多头深层搅拌桩截渗墙在黄河堤防加固工程中的应用

2015-08-19杨允霞朱智伟李利琴

河南水利与南水北调 2015年12期

□杨允霞 □朱智伟 □李利琴

（1虞城县水务局；2河南省水利勘测设计研究有限公司；3河南黄河勘测设计研究院）

0 引言

截渗墙作为堤防加固的一种工程措施，其防渗效果受堤基地层结构特性的影响较大。对于砂壤土、粉细砂、粘土互层的多层地层结构，受截渗墙深度和施工工艺的限制，截渗墙无法穿过透水砂层至相对不透水层，防渗效果不明显。对于上砂下粘的地层，截渗效果较为明显。

1 截渗墙加固工程设计

1.1 堤脚截渗墙结合临河堤坡铺土工膜方案设计

1.1.1 工程布置

工程主要包括两部分，分别为在临河堤脚做水泥土搅拌桩截渗墙和在堤坡上铺设复合土工膜。

截渗墙顶高程低于现状临河堤脚0.50m。搅拌桩墙施工结束后，墙顶凿除0.50m达设计高程并整平，截渗墙造墙深度为20m。土工膜铺设顶高程为2000年设防水位加1.50m。截渗墙标准断面如图1所示。

图1 堤脚截渗墙标准断面图

1.1.2 墙体厚度及主要技术指标

墙体厚度主要受允许水力坡降控制。根据已建工程实例，取截渗墙允许水力坡降J=100；该堤段2000年标准设防水位，取截渗墙渗压水头H=10 m，则允许墙体最小厚度：Hmin=H/J=0.10 m；考虑施工因素，取墙体厚度B=0.20m。

墙体主要技术指标：容重：γ=2.00～2.50 t/m3；渗透系数：搅拌桩截渗墙K<1×10-6cm/s；抗压强度：搅拌桩截渗墙K>0.30MPa。

1.1.3 复合土工膜主要技术指标

原大堤堤坡经铲除草皮、伐除树木、垂直清基0.15m后，其上铺设两布一膜的复合土工膜，土工膜伸入大堤1m。回填壤土最薄处垂直厚度1m，外边坡1:3，顶高程与现堤顶平。在距离截渗墙顶1.50m高程处设3.50m宽平台，外边坡为1:3。复合土工膜性能见表1。

表1 复合土工膜性能指标表

1.1.4 复合土工膜与截渗墙的连接

搅拌桩墙施工结束后，在临河堤脚挖槽，槽底高程距离截渗墙顶高程1m，槽底宽1m，边坡1：1。将截渗墙墙顶凿除0.50m达到设计墙顶高程。将在堤坡上铺设的土工膜绕过墙顶向下垂直铺0.90m，上部回填壤土保护层。土工膜与截渗墙之间采用膨胀螺栓和钢板连接，连接处外侧现浇素混凝土进行保护。

1.1.5 水泥掺入比

水泥掺入比(重量比)一般可为7%～20%。不同地区由于不同的地质条件，采用相同水泥掺入比而制成的水泥土的各项指标是不同的。为保证达到设计要求，本工程参照已建工程实测资料采用水泥掺入比为12%～15%。工程施工前，应在工程范围内分别钻取土样进行室内水泥土配比试验，并应充分考虑施工工艺等因素，合理确定水泥的掺入比，以满足截渗墙的防渗要求。

1.1.6 截渗墙两端的绕渗

拟建截渗墙堤顶两端均有已建工程或计划内。本截渗墙工程的实施，应确保截渗墙与相临工程的衔接，以防止截渗墙两端发生集中绕渗破坏。根据已建工程的计算分析，拟将截渗墙两端向相临工程延伸50m，可满足渗流稳定要求。

1.1.7 覆盖土层稳定分析

根据规范《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98）附录A土工膜防渗体的稳定分析，计算在水位骤降时，覆盖土层与土工膜之间的抗滑稳定性。等厚度防护层，防护层透水性良好。安全系数：

