高喷截渗技术在湖西大堤加固工程中的应用

2011-09-11王培林郭爱波

治淮 2011年10期

王培林郭爱波

高喷截渗技术在湖西大堤加固工程中的应用

王培林郭爱波

一、基本情况

湖西大堤加固2006年度应急工程（淮委实施段）是沂沭泗河洪水东调南下工程的重要组成部分。该次加固堤防包括湖腰段和姚楼河～大沙河段，位于苏鲁两省交界处，全长14.3km。工程建设内容：堤身培厚、堤防截渗、迎水面护坡、堤顶防汛路、坡面排水设施等。工程于2007年8月6日经水利部水总〔2007〕319号文批复，防洪标准按防御南四湖1957年洪水设计，上级湖水位36.99m,下级湖水位36.49m。堤防工程等级为Ⅰ等Ⅰ级。该工程于2008年2月18日正式开工建设，截至目前，工程已通过验收。

二、湖西大堤截渗的必要性

南四湖湖西大堤堤身土主要为粘土、壤土，局部含砂壤土、粉土，填土的均匀性和密实度差，孔隙比偏大。堤基主要为裂隙粘土、粉质粘土和壤土，均为透水性较强的土层。

对于土层不均匀，堤基表面弱透水覆盖层较薄的堤段，在高水头的作用下，由于水力坡降骤增，会发生流土和管涌现象，如果持续时间长则会导致堤脚及堤基土体力学强度降低，影响工程安全。另外，堤身及堤基渗透系数较大，从而导致渗透量大，堤后会产生沼泽化，并伴有次生盐渍化灾害。因此，对湖西大堤采取截渗措施十分必要。

三、截渗方案的比较分析

根据类似工程经验，堤坝防渗有水平延长渗径和垂直截渗等方式。水平防渗占压土地多，投资大，防渗效果差，湖西大堤湖内侧紧靠水面，外侧鱼塘密布，不宜采取水平防渗措施。垂直截渗措施有粘土灌浆、垂直铺塑、混凝土地下连续墙、高压定喷灌浆及水泥土搅拌桩截渗墙等，特别是高压定喷灌浆及水泥土搅拌桩截渗墙技术日益成熟，防渗体系可靠，具有工效高、作业占地少，造价低，无污染的特点，从而在防渗施工中得到广泛应用。

水泥土搅拌桩截渗墙技术是利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌设备，把水泥浆喷入地层，使土体与水泥浆两者强制搅拌，相继搭接，水泥土硬结成连续整体、具有一定强度和不透水性的水泥土截渗墙。结合湖西大堤的土质特点和工程环境，采用水泥土搅拌桩截渗墙方案，可充分利用大堤土体，加固剂为普通水泥，固结后不仅能起到截渗作用，对大堤稳定也十分有利。

在湖西大堤姚楼河～大沙河段（桩号54+608-57+795）处，通过现场调查该堤段原为沿湖群众的居住地，经探地雷达检测，堤身内块石分布较多，搅拌设备难以施工，不宜采用水泥土搅拌桩截渗墙方案，而高压定喷截渗墙技术，不仅适应于砂类土、粘性土和淤泥等地层，实践证明，对含有粒径2～20cm的砂、砾石的地层，在强力升扬置换的作用下，仍可实现浆液包裹作用，取得较好的截渗效果。

综上所述，湖西大堤的截渗方案以水泥土搅拌桩截渗墙为主，对于堤身内含有块石的堤段则采用了高压定喷截渗墙施工技术。

四、高喷截渗技术在湖西大堤加固工程中的应用

1.高喷截渗的技术特性

高喷截渗技术是用钻机造孔，然后将带有喷嘴的灌浆管下至预定位置的地层，用高压泵通过安装在灌浆管的喷嘴，向周围土体喷射高压水泥浆液，直接冲击、切割、粉碎和剥蚀地层，注入的水泥浆与被破坏地层的土石颗粒之间发生强制的搅拌混合、充填挤压和移动包裹。同时灌浆管以一定的速度边旋转边提升，形成具有一定性能和形状的固结体，从而达到防渗的目的。高喷截渗根据固结体的形状和喷射流的移动方向，分为旋喷、定喷和摆喷。旋喷桩主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善地基土的变形性能。定喷固结体呈壁状，摆喷形成厚度较大的扇状固结体，通常用于工程防渗，改善土层的水力条件。按喷射介质及管路多少可分为单管法、二管法、三管法等。单管法是通过单根管路，利用高压浆液，喷射冲切破坏土体；二管法是在单管法的基础上又加以压缩空气，并使用双通道的二重灌浆管。三管法使用分别输送水、气、浆三种介质的三重灌浆管。

