劈裂灌漿
充填灌漿
塑性指數（%）
粘粒含量（%）
粉粒含量（%）
砂粒含量（%）
有機值含量（%）
可溶鹽含量（%）
8～15
20～30
30～50
10～30
＜2
＜8
10～25
20～45
40～70
＜10
＜2
＜8
灌漿孔口壓力以產生沿堤線方向脈狀擴散形成一連續的防滲體，但又不得產生有害的水平脈狀擴散和變形為準，需要現場灌漿試驗或施工前期確定。堤防灌漿口壓力多在0.1～1MPa間。
堤身劈裂灌漿應“少灌多次”，分序灌漿，推遲壩面裂縫的出現和控制裂縫的開度在3cm之內，并在灌后能基本閉合。每孔灌漿次數應在5次以上，每次灌漿量控制在每米0.5～1m3之間。形成的脈狀泥墻厚度應在5～20cm之間。一年后脈狀泥墻的容重應大于14kN/m3，一般可達15～17 N/m3，水平向滲透系數達10-6～10-8cm/s。
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