式中：δ-上垫层土料与土工膜之间的摩擦角；α-土工膜铺放坡角。

1.2 临河堤肩截渗墙设计

一是截渗墙工程布置：堤顶搅拌桩墙顶技术特点、墙体厚度及主要技术指标等技术指标均与堤脚截渗墙相同；二是墙体厚度及主要技术指标：同堤脚截渗墙；三是水泥掺入比：同堤脚截渗墙；四是截渗墙两端的绕渗：为确保截渗墙与相临工程的衔接，防止截渗墙两端发生集中绕渗，引起大堤渗透变形。根据已建工程的计算分析，截渗墙堤段向上下游均延长50m，以满足绕渗稳定要求。

1.3 渗流稳定分析

1.3.1 计算方法及参数

采用平面有限单元分析方法。根据流体力学原理，对符合达西定律的二向渗流，且土体与液体压缩性可以忽略的条件下，水头函数满足拉普拉斯方程：

式中：为水头函数，、为坐标，、为渗透系数。

坝基渗流场计算的基本假定：坝基渗流场计算按平面问题考虑；渗流场计算按稳定场问题考虑。

1.3.2 渗流稳定计算

鉴于渗流计算无法真实有效地模拟堤防渗透破坏，我们参考南京水科院、长江科学院和黄河水科院等科研单位的研究成果和研究方法，对黄河下游堤防渗流计算进行了补充论证，增加了历史出险渗透比降计算，力求计算成果尽可能接近堤防的实际表现。

黄河下游堤防历史出险资料较为齐全，尤其是近几十年来出现的渗透险情，资料更是翔实可靠。历史出险渗透比降的计算思路是，根据出险时的洪水水位、堤防断面，以及地质勘探推荐的各土层渗透系数，用平面有限单元分析法求解拉普拉斯方程，推求出当年出险时的渗透破坏比降；再根据土层地质结构和出险资料对险情的描述，分析出险时的渗透破坏形式（流土或管涌），将出险时的渗透破坏比降除以相应的安全系数，并以此作为该段堤防的允许出逸比降来判断堤防是否发生渗透破坏。

1.3.3 计算断面的选取

根据堤段不同的地质条件，按照地基地层结构分段和分类，选取断面进行渗流稳定计算。本次计算选取濮阳95+150断面进行渗流稳定计算。典型断面参数为：现状堤顶宽12m，临背河边坡均为1:3。按2000年设防标准进行渗流分析。截渗墙渗透系数，取k=1.0×10-6cm/s。土工膜渗透系数取1×10-8cm/s。典型断面渗流参数取用地质勘察报告中的建议值。

1.3.4 计算成果及分析

95+150断面计算附图见图2和3，渗流稳定分析结果见表2，现状断面出逸比降超过允许比降，经截渗墙加固后满足要求。

表2 渗流计算成果表

图2 95+150现状断面渗流计算等势线图

图3 95+150截渗墙断面渗流计算等势线图

2 多头深层搅拌桩截渗墙工程施工

2.1 水泥土的固化机理

经研究土体中喷入水泥浆再搅拌拌和后,水泥和土的固化过程有以下物理反应：一是水泥的水解和水化反应。二是离子交换与团粒化反应。三是硬凝反应；四是碳酸化反应：水化反应减少了软土中水的含量，增加颗粒之间粘结力，离子交换与团粒化反应作用可以形成坚固的联合体；硬凝反应又能增加水泥土的强度和足够的水稳定性；碳酸化反应还能进一步提高水泥的强度。

2.2 施工工艺

2.2.1 定位

根据施工图截渗墙中心线位置确定截渗墙轴线，从起点每幅定位以钻杆中心进行控制，每64 cm测放一个控制点，且每50 cm作为一次定位误差校核点。每个单元幅起始点用30 cm长竹签垂直插标，并用红漆标识

插标点高出地面5 cm左右。同时在截渗墙轴线外侧按同样的方法，测放一排桩位控制校核点，作为施工中对掘搅头定位的复查。

2.2.2 桩机就位

由当班班长统一指挥桩机就位，移动前看清上、下、左、右各方面的情况，发现有障碍物及时清除，移动结束后检查定位情况并及时纠正。桩机平稳、平正，并用经纬仪或路线锤进行观测以确保钻机的垂直度。三轴水泥搅拌桩桩位定位偏差<3 cm。

