多頭深層攪拌樁截滲墻在黃河堤防加固工程中的應(yīng)用

□楊允霞 □朱智偉 □李利琴

（1虞城縣水務(wù)局；2河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司；3河南黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

0 引言

截滲墻作為堤防加固的一種工程措施，其防滲效果受堤基地層結(jié)構(gòu)特性的影響較大。對(duì)于砂壤土、粉細(xì)砂、粘土互層的多層地層結(jié)構(gòu)，受截滲墻深度和施工工藝的限制，截滲墻無法穿過透水砂層至相對(duì)不透水層，防滲效果不明顯。對(duì)于上砂下粘的地層，截滲效果較為明顯。

1 截滲墻加固工程設(shè)計(jì)

1.1 堤腳截滲墻結(jié)合臨河堤坡鋪土工膜方案設(shè)計(jì)

1.1.1 工程布置

工程主要包括兩部分，分別為在臨河堤腳做水泥土攪拌樁截滲墻和在堤坡上鋪設(shè)復(fù)合土工膜。

截滲墻頂高程低于現(xiàn)狀臨河堤腳0.50m。攪拌樁墻施工結(jié)束后，墻頂鑿除0.50m達(dá)設(shè)計(jì)高程并整平，截滲墻造墻深度為20m。土工膜鋪設(shè)頂高程為2000年設(shè)防水位加1.50m。截滲墻標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 堤腳截滲墻標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

1.1.2 墻體厚度及主要技術(shù)指標(biāo)

墻體厚度主要受允許水力坡降控制。根據(jù)已建工程實(shí)例，取截滲墻允許水力坡降J=100；該堤段2000年標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防水位，取截滲墻滲壓水頭H=10 m，則允許墻體最小厚度：Hmin=H/J=0.10 m；考慮施工因素，取墻體厚度B=0.20m。

墻體主要技術(shù)指標(biāo)：容重：γ=2.00～2.50 t/m3；滲透系數(shù)：攪拌樁截滲墻K<1×10-6cm/s；抗壓強(qiáng)度：攪拌樁截滲墻K>0.30MPa。

1.1.3 復(fù)合土工膜主要技術(shù)指標(biāo)

原大堤堤坡經(jīng)鏟除草皮、伐除樹木、垂直清基0.15m后，其上鋪設(shè)兩布一膜的復(fù)合土工膜，土工膜伸入大堤1m?；靥钊劳磷畋√幋怪焙穸?m，外邊坡1:3，頂高程與現(xiàn)堤頂平。在距離截滲墻頂1.50m高程處設(shè)3.50m寬平臺(tái)，外邊坡為1:3。復(fù)合土工膜性能見表1。

表1 復(fù)合土工膜性能指標(biāo)表

1.1.4 復(fù)合土工膜與截滲墻的連接

攪拌樁墻施工結(jié)束后，在臨河堤腳挖槽，槽底高程距離截滲墻頂高程1m，槽底寬1m，邊坡1：1。將截滲墻墻頂鑿除0.50m達(dá)到設(shè)計(jì)墻頂高程。將在堤坡上鋪設(shè)的土工膜繞過墻頂向下垂直鋪0.90m，上部回填壤土保護(hù)層。土工膜與截滲墻之間采用膨脹螺栓和鋼板連接，連接處外側(cè)現(xiàn)澆素混凝土進(jìn)行保護(hù)。

1.1.5 水泥摻入比

水泥摻入比(重量比)一般可為7%～20%。不同地區(qū)由于不同的地質(zhì)條件，采用相同水泥摻入比而制成的水泥土的各項(xiàng)指標(biāo)是不同的。為保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本工程參照已建工程實(shí)測(cè)資料采用水泥摻入比為12%～15%。工程施工前，應(yīng)在工程范圍內(nèi)分別鉆取土樣進(jìn)行室內(nèi)水泥土配比試驗(yàn)，并應(yīng)充分考慮施工工藝等因素，合理確定水泥的摻入比，以滿足截滲墻的防滲要求。

