深层搅拌水泥土防渗墙施工技术在洞庭湖区蓄洪垸堤建设中的分析应用

2016-07-05宋翼

湖南水利水电 2016年3期

关键词：成墙喷浆防渗墙

宋　翼

（常德市水利水电勘测设计院　常德市　415000）

深层搅拌水泥土防渗墙施工技术在洞庭湖区蓄洪垸堤建设中的分析应用

宋翼

（常德市水利水电勘测设计院常德市415000）

【摘要】文章结合工程实例，详细论述了堤防加固深层搅拌水泥土防渗墙施工技术及施工过程中的问题处理措施，对施工工艺进行了具体分析评价和总结。

【关键词】堤防加固深层搅拌水泥土防渗墙质量控制

1　工程概况

湖南某垸是洞庭湖区蓄洪垸之一，该垸保护面积93.79km2，相应蓄洪面积78.48km2，其中耕地面积0.41万hm2（6.14万亩）。行政区划涉及2个乡（镇）28个村（居委会），保护总人口5.05万人，其中农业人口4.17万人，非农业人口0.88万人，固定资产15亿元，工农业总产值5.08亿元，粮食2.35万t。

根据洞庭湖区防洪总体布局，在重现1954年洪水的情况下，该垸需分蓄洪水，蓄洪设计水位36.16m，相应蓄洪面积78.48km2，蓄洪有效容积4.51亿m3。

该垸某防洪大堤全长60.887km，其中一线大堤长42.487km、另段河堤长18.40km。一线大堤分东、西两线，其中西线长31.632km；东线长10.855km。

该垸分洪口位于西线16+710～16+900，长190m，设计进洪流量1 738m3/s，分泄藕池河系的超额洪水。

2　堤防工程地质主要问题

（1）堤身散浸及渗漏问题。该垸防洪堤是经多年加高培厚、多次修补而建，部分堤段填土疏密不均，且存在较多新老接合面，局部混砂壤土、粉细砂及少量建筑生活垃圾等，结构较松散，干密度小，抗渗性能不均一。根据现场注水试验结果，渗透系数（1.8×10-5～1.5×10-3）cm/s，呈弱～中等透水性，在汛期高水位时，填土体透水性差异较大，堤身松散段易产生散浸或渗水现象。

（2）堤身滑坡。由于堤身填土局部夯实不够，渗透性局部较强，再加上部分堤身内、外坡较陡，汛期高洪水位作用或退水时动水压力作用下导致堤身脱坡，多处已出现堤身内、外坡滑坡，滑坡错距（0.3～0.4）m。

（3）堤基渗漏与渗透稳定问题。堤基以多层结构类为主，其中的砂性土是主要渗漏通道，堤基中含泥粉细砂层成层或以透镜体形式分布于堤基中下部，其结构松散，透水性强，渗透系数K=（2.40×10-3～8.37×10-3）cm/s，高水位时，堤内外形成水位差，地下水渗透压增大，粉细砂层成为渗透通道，轻者出现堤基渗漏，重则行成管涌，最终可能导致大堤变形、开裂，直至溃口。

（4）堤基沉陷变形及抗滑稳定问题。沉陷变形主要发生在多层结构淤泥质软土亚类（Ⅲ2）、双层结构类淤泥质软土亚类（Ⅱ2）及少量粘性土亚类（Ⅲ1）、（Ⅱ1）上部粘性土盖层较薄部位，堤基表部分布有较厚的（Q4a1+1）淤泥质粉质粘土，呈流塑～软塑状，含水量高，孔隙比大，具中高压缩性，允许承载力及抗剪强度低，根据试验室成果统计，淤泥质粉质粘土孔隙比大值平均值为1.081，干密度1.32 g/cm3，天然含水量29.5%～42.1%，液性指数1.06，压缩系数0.567，标贯N63.5=2～4击，允许承载力75 kPa。防洪堤经多年加高培厚，淤泥质软土地基在上部荷载作用下产生不均匀沉陷变形，导致上部堤身沉陷、开裂现象，部分当冲堤段沿淤泥质软土产生小范围堤身、堤基坍滑破坏。

经调查，有36.132km堤防的堤基存在渗漏、管涌等险情。此外，大堤尚有约15.43km堤基粉细沙夹层埋藏浅，上部粘性土覆盖层较薄，经计算，其渗流稳定不满足要求，需进行防渗处理，故需进行堤基防渗处理的堤防总长为51.562km。

3　堤基渗控方案

堤基防渗应以防渗和排渗结合、前堵后排为原则，根据《堤防工程设计规范》和工程实践经验，常用的堤基防渗工程措施有垂直防渗墙和背水侧压浸平台等。

根据该垸防洪堤堤基渗漏、管涌情况，以及堤防现状渗流复核计算成果，选取东线0+600、西线7+ 800、某河段8+000为计算断面，堤段长度各取200m，进行堤基防渗方案比较，方案一为水泥土防渗墙垂直防渗，方案二为背水侧压浸平台水平防渗。