2.2.3 搅拌下沉

启动电机，根据土质情况按计算速率钻头喷浆，放松卷扬机使搅拌头自上而下切土拌和下沉，直到钻头下沉钻进至桩底标高。

2.2.4 注浆、搅拌、钻进、提升

开动灰浆泵，待纯水泥浆到达出浆口后，喷浆搅拌30 s，在水泥浆与桩端土充分搅拌后，再开始按试桩要求的速度钻进和提升搅拌头，边注浆、边搅拌、边钻进和提升使水泥浆和土充分拌和。待两喷过程结束直至提升到预定停浆面后关闭灰浆泵，一幅截渗墙成型。

2.3 截渗墙成墙施工控制

2.3.1 定位控制

根据多轴掘削搅拌轴幅间中心距，在墙体中心线的一侧划定每幅间的套接位置，并按标准规定做好施工模具，定好桩位，控制平面偏差在±3 cm以内。

2.3.2 垂直精度控制

采用经纬仪作桩架垂直度的初始点校准，并用两侧垂直角度仪或吊垂跟踪调整导杆立柱的垂直度，用三支点导杆立柱的垂直度控制钻具垂直度，使钻机塔架垂直度偏差控制在±0.10%以内。搅拌掘进过程中，随时检测搅拌轴的垂直度，以保证搅拌桩的偏倾率≤0.30%。

2.3.3 钻进搅拌控制

采用一次钻进一次提升两拌两喷的方法完成单幅造墙。开动搅拌主机，并徐徐下降钻头与基土接触，按规定要求送浆、供气；先开始慢速搅拌进尺，当钻进一定深度后改为快速钻进至设计墙顶标高，用桩架导柱标尺和计时器联合控制速度在0.50～1.00m/min；钻进搅拌时，通过在导杆立柱上的划分标尺来量测钻具钻进速度。钻进搅拌至设计墙深后调整转速，慢速回转提升钻杆，以减缓耗用功率的突变，避免形成真空负压而导致孔壁塌陷，造成墙体空隙，提升速度控制在1.00～1.50m/min。

2.3.4 水泥检测

水泥采用地产优质水泥。按规范要求的批量进行取样送检，合格后用于工程。

2.3.5 浆液配制

采用电子计数器控制水量，严格按预定配合比制作浆液，用比重计量测控制浆液的比重。在灰浆搅拌机与集料斗之间设置过滤网，将水泥浆液进行过滤。放浆前先搅拌2min再倒入存浆桶，现场质检员对水泥浆液进行检测，并监督浆液存放时间。水泥浆随配随用，搅拌机和料桶中的水泥浆须不断搅动。浆液存放的有效时间按以下规定控制：当气温≤10℃时，不宜超过5 h；当气温≥10℃时，不宜超过3 h；浆液温度控制在5～40℃以内，超出规定予以废弃。

2.3.6 注浆控制

严格按预定配合比制作浆液，用比重计量测，控制水泥浆液的比重偏差在±0.05 g/cm3内。为防止离析，水泥浆液随配随用，并不断搅动，放浆前须充分搅拌并经过滤后再倒入存浆桶，存放的有效时间符合规定要求。挖掘搅拌时浆液由注浆泵经管路送至挖掘头，注浆量由无级电机调速器监控。若中途出现堵管、断浆等现象，查找原因进行修理，待故障排除后在掘进搅拌。因故停机超过半小时，应对泵体和输浆管路妥善清洗。注浆的同时全程不间断供气，气体经管路压至钻头，供气控制压力为0.40MPa左右。

2.3.7 成墙质量控制

为保证成墙厚度，根据挖掘头齿片磨损情况定期测量齿片外径。当磨损达到2 cm时必须进行修复，为确保墙体均匀度，严格控制掘进过程中的注浆均匀性以及由气体升扬置换墙体混合物的沸腾状态。幅间墙体的联结是水泥土截渗墙施工最关键的一道工序，施工过程中严格控制桩位和垂直度，保证幅间套接质量和墙体的整体连续性，按实验确定的水泥渗入比，提升、下降速度，水泥浆液等参数施工，确保施工质量。