1.1.6 截滲墻兩端的繞滲

擬建截滲墻堤頂兩端均有已建工程或計(jì)劃內(nèi)。本截滲墻工程的實(shí)施，應(yīng)確保截滲墻與相臨工程的銜接，以防止截滲墻兩端發(fā)生集中繞滲破壞。根據(jù)已建工程的計(jì)算分析，擬將截滲墻兩端向相臨工程延伸50m，可滿足滲流穩(wěn)定要求。

1.1.7 覆蓋土層穩(wěn)定分析

根據(jù)規(guī)范《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（SL/T225-98）附錄A土工膜防滲體的穩(wěn)定分析，計(jì)算在水位驟降時(shí)，覆蓋土層與土工膜之間的抗滑穩(wěn)定性。等厚度防護(hù)層，防護(hù)層透水性良好。安全系數(shù)：

式中：δ-上墊層土料與土工膜之間的摩擦角；α-土工膜鋪放坡角。

1.2 臨河堤肩截滲墻設(shè)計(jì)

一是截滲墻工程布置：堤頂攪拌樁墻頂技術(shù)特點(diǎn)、墻體厚度及主要技術(shù)指標(biāo)等技術(shù)指標(biāo)均與堤腳截滲墻相同；二是墻體厚度及主要技術(shù)指標(biāo)：同堤腳截滲墻；三是水泥摻入比：同堤腳截滲墻；四是截滲墻兩端的繞滲：為確保截滲墻與相臨工程的銜接，防止截滲墻兩端發(fā)生集中繞滲，引起大堤滲透變形。根據(jù)已建工程的計(jì)算分析，截滲墻堤段向上下游均延長(zhǎng)50m，以滿足繞滲穩(wěn)定要求。

1.3 滲流穩(wěn)定分析

1.3.1 計(jì)算方法及參數(shù)

采用平面有限單元分析方法。根據(jù)流體力學(xué)原理，對(duì)符合達(dá)西定律的二向滲流，且土體與液體壓縮性可以忽略的條件下，水頭函數(shù)滿足拉普拉斯方程：

式中：為水頭函數(shù)，、為坐標(biāo)，、為滲透系數(shù)。

壩基滲流場(chǎng)計(jì)算的基本假定：壩基滲流場(chǎng)計(jì)算按平面問題考慮；滲流場(chǎng)計(jì)算按穩(wěn)定場(chǎng)問題考慮。

1.3.2 滲流穩(wěn)定計(jì)算

鑒于滲流計(jì)算無法真實(shí)有效地模擬堤防滲透破壞，我們參考南京水科院、長(zhǎng)江科學(xué)院和黃河水科院等科研單位的研究成果和研究方法，對(duì)黃河下游堤防滲流計(jì)算進(jìn)行了補(bǔ)充論證，增加了歷史出險(xiǎn)滲透比降計(jì)算，力求計(jì)算成果盡可能接近堤防的實(shí)際表現(xiàn)。

黃河下游堤防歷史出險(xiǎn)資料較為齊全，尤其是近幾十年來出現(xiàn)的滲透險(xiǎn)情，資料更是翔實(shí)可靠。歷史出險(xiǎn)滲透比降的計(jì)算思路是，根據(jù)出險(xiǎn)時(shí)的洪水水位、堤防斷面，以及地質(zhì)勘探推薦的各土層滲透系數(shù)，用平面有限單元分析法求解拉普拉斯方程，推求出當(dāng)年出險(xiǎn)時(shí)的滲透破壞比降；再根據(jù)土層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和出險(xiǎn)資料對(duì)險(xiǎn)情的描述，分析出險(xiǎn)時(shí)的滲透破壞形式（流土或管涌），將出險(xiǎn)時(shí)的滲透破壞比降除以相應(yīng)的安全系數(shù)，并以此作為該段堤防的允許出逸比降來判斷堤防是否發(fā)生滲透破壞。

1.3.3 計(jì)算斷面的選取

根據(jù)堤段不同的地質(zhì)條件，按照地基地層結(jié)構(gòu)分段和分類，選取斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。本次計(jì)算選取濮陽95+150斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。典型斷面參數(shù)為：現(xiàn)狀堤頂寬12m，臨背河邊坡均為1:3。按2000年設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行滲流分析。截滲墻滲透