防渗墙槽孔坍塌成因、预防及处理技术

2021-07-09李保红

水科学与工程技术 2021年3期

关键词：孤石槽孔槽段

李保红

（湖北大禹建设股份有限公司，武汉 430061）

1 防渗墙槽孔坍塌原因分析

1.1 护壁浆液问题

目前最常用的护壁泥浆是黏土浆液、膨润土泥浆两种，有时为了调节泥浆的黏度和胶体稳定率等性能会在泥浆中加入碱粉等外加剂。泥浆除了有携带泥削、冷却钻头等作用，更主要的是其静压力抵抗槽壁土压力，并在槽孔壁面形成泥皮，起保护槽壁稳定的作用。

（1）制浆原材料黏粒少。配置黏土泥浆使用的黏土黏粒含量太低、砂粒含量高，造成黏土泥浆胶体率低、稳定性差，不易在槽壁上形成泥皮，槽孔容易坍塌。

（2）泥浆比重太小。同种配浆材料泥浆比重小，说明含水量大，水会浸泡槽壁造成槽壁吸水饱和自身不能稳定发生坍塌。

（3）胶体稳定性差。配制好的泥浆胶体率低或24h静置后稳定性差，有的达不到75%，这样的泥浆在槽孔内会出现上部是水，底部是泥浆，上部起不到固壁作用，造成槽孔坍塌。

1.2 造槽方式问题

防渗墙槽孔造槽方式有抓取法、钻抓法、钻劈法、锯槽法、射水法等，最常用的是前3种。

（1）抓斗在槽孔内的快速活动会产生抽吸作用。抓斗快速入槽造成槽内泥浆向外挤压槽壁，而后抓斗快速提升又造成槽壁瞬时出现临空面向槽内移动（虽然有泥浆回流），这样反复多次造成槽壁不稳坍塌，尤其是对较深的槽孔尤为明显。

（2）冲击钻的振动作用。冲击钻造槽是依靠冲击钻头的动能和动量冲击破坏地层，每次冲击相当于一次较小的爆破形成的震动，长期在此种震动作用下，槽壁会出现不稳定，需要说明的是该震动主要影响冲击处较近的范围。

1.3 地层不良问题

地层本身稳定与否，是保证槽壁稳定的关键因素。有的地层本身就很稳定，有的地层遇水就容易坍塌，有的地层含有较多砂卵石也是不稳定的一个重要因素。

（1）大孤石或漂石地层。地层中含有大孤石或漂石时，若采取的措施方法不当，可能导致槽壁不稳定而发生坍塌。尤其对硬度较大的孤石和漂石采用冲击破碎法不仅不起作用，还会导致槽壁震动坍塌。

（2）砂卵石地层。砂卵石地层或砂砾地层属于松散地层，防渗墙施工前未采取有效的预防措施，也会造成槽壁失稳，发生坍塌。

（3）土堤土坝填筑质量差、密实度低，加之运行多年来不均匀沉降及管理不善出现白蚁危害严重，此时槽段内泥浆压力大于土堤坝最小主应力，从而土堤坝被劈裂，槽孔内泥浆很快流失，浆液面下降，槽壁失去泥浆的支撑力而坍塌。

1.4 槽段划分不当或施工安排不合理问题

（1）槽段划分过长，则造槽孔时槽壁临空面过长，也容易发生槽孔坍塌。合龙槽段布置不合理，如布置在深槽段，则很有可能造成集中渗流，槽孔坍塌。

（2）槽孔清孔结束，后续混凝土浇筑没有及时跟上，槽孔在泥浆浸泡中停顿时间过长，也可造成槽壁被泡松软而发生坍塌。

1.5 地表外加荷载问题

地表外持续施加振动荷载，使得槽段地层土体凝聚力降低。例如在粉细沙或沙土地层采用钻劈法施工时，地层较容易在冲击钻振动下液化，导致槽壁土体饱和溜坡失稳，造成槽孔坍塌。

1.6 外界环境问题

（1）施工平台出现问题。防渗墙施工平台未设定散水坡度或平台太低，一旦遇到大雨、暴雨或持续雨天，会造成雨水淹没整个施工平台，槽壁外水压力增大，雨水渗入地基，减小了槽壁土颗粒间内聚力，造成大面积的槽孔坍塌。

（2）施工导墙出现问题。一般来说导墙不仅为造槽机械提供导向槽导向作用，还对槽壁的支撑效应有重要作用，可有效地约束限制槽壁两侧土体的位移。如果导墙断裂，则上述作用不能发挥，也容易造成槽孔坍塌。

