高喷法在处理水库坝体及涵闸地基中的应用

薛　峰　张　亚　王莉莉（徐州市水利建筑设计研究院　徐州　221000）

高喷法在处理水库坝体及涵闸地基中的应用

薛峰张亚王莉莉
（徐州市水利建筑设计研究院徐州221000）

高压旋喷桩技术对土层适应性较强，施工简单，被广泛应用于复合地基处理工程，本文结合某水库失事涵洞地基加固方案，分析高压旋喷桩及高喷连续墙在加固水库坝体与涵闸地基上的应用，并探讨设计中的相关技术问题。

高压旋喷桩高喷截渗墙复合地基旋喷桩技术

1　前言

近年来，多头小直径水泥土搅拌桩连续墙由于抗渗效果好、工程造价低，在堤坝截渗中得到广泛应用，但限于设备和工法的原因在与堤坝涵闸结合部位是薄弱环节，而这个部位恰恰是堤坝防渗最重要的部位，既要满足地基水平防渗要求，又要满足侧向绕渗要求。对于一般低级别的堤坝往往采取密集注浆的方法处理，而对于高等级的堤坝多采用高喷方法连接。本文通过某失事加固工程实例讨论高喷连续墙和高压旋喷桩复合地基联合处理水库坝体涵闸地基设计问题。

2　出险工程案例分析

2.1工程简介

苏北某水库位于废黄河南堤下，是一座以灌溉、养殖为主的平原水库，库容340万m3。水库大坝为粉砂及少黏性土坝，坝长2700m，坝顶高程36.5～37.2m，坝顶宽6.0～8.2m，最大坝高6.7m；迎水坡、背水坡均为1∶3。水库大坝2009年进行除险加固，设计加固方案为多头小直径水泥土搅拌桩连续墙，两侧近涵洞5.0m处因多头小直径水泥土搅拌桩无法施工，故采用注浆衔接。实际施工时涵洞东侧20余米及西侧30余米左右因土体内有块石水泥土搅拌桩打不下去，截渗墙无法施工到原设计位置，改用充填注浆衔接，注浆孔间距2.0m，梅花型布置，浆液为普通水泥浆。对于放水涵洞防渗长度不足的问题仅在下游增设水平铺盖，没做垂直截渗处理。2011年10月30日放水涵洞突然坍塌导致大坝溃决，下游3座桥梁被冲垮，引水渡槽冲断。

2.2工程地质

根据勘探资料揭露，场地内第A层素填土为大坝人工堆填土；第①层粉砂、①-1层淤泥质壤土、②层黏土为第四系全新统地层，沉积时间短，土质相对较松软，工程地质条件相对较差，其中①层粉砂防渗抗冲能力差，且为地震液化土层；第③层含砂姜黏土为上更新统地层，土质相对较硬，工程地质条件较好。各土层物理力学参数见表1。

表1　土层物理力学参数表

2.3溃坝原因分析

工程破坏现场显示，溃决口宽约95m，最深冲坑底高程27.00m，坝体断面可见水泥土搅拌桩截渗墙，上部第①层粉砂土全部被冲毁破坏。场地内①层粉砂为大坝和涵洞地基，该类土为近代黄泛冲洪积物，沉积时间短，结构松散，防渗抗冲能力很差，极易发生渗透变形破坏，破坏形式为管涌。水库安全鉴定结论为大坝防渗和放水涵洞防渗长度均不够，大坝采用水泥土搅拌桩截渗墙截渗，涵洞地基仅在下游增加水平护坦无垂直截渗措施，两侧近50多米范围内无水泥土搅拌桩截渗墙，灌浆后也没进行质量检测，是其防渗薄弱部位。综上，溃坝原因分析为侧向绕渗破坏和地基渗透破坏同时发生，管涌造成涵洞两侧填土及地基土流失，导致涵洞洞身塌陷、断裂，在水压力作用下涵洞垮塌继而引起溃坝。

3加固方案必选

涵洞设计流量7.8m3/s，单孔1.3m×1.5m钢筋混凝土箱式结构，设计底板底高程29.00m，基础位于①层粉砂上，该层防渗抗能力差且为地震可能液化土层。另外，根据调查，①层土体内有老涵洞残留部分，此次抢险也有大量碎石等建筑物垃圾抛入该层，导致土体极不均匀，土体中的杂物存在影响地基处理沉桩的可能性。因此，涵洞地基设计同时需要解决承载力、防渗以及地震液化3个问题，特别要考虑新建涵洞洞身与原水库大坝坝体内截渗墙衔接问题。

根据地质条件和水库运行工况，涵洞无移位再建的条件，即使移位新建现除险地段仍然要进行地基处理。针对地基条件和场地情况，设计单位提出3种地基处理必选方案。各方案优缺点及在本场地的适宜性对比见表2。设计单位推荐和实施的均为第一方案，即高压旋喷桩方案。

