铣削搅拌水泥土防渗墙在新近系泥岩、砂岩地层中的应用

2021-06-21沈纪安秦学林夏卫华翟富春雷进东李新广

陕西水利 2021年5期

沈纪安，秦学林，夏卫华，翟富春，雷进东，李新广

（1.新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆昌吉831100；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒841000）

1 前言

希尼尔水库位于新疆巴州孔雀河流域的尉犁县境内，水库设计总库容0.98×108m3，大坝为复合土工膜防渗砂砾石坝，坝线全长7650 m，最大坝高20.0 m，坝顶宽6 m，坝顶高程916.5 m；坝基地层岩性为新近系砂岩、泥岩，互层状。水库除险加固坝基防渗采用铣削搅拌水泥土防渗墙，是该技术在西北地区的首次使用，也是该技术在新近系软岩地层的首次应用。

铣削搅拌水泥土防渗墙即双轮铣水泥土搅拌墙（SMC）是将双轮铣削成槽工艺和传统的深层水泥土搅拌工艺的技术特点相结合的一种新型地下深层搅拌技术。当施工机械向下铣削搅拌土体时，两个铣轮相对相向旋转，铣削地层，同时动力系统施加驱动力，向下铣削地层；在此过程中，注浆系统也通过注浆孔注入浆液，当机头向下铣削搅拌至设计深度后，两个铣轮做相对相反方向旋转，动力系统提供驱动力，提升铣轮；注浆系统在此过程中也注入固化液，与土在原地搅拌混合，形成水泥土地下连续墙。

2 坝基工程地质条件

根据勘探资料坝基地层为新近系地层，岩性为河湖相沉积的泥岩与砂岩类，并夹砂砾岩，呈互层状分布，岩层呈水平状产出，强风化层5 m～8.0 m，其中砂岩胶结差，遇水软化呈散砂状，强度较低，属极软岩。泥岩天然密度1.9 g/cm3～2.1 g/cm3，干燥状态下抗压强度3.01 MPa～4.35 MPa，饱和状态下抗压强度0.23 MPa～0.39 MPa，承载力为200 kPa～250 kPa；砂岩天然密度1.8 g/cm3～2.1 g/cm3，干燥状态下抗压强度1.0 MPa～4.5 MPa，承载力为120 kPa～160 kPa。

根据钻探压水试验：坝基2.0 m～11.0 m新近系砂岩透水率为14.5 Lu～61.16 Lu，11.0 m以下为新近系砂岩、泥岩互层，透水率为0.05 Lu～4.93 Lu。岩层透水率与地层岩性呈现一定规律性，透水率上部大下部小，随风化程度变化，强风化层透水率大，泥岩透水率比砂岩小。

3 对比试验

铣削搅拌水泥土防渗墙在内地沿海地区淤泥质土层及粉土等细颗粒软土有丰富的施工资料及经验，技术比较成熟；但对于新疆地区的新近系软岩地层中尚无相关施工资料及国家技术标准。为确保工程质量及获取施工控制参数，在施工前在坝体桩号（2+436～2+466）段前坝坡脚上游50 m处水库库盘内分别进行双排帷幕灌浆及液压铣削搅拌水泥土防渗墙对比试验，以确定铣削搅拌水泥土防渗墙在施工时的技术标准、参数及效果。

（1）帷幕灌浆试验

坝基防渗试验段位于桩号2+436～2+466段前坝坡脚上游50 m处水库库盘内，帷幕灌浆试验段长30 m。灌浆孔深14.4 m，主帷幕灌浆孔数24孔，副帷幕灌浆孔数25孔。主帷幕孔距1.5 m，副帷幕孔距1.5 m，主、副帷幕孔间距1.5 m。

灌浆过程中普遍存在“吃水不吃浆”现象，即压水试验岩层透水率很大，但灌浆量很小。主帷幕单位注灰量为43.11 kg～385.43 kg。在单元灌浆孔完成14天后通过钻孔取芯结合相应压水试验对帷幕灌浆质量及效果进行检查。根据钻孔压水试验及取样岩芯分析：试验段岩层透水率灌浆前后变化不大，岩芯内水泥浆液量分布较少，部分岩芯无水泥浆液扩散痕迹，灌浆影响范围较小，在该地层中帷幕灌浆效果较差。

（2）液压铣削搅拌水泥土防渗墙试验

铣削深搅水泥土防渗墙试验段位于位于帷幕灌浆试验段北侧；试验段轴线长15.0 m，墙体厚度70 cm；单幅墙长度为2.8 m，幅间咬合搭接15 cm；采用跳槽式双浆液施工；要求防渗墙28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa，渗透系数不大于1×10-6cm/s，渗透破坏比降不小于60。铣削深搅水泥土防渗墙试验共进行5幅试验1#幅段水泥掺入量为13%，2#、3#幅段水泥掺入量为15%，4#、5#幅段水泥掺入量为18%。

在试验结束14天～25天后对5幅墙体进行钻探取芯及注水试验，试验孔深13 m（墙深15 m）；同时对在现场制作的水泥土试件进行7天、14天的抗压强度检测及渗透试验。主要试验结果见表1。

表1 墙体芯样、水泥土试件渗透系数及抗压强度结果统计表

水泥参量为13%的墙体渗透系数为3.64×10-6cm/s～3.62×10-6cm/s，抗压强度为1.9 MPa～2.1 MPa；水泥参量为15%的墙体渗透系数为1.16×10-6cm/s～7.9×10-7cm/s，抗压强度为1.56 MPa～5.4 MPa；水泥参量为18%的墙体渗透系数为1.1×10-6cm/s～8.2×10-7cm/s，抗压强度为1.64 MPa～2.4 MPa。根据检测试验数据：在水泥掺量递增的情况下，墙体渗透系数递减规律明显，在水泥参量为15%的情况下墙体渗透系数均小于1×10-6cm/s；抗压强度指标均大于28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa设计指标要求。

图1 液压铣削搅拌水泥土防渗墙试验段开挖检查

4 铣削搅拌水泥土防渗墙在新近系泥岩、砂岩地层施工的适应性

综合分析铣削搅拌水泥土防渗墙试验，可得出如下结论：①铣削搅拌水泥土防渗墙铣削设备最大铣削强度为20 MPa，新近系泥岩、砂岩抗压强度为1.0 MPa～4.5 MPa，其铣削能力远远大于地层强度。液铣削深搅水泥土防渗墙及施工工艺适合新近系地层的坝基防渗处理，其抗渗性、强度及墙体连续性均能满足设计要求，且施工质量可控性强，施工效率较高，经济性较好。②经对水泥掺量13%、15%、18%防渗墙渗透系数数据进行对比分析，渗透系数在1×10-6cm/s～1×10-7cm/s抗渗性较好，抗压强度随水泥掺量增加而提高。③从各试验墙体岩芯分析，墙体上部岩芯完整率、水泥土均匀性均较好，但下部岩芯完整性、水泥土均匀性稍差，墙体夹有泥岩岩块。

由于新近系泥岩、砂岩地层的特殊性，其施工工艺与其他地层施工相比略有不同，发现铣削搅拌设备对泥岩的铣削破碎及搅拌均匀性较差问题。因此注浆施工时，采用铣削下沉为风、水联动下沉，注浆提升时对中部以下墙体进行复搅提升注浆提升速度控在0.3 m/min～0.5 m/min，可解决搅拌均匀性性较差问题，同时对铣削机头适当改造，增加挡泥齿可增加对泥岩地层的破碎性。