2 槽孔坍塌预防措施

2.1 施工前预防措施

2.1.1 研究地质勘察资料

施工技术人员在造槽前应详细了解造槽区域内的地质状况，造槽设计深度范围内地层分层情况及地层土（岩）体物理力学性质和地下水位高程等资料。另外对土堤坝本身需要了解其透水性，如历史上有没有出现过滑坡、裂缝、较大沉降、管涌、散浸问题，堤身土体中是否含有孤石或漂石等。对堤坝基础段有无砂卵（砾）石，如有无多厚及粒径情况，有无地下水流动情况，有无流速大小等。对嵌岩防渗墙，还要了解基岩情况，如为灰岩，要搞清楚是否有大裂隙或溶洞、溶沟、溶槽等。如果没有这些地质资料，必要时应进行补充勘察，获得详细的地勘资料以指导后续施工。

针对获取的地质资料，预先采取预防措施。①嵌入的基岩有溶洞，则要根据探明的溶洞大小准备相应的混凝土材料和施工机械设备。 ②砂砾地层地下水活跃，施工前要准备一定量的水泥、水玻璃、珍珠岩、锯末、黏土球等堵塞物备用。 ③地层中有坚硬的大孤石、漂石，可在槽孔施工前预先用地质钻机钻孔予以爆破破碎，降低后期造槽施工时处理这些问题而导致槽孔坍塌的概率。

2.1.2 帮填的施工造槽平台加固处理

大多已有的土质堤坝堤顶宽度很难满足防渗墙造槽平台宽度要求，因此施工造槽平台大多需要通过帮填形成。有的土坝堤顶宽度只有约3.0m，远远不能满足防渗墙造槽施工平台宽度需要（一般钻劈法要求施工平台宽度6.0～9.0m，抓取法和钻抓法要求施工11.0～13.0m［2］），这种情况往往采取在枯水期降低坝堤高度，并结合在堤坝内外一侧或两侧帮填以获取合适宽度的施工平台，但在汛期来临前必须恢复至原堤坝高度。这样的施工平台是松散不密实的，因此需要对施工平台帮填时进行碾压或夯实处理，以提高平台的承载力和抗滑动能力，尤其新老填土界面应采取加一排或多排木桩以提高帮填部分的抗滑性。如果老填土面本身土质很松散，要在导向槽施工前首先对该土体进行振冲加密和碾压加固。需要说明的是振冲加密比碾压加固影响深度深，可以处理相对较深层土体。一般来说碾压法用于施工平台面层整平压实，振冲加密因其高频振动，配以适量的水可将松散砂土颗粒液化后重新排列，缩小加固体体积，从而密实相对较深地基。振冲器的选择可参考被加固体性质，如为砂土地基振动器功率选25～35kW，如果为砂卵（砾）石地基，则振动器功率应选大一点，可选择不小于70kW的振动器。

施工平台向外应有0.2%～0.5%的坡度，能够排水、排渣、排浆通畅，倒浆平台应向外有2%～3%的坡度，保证施工期间不积水，水更不会渗入地基。

2.1.3 合理划分槽段和设置恰当的合龙段

密实度差或已有裂缝、白蚁危害严重、曾发生过塌陷或滑坡的堤坝，可将槽段缩短一些。槽段长度一般为5.0～7.0m，最大不超过9.0m，其布设原则不仅依靠地层情况还要结合混凝土的浇筑能力、地下水位高度、泥浆的储备和供应能力等综合考虑，即结合施工整体安排考虑。槽段布置太短会形成较多接头，不利于抗渗效果，布置过长会增加槽孔坍塌的可能性。根据多个项目施工经验得出“槽浅段长，槽深段短；地下水位低段长，地下水位高段短；密实地层段长，松散地层段短；有漂石地层段短，无漂石地层段长”的总体原则。如槽深在20m以内，槽长宜为7.0m左右，槽深20.0m以上，槽长宜为6.0m左右，但槽深在地下水位以上，槽深在20.0m以内，段长可增加到9.0m，甚至更长，只要保证槽孔不坍塌即可。但对坡较大且高度较高的土堤坝（高度超过50m），设置过长的槽段，在泥浆作用下可能会引起坝体劈裂，不利于坝坡安全。

合龙段类似与河道截流的合龙口，是造槽施工的最后一槽段，此时其两边的槽段均已施工完成，渗水集中从合龙段穿过。如果合龙槽段设置在深槽，则集中渗流速过快，不利于槽孔稳定，如果合龙槽段选太浅的槽，则较深槽孔因上述原因同样施工困难，合龙槽也起不到应有作用。规范［3］规定“合龙段的槽孔长度以短槽为宜，尽量安排在槽深较浅、条件较好的地方”，根据笔者经验证明土坝建造防渗墙合龙槽段宜选择在最深槽孔约1/3～1/2深度的槽段。