表2　工程加固方案对比表

4　高压旋喷桩复合地基设计

4.1桩长估算

涵洞设计底板底高程29.00m，旋喷桩桩端设置0.3m厚褥垫层，现状冲沟底高程27.00m，设计要求施工时回填黏土至28.70m。从场地内地基土结构来看，第②层黏土隔水性好，可作为截渗墙的依托层，设计桩长进入第②层黏土1.0m（即桩端高程21.70m），形成围封，就可以解决防渗及地震液化问题，估算桩长为7.0m。根据地区经验，该桩长单桩承载力也可以满足要求。典型剖面见图1。

4.2桩径确定

高压旋喷桩的直径与地层、选定的注浆管类型、喷射压力、提升速度、旋转速度有关。目前，旋喷桩桩径估算多采用查表法。旋喷桩的设计直径见表3。设计采用三管法施工，旋喷桩设计直径取1.5m，孔距1.2m，搭接长度≥20cm。

图1　涵洞设计典型剖面图

表3　旋喷桩设计直径表 （单位：m）

4.3承载力估算

4.3.1布桩

重建涵洞基础设计宽2.1m，涵洞基础外侧各留0.75m，加固块体宽3.6m，旋喷桩采用三管法施工，设计桩径1.5m，孔距1.2m，采用三排布桩，整体加固，全部置换。

4.3.2单桩承载力估算

增强体单桩竖向承载力特征值可通过现场单桩载荷试验确定，初步设计时，可按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）式7.1.5-3估算：

经估算，单桩竖向承载力特征值为860.8kPa。

4.3.3复合地基承载力估算

复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时，可按《建筑地基处理技术规范》

经估算，复合地基承载力特征值为389.9kPa，大于设计要求。

4.3.4复合地基褥垫层

根据水工建筑物防渗要求，复合地基褥垫层应采用防渗材料，一般采用水泥土垫层，厚度0.3m，掺量20%，其渗透系数（k）＜a×10-6cm/s（1＜a＜10）。

5　大坝摆喷截渗墙设计

大坝截渗采用高喷截渗墙与原水泥土搅拌桩截渗墙连接，高喷截渗墙与原大坝截渗墙接头见图2，主要设计参数：

图2　摆喷截渗墙与原大坝截渗墙接头示意图

（1）考虑坝体与地基均为粉砂、粉土故采用小角度摆喷，摆角10°，喷射方向与设计截渗墙轴线夹角15°，摆喷有效长度取旋喷桩直径的1.5倍，旋喷桩直径1.5m，孔距1.2m，搭接长度≥30cm。

（2）高喷强体的渗透系数、抗压强度与多种因素有关，根据《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T 5200-2004），墙体性能指标为渗透系数小于9×10-6cm/s，抗压强度R28大于1.5MPa，渗透破坏比降不小于500，允许比降不小于80；高喷墙体为封闭式，截渗墙底进入第②层黏土1.0m，桩顶取35.5m，桩端取21.7m，大坝截渗墙设计桩长13.8m，涵洞处大坝截渗墙设计桩长4.1m。

式中：S—有效墙厚，m；ΔH—墙体两侧水头差，取6.0m；［J］—允许比降，取80；ηj—系数，可取1.1～1.4，该工程取1.4。经计算需要高喷墙有效厚度为10.5cm，考虑到施工可能带来的垂直度偏差、施工机械要求、砂层厚度等因素，设计高喷墙厚15cm。

6　质量检测

高压旋喷桩复合地基及高压旋喷桩连续墙完成后按规范要求进行强度、静载、防渗性、桩长及连续性检测。

（1）强度检测：成桩28d后进行，检验数量不少于总桩数的1%，采用钻孔采芯法检测，测得抗压强度为1.71～3.25MPa，满足设计要求。

（2）静载试验：旋喷桩复合地基承载力检验应采用复合地基载荷试验和单桩静载荷试验，检验数量不少于总桩数的1%，且每个单体工程复合地基静载荷试验的数量不得少于3台。经检验，复合承载力满足设计要求。

（3）防渗性检测：防渗性检测采用钻孔注水法检测，测得渗透系数7.169×10-7～1.01×10-6cm/s，满足设计要求。

（4）桩长及连续性检测：高喷桩桩长及墙体连续性检测采用地质雷达检测，探测结果显示，波形同相轴基本连续，未见明显缺陷特征，墙体总体连续完整；根据雷达波确定的桩顶及底面位置，高喷桩桩长均达到设计要求。

7　结语

通过旋喷桩技术在水库坝体截渗与涵闸地基加固上的应用，可以看出旋喷桩技术相比水泥土搅拌桩对土层的适应性更强，工程实例表明该技术在土层中含有大量碎石等建筑垃圾的回填土同样适用。在具体的工程实践中，设计应根据工程特点及场地条件选择合理的设计参数，施工完成后，做好质量检测工作，以保证工程质量■

（专栏编辑：顾梅）