经比较，水泥土防渗墙方案投资较小，且不需要占地和拆迁，实施难度小，且根据地质报告和地质剖面图，该垸堤基透水层为淤泥质粉质粘土夹薄层粉细砂，其下部存在相对不透水的粉质粘土或粘土层，可采用封闭式防渗墙方案，防渗效果好，故堤基渗控处理方案采用水泥土防渗墙防渗。

4　堤基渗控处理设计

（1）防渗墙轴线布置。堤身堤基联合截渗的防渗墙和堤身防渗墙轴线均布置在距堤顶外肩2m的堤顶上，并尽可能减少对堤顶路面的开挖。孔与孔之间的中心距离为265mm，钻孔直径为400mm，两孔搭接宽度135mm，水泥土防渗墙平面图及典型断面图如图1、图2所示。

图1　水泥土防渗墙平面图

图2　水泥土防渗墙典型断面（西线29+459）

（2）防渗墙工艺及深度。各类防渗墙均以堤基下的相对不透水层作为垂直防渗的依托，防渗墙深入到防渗依托层内1m。防渗墙采用多孔小直径水泥土搅拌桩搭接成墙，桩间距1.5m。

水泥土防渗墙设计渗透系数根据论文“长江堤防深层搅拌水泥土防渗墙设计指标探讨”（李青云等）中选取K=2.0×10-6cm/s，实际施工中根据试验进行确定。

（3）墙体材料选择。根据各堤段的地层特点及隔水层埋深情况，考虑到成墙难度和防渗效果。各堤段均采用的水泥土防渗墙。水泥土防渗墙控制指标如下：单轴抗压强度R28≥0.8mPa，渗透系数K≤i× 10-6cm/s（i=2），允许渗透比降＞50。

（4）墙体厚度计算。由于作用水头都不超过20m，按照水泥土允许渗透比降为50计算，防渗墙的厚度应不小于300mm。

5　水泥土防渗墙施工技术

结合工程实际情况，水泥土防渗墙成墙厚度0.3m。本工程水泥土防渗墙采用两搅两喷成墙方案。为保证桩与桩之间最小搭接厚度满足墙厚30 cm的要求，应严格控制移机距离和搅拌机的定位。水泥采用复合水泥，掺和量暂按10%～15%（具体掺和量应通过现场试验确定）。

5.1主要施工机械设备

主要施工机械设备：SJ4-500搅拌桩机8台，SJC浆量监测记录仪8台，制浆机8台，储浆罐8个，KY25-26-3潜水泵8台，送浆泵16台套。

5.2水泥土防渗墙施工工艺

桩位放样—→桩机安装、调平、定位—→水泥浆液制备—→搅拌喷浆下沉至设计深度—→搅拌喷浆提升至地面—→单元成墙、移位。详细施工流程见图3。

图3　水泥土防渗墙施工流程图

5.3主要施工方法

（1）平整、清理场地。根据防渗墙施工技术规范的要求，沿防渗墙施工轴线方向平整出宽（5～7）m的带状场地，清除桩位处地上、地下一切障碍（主要是大块石、树根和生活垃圾等），场地低洼时应回填粘土，不得回填杂土。

（2）开挖导浆槽。沿成墙轴线开挖出宽约0.5m、深约0.5m的导浆槽，将余土运到堤后临时堆土区。

（3）桩机就位及其附属设备安装。结合施工现场情况，进行桩机吊卸、组装、调试。

（4）测量放样。根据设计资料和施工规范定的要求，定出防渗墙轴线；每隔50m设立一个轴线控制桩，测量其高程，标定桩号，并做好记录及维护工作。因每幅施工成墙长度135 cm，每幅定位以钻杆中心进行控制，放样时每135 cm测放一个桩位控制点。该控制点是沿防渗墙轴线用钢尺量距进行测放。

（5）浆液配制。第一搅拌系统按照已确定的水灰比配制并搅拌水泥浆。具体到每一搅拌桶用量时，按照搅拌桶容积和确定的水灰比进行水泥量计算。制浆时每桶均先放水到计算用量，然后加入所需水泥量进行搅拌，每桶正反方向搅拌不少于2min。水泥浆液随配随用，为防止水泥浆液离析，搅拌机和料斗中水泥浆液要不断搅动。用泥浆泵把拌制好的水泥浆输送到第二搅拌储浆罐。