2.1.4 制浆材料选择

施工前选用优质的黏土或膨润土制配泥浆，对槽孔固壁作用非常明显。泥浆固壁的机理主要有2个，一是依靠槽孔内泥浆的静压力来抵抗槽壁侧向压力，二是附着在槽壁上的泥皮产生的抗剪效应对槽孔稳定产生较大作用。有的学者认为槽孔本身的拱效应也起到一定作用，但不可否认的是90%以上的作用是靠泥浆发挥的，因此泥浆性能的好坏对槽孔壁稳定至关重要。

黏土作为常用制浆材料相对较经济，一般施工当地附近可以找到，但天然黏性土黏粒含量不高，导致配制的泥浆黏度较低，对于土质槽孔来说尚可，对容易坍塌地基的槽孔就不太适合。因此选用制浆材料要根据地质情况综合确定，一般来说易坍塌的地基需要较好的泥浆，制浆材料可选择优质膨润土，地质条件较好的地基制浆材料考虑经济效益可选择当地黏土。无论是选取用哪一种材料制浆，配置出的泥浆性能达不到要求，均应辅以外加剂调节，比如加入适量羧甲基纤维素钠可增加泥浆黏度并改善其胶体性、加入适量石粉可增加泥浆比重等。对于多层地基，应按照最容易坍塌的地层选择制浆材料。

配制好的泥浆须经检验才可使用，一般主要检测泥浆5项性能指标，即比重、黏度、含沙率、胶体率、失水率。事实上槽孔坍塌不仅与泥浆有关，还与槽孔所处位置的地下水位有关。地下水位太高，泥浆中的自由水不会通过槽壁渗透，则保护槽壁的泥皮不能附着，槽壁也就不稳定。有资料［2］统计显示，地下水位和泥浆黏度与槽孔坍塌的可能性关系如表1。

表1 不同地基条件下孔壁坍塌的可能性与需要的泥浆黏度

2.2 施工中预防措施

2.2.1 间隔槽段造槽

理论上，2个槽孔间隔越远，施工时相互影响就越小。目前混凝土防渗墙常用的施工顺序是分二序间隔进行的，施工规范［3］也是这样规定。一般来说，为了避免槽间相互影响，同时施工法人槽孔遵循间隔跳槽法施工，最常用的跳槽法是中间间隔3个槽孔，稳定性较好的地层也可间隔1个槽孔，稳定性差的地层可间隔5个或7个槽孔。但间隔槽孔也不宜再多，否则起不到相互影响作用，且造槽机械搬运距离远不经济。

2.2.2 巡查巡视

无论是钻劈法、抓取法或钻抓法，造槽时随时要有人观测槽孔内泥浆面有无异常下降，巡视槽孔段附近堤坝是否出现裂缝、有无泥浆出漏、施工平台有无沉陷或开裂等异常现象。

2.2.3 砂卵（砾）石地层优选钻劈法

砂卵石地层建造槽孔，最大的难题是槽孔漏浆，根据经验优先使用钻劈法配以比重较大的泥浆，冲击钻机可将泥浆中的物质挤向槽孔两侧壁地层，起到稳固槽壁的作用，同时被冲击钻机冲击破坏的地层均成为粉状或碎屑，通过冲击过程将这些物质挤入卵石间空隙起到充塞作用，而后在泥皮的保护下稳定槽孔。

2.2.4 间隙搅动泥浆

施工期间，难免有各种原因致使造槽中断，泥浆在槽孔内停放时间较长，泥浆上部会出现析水，槽段在水中浸泡，造成上部槽壁不稳，此时应轻轻搅动泥浆，保持泥浆上下均一，以稳定槽壁。

2.2.5 更换泥浆

造槽过程中，泥浆因携带大量的泥（岩）屑等逐渐失去应有的性能，需要时常检测，对不合格泥浆及时做沉砂、掺入新浆、加外加剂调节等相应的处理，处理不好的须坚决废弃换新，以加强护壁效果，减少坍塌槽孔的可能性。

2.2.6 槽孔漏浆

槽孔漏浆是造槽过程中最常见的问题，一般因堤坝填筑质量差地层松散、砂砾石、大漂石或地层有渗漏通道。造槽期间发现槽孔内泥浆异常下降，应立即中断造槽，快速向槽孔内补充泥浆，使槽孔内浆面高度不低于导墙底部。同时向泥浆中掺加膨润土、粉煤灰、锯末、人造纤维甚至稻草等一种或几种堵漏材料。如果仍没有效果，可向孔底投放黏土或黏土球、水泥、砂等都漏材料，用钻头捣实并挤入漏浆通道。需要特别说明的是在此过程中必须持续向槽孔内注浆，保持泥浆面不下降。