考虑到桩号54+608～57+795处堤段的地质特点和施工场地布置，同时为便于施工，在该堤段采取了高压定喷和二管法的施工方案。

2.施工布置

经综合考虑，采用了高压定喷截渗墙方案：轴线布置在大堤中心线靠近湖内侧1m处，孔距1.5m，设计墙厚0.2m，墙体抗压强度3MPa，墙底高程深入其下粘土相对不透水层不少于0.5m。高喷截渗墙结构如图1所示。

3.现场试验

正式高喷作业前，选择地质条件具有代表性的区段，按室内试验选定的配合比进行高压喷射注浆的工艺试验，达到一定龄期后，开挖观察成墙效果，钻取芯样进行固结体强度和渗透性试验，以选定技术指标及参数。

本堤段采用二管法施工，施工参数如下：水泥浆：压力30～35MPa；流量70～80L/min；密度1.4～1.5g/cm3；水灰比1∶1～1.5∶1。气∶压力0.6～0.8MPa；流量0.8～1.2m3/min。提升速度：15cm/min。

4.高喷施工作业流程

在具体操作中要使高喷管与钻孔孔向一致。下喷射管：检查高压泥浆泵、空压机运行是否良好；检查高压输浆管、供风管是否畅通及完好；进行浆、气试喷；准备就绪后下喷浆管。喷射提升：高喷管下至设计深度后，输入水泥浆液和压缩空气，待浆压和风压升至设计规定值后，按设计提升速度提升喷管，进行喷浆作业，达到设计高程停止喷射。喷浆过程中，经常检查高压泥浆泵压力、浆液比重、空压机风压、旋转和提升速度以及实际的浆液耗用量。复喷处理：施工过程中，因机械故障、孔内事故、卸接管等原因中断，恢复喷射时均应进行复喷，复喷搭接长度不小于0.3m。回灌：喷浆结束后，随即向喷射孔进行静压充填灌浆，直到浆面不再下沉为止，以确保高喷旋喷桩形成后达到设计桩顶高程。记录：施工过程中包括孔号、孔深、耗灰量、开喷时间、终喷时间、浆液比重、中断喷射的原因等，应详细、及时、准确记录，所有记录需按要求使用统一的表格。

5.在含有块石或砂卵石地层中高喷截渗作业应注意的问题

（1）施工前必须进行现场试验，以完善施工设计

通过试验，验证高喷效果和确定施工参数。由于被处理对象地质条件各异，施工参数的选择不能完全照搬其他同类工程，应通过现场实验决定。

（2）合理组织，提高钻孔效率，不可盲目追求钻孔进尺

一是钻进过程中若遇较大粒径的块石体时，切不可强行跟进，应采用捣、打相结合的方法，以防套管卡死在孔内，造成废孔。二是在孔深＞15m钻进时，新旧套管不宜混用。部分旧套管的外壁及丝扣在使用过程中已受到不同程度的磨损，在进行深孔钻进时，随着钻孔深度的增加，套管外壁所承受的磨擦阻力及管体底部受到的冲击拉力也不断增大，若新旧套管混用，在孔内发生脱丝及断管的机率将会增大，极大影响成孔效率。

（3）严格控制钻孔偏斜

在高喷施工中，钻孔偏斜是影响墙体可靠搭接的关键因素。防止钻孔发生偏斜的措施：一是钻机就位后，应垫稳及调整钻机，使开孔钻具始终保持在铅垂状态。二是开孔钻具应采用大一级钻具，在钻至块石或卵石层后要反复上下活动，避免回填土中的砾石造成钻孔偏斜。三是钻进中若发现套管有偏斜，应全部拔出重新开孔。

（4）把握好两序孔间的施工间隔

按分序加密的原则，高喷孔多分为两序孔施工。在前一次序孔高喷施工结束后，合理确定下一次序孔的开孔时间尤为重要。若开孔时间过早，钻孔时释放入地层内的高能量压缩空气，极可能会破坏前一次序孔已形成的但强度尚很低的水泥墙体；若开孔时间过晚，原已扩散到孔周围的水泥浆体已具有了较高的凝结强度，将会增加跟管钻进的难度。

（5）注意孔口补浆回灌工作

这是喷浆的最后一道工序，也是施工中易被忽视的一道工序。在含有块石或砂卵石地层中，由于地层的透水性很强，漏浆较为严重，应在喷浆结束后，安排专人在孔口内补充浓浆，直至浆面不下降为止。

（6）关于返浆不正常的处理

在设备及施工参数均正常的情况下，孔口返浆不正常主要有两种原因：一是地层漏浆，二是相邻孔串浆。施工时应根据实际情况采用不同措施进行处理。当孔口不返浆时，应采取停提静喷的方法；当孔口返浆不正常时，采取间歇提升的方法；当本孔不返浆而邻孔返浆时，各参数不变，正常提升。