（6）搅拌喷浆。开动搅拌主机，使钻头底部与设计防渗墙顶在同一个高程时。先开始慢速搅拌进尺，同时送浆泵送浆，钻进一定深度后改为快速钻进，搅拌下沉。深层搅拌记录仪记录下钻深度，直至设计深度。然后提升钻头，同时喷浆搅拌直至设计防渗墙顶，深层搅拌记录仪记录送浆量。喷浆时要保持浆压稳定、供浆连续，确保整个桩体喷浆均匀连续。关闭送浆泵，主机整体沿预定的方向移动225mm，重复Ⅰ桩施工程序完成Ⅱ序桩。Ⅱ桩施工程序完成进入下一单元桩施工，主机整体沿预定的方向移动1 125mm。桩机横向平移就位调平，重复上述过程，进行下一幅单元墙施工。如此连续作业，直至工程完成。

6　防渗墙施工质量管理

6.1水泥检测

选用“南方”复合硅酸盐P.C42.5水泥，委托具有相应资质的单位对原材料进行检测。合格后，经监理工程师批准用于防渗墙工程施工。

6.2防渗墙施工过程中的质量检查

施工规范和设计图纸对水泥土搅拌桩防渗墙的施工要求如下：

（1）按施工图纸和试验确定的水泥掺入比，提升、下降搅拌速度，水泥浆液比重等参数进行施工，确保施工质量。

（2）喷浆机应设有精确的浆液计量装置，严禁没有浆液计量装置的喷浆机投入使用。

（3）搅拌机操作与供浆系统要做到密切配合，并规定明确的联络信号，以保证施工有序进行。控制好下沉和提升速度，以保证桩体范围内每一深度均得到充分搅拌。施工记录由专人负责，必须及时、正确、完整，如实反映施工过程。

（4）施工时应定时检查搅拌桩的桩径，成墙厚度及搅拌均匀程度，对使用的钻头应定期复核检查，其直径磨耗量不得大于2 cm。

（5）必须保证主机机身施工时处于水平状态，保证导向架的垂直度，桩体垂直偏差不得超过0.4%。

（6）桩位偏差不得大于30mm，桩间搭接长度、成墙厚度满足设计要求。

（7）喷浆下沉和喷浆提升的速度必须符合施工工艺要求，应有专人记录每桩下沉或提升时间，深度记录误差不得大于50mm，时间误差不得大于5 s。水泥浆在搅拌喷浆过程中不得离析，停置时间不得过长，随喷随搅，泵送必须连续。浆液严格按批准的水灰比拌制，超过2 h不用的浆液必须废弃。

（8）在喷浆成桩过程中遇有故障而停止喷浆时，第二次喷浆接桩时，必须将搅拌头反向搭接0.50m后，再搅拌、喷浆成桩，以防断桩和缺浆。

（9）每幅间墙体的连接是水泥土防渗墙施工最关键的一道工序，在施工中严格控制桩位和垂直度，并做出标识，以保证幅间套接质量和墙体整体连续性。

（10）防渗墙施工质量允许偏差应满足附表的规定。

附表　防渗墙施工允许偏差

6.3成墙质量检查

根据深层搅拌法技术规范（DL/T 5425-2009）规定并结合本工程的实际情况，制定防渗墙成墙检测方案如下：

（1）开挖检查。根据施工进度，经监理见证，沿造墙轴线约每500m开挖一处，每处长（3～5）m，深（2.5～4.0）m。检测墙体的外观质量、桩间搭接、墙厚、桩位偏差及桩体垂直度。合格标准：墙体的外观均匀致密无孔洞；桩间搭接、墙体厚度满足设计要求；整体性好。

水泥土防渗墙成墙厚度0.3m。本工程水泥土防渗墙采用两搅两喷成墙方案，施工工艺流程为：桩位放样—→桩机安装、调平、定位—→水泥浆液制备—→正搅注浆下沉—→反搅注浆提升—→单元成墙、移位。为保证桩与桩之间最小搭接厚度满足墙厚30 cm的要求，应严格控制移机距离和搅拌机的定位。水泥采用复合水泥，掺和量暂按10%～15%（具体掺和量应通过现场试验确定）。

（2）钻孔检查。施工结束，经监理见证，委托具有相应检测资质的单位，沿造墙轴线每隔约300m利用钻机在桩体上钻一孔取其芯样，描述该芯样的完整性、均匀性、桩长，利用芯样进行抗压强度、渗透系数等室内试验。在施工28天后，采用钻机取芯描述芯样的均匀情况和芯样的完整性。取样检验水泥土的单轴抗压强度、渗透系数。堤线每300m抽检一孔，不足300m也应加抽一孔，每孔取样两组，取样的部位为钻孔的中部和底部。钻孔必须用水泥砂浆封填密实。

（3）注水试验。利用钻孔进行现场注水试验，检测防渗墙的渗透系数。结束后，用水泥砂浆将钻孔回填密实。监理工程师认为有必要时，可选用一种承包人所使用的不利于成墙质量的搅拌桩成墙做围井试验，围井试验主要作开挖检查和作围井注水试验，围井试验按监理人员指示进行，检测渗透系数。合格标准：渗透系数满足技术指标要求。