2.2.7 清孔结束与混凝土浇筑间隔时间

槽孔清孔完成后，尽快实施混凝土浇筑，规范［3］规定此间间隔不应超过4h。因清孔所用泥浆比重相对较低，清孔结束后还需移开造槽机械、浇灌设备进场、下入导管和埋件等，对深槽孔而言，这些工作需要较长时间，但泥浆静置时间过长，上部泥浆会出现析水后不足以抵抗槽壁的侧向力，也可能导致槽孔坍塌，因此在槽孔清孔后应缩短浇筑前的等待时间，降低坍塌槽孔的可能性。

2.2.8 地层孤（漂）石造成塌孔

根据经验，直径大于50cm且硬度较大的孤石、漂石在钻劈法造槽时，用冲击钻难以击碎，且因震动较大，极易造成槽孔坍塌事故。一般采用水下爆破法处理，一种爆破方式是水下裸露定向聚能爆破法，另一种是水下钻孔爆破法。

水下裸露定向聚能爆破法可解决直径不大于1.0m的孤石、漂石，此法可直接增加钻孔进尺。水下裸露定向聚能爆破装置如图1 ，该装置为内外双层筒结构形式，筒间用黏土填实，用以增加装置的惯性并对爆破起缓震作用。爆破筒外壁可选用钢管或1.0～2.0mm 厚的铁皮制成，下设导线主要承担爆破装置的质量和对爆破筒的定位导向作用，测绳用来测量孔深度以确保爆炸物到达预定位置。爆破前尽量清理干净孔底沉积物，搅动孔内泥浆，加大泥浆密度。

图1 水下聚能爆破装置示意图

当孤石体积较大，采用水下裸露定向聚能爆破其效果不太理想，但为了减少对槽孔壁的扰动，又不能加大药量［4］，此时需要选择水下钻孔爆破法处理，此法是先下入套管至孤石顶部，而后用黏土投填在套管外壁，然后再用地质钻机在大孤石、漂石上钻孔并下入炸药爆破。水下钻孔爆破装置如图2，炸药装入爆破筒内，筒长度可取20～30cm，筒直径比钻孔直径小5～10mm，根据钻孔长度放入由一个或几个小筒组成的爆破筒，其总长度应小于孤石中钻孔深度20cm左右。每一个小筒内都安放雷管，小筒支线与导线采取并联形式，各种器材的作用与聚能爆破器材基本一致，但是与聚能爆破比较，爆破药筒不易达到预定位置，所以在爆破筒下入钻孔内时在其底部配加沉重块向下牵引。为了避免套管被爆炸破坏，爆破前可将套管提升1.0～1.5m。

图2 水下钻孔爆破装置示意图

3 塌槽处理措施

3.1 槽孔漏浆坍塌

槽孔漏浆造成坍塌，可回填槽孔而后重新造槽。回填槽孔可采用黏土土或低强度混凝土。如采用黏土回填可在黏土中掺入碎石等材料并利用冲击钻夯实，尤其在已坍塌的部位上下各2.0m范围内，须夯填密实。如采用C10等低标号混凝土回填，可在回填混凝土强度较低时（回填后2～3d内）重新造槽孔。

3.2 槽孔（口）坍塌

（1）当槽口坍塌范围不大时，此时导墙一般不会断裂。可以采取紧贴导向墙外边缘间隔20～30cm斜向下插入钢筋、钢管或木桩，其长度根据预先判断的坍塌位置确定并加长不少于1.0m，然后用黏土封堵坍塌槽孔下部，上部用低标号混凝土封堵，不使水流入坍塌坑缝隙。

（2）当槽孔坍塌范围较大时，已无法按照上述方法处理，可采取袋装黏土回填坍塌底部2.0～3.0m的空间，而后上部用低标号混凝土水下浇筑法浇筑到槽口，待2～3d后重新造槽。

（3）当槽孔坍塌范围过大，导向墙严重断裂。此种情况可采取拆除断裂导墙，而后用黏土分层夯实回填槽孔至施工平台高程，重新施工导墙，重造槽孔。如果此时槽孔深度较大且接近完成时，为了减少工期和经济损失，往往会直接沿防渗墙轴线方向架设30号以上大型型钢，造槽机械落在型钢上继续施工的方法，而不必回填槽孔。

3.3 地层不稳定槽孔坍塌

地层土体不稳定造成槽孔坍塌，主要是因为土体已经饱和、土体不密实、砂卵（砾）石透水地层等［5］，这种地层很容易塌孔。对于土体饱和或土体不密实地基可采取缩短槽段长度，将6.0m左右的槽孔长度缩短至2.0～4.0m。如果仍不行，可直接采用类似于灌注桩施工的办法，首先完成单个桩柱，桩柱间可用双反弧钻头造孔浇筑混凝土或新灌注桩柱套接，形成连续的柱式样连续墙体。需特别注意该法因接头较多，槽孔斜度和孔壁清洗质量须保证。对于砂卵石地层，可采用投填袋装黏土，并用冲击钻头“小幅度勤提勤放”，反复搅捣，使黏土可充填到卵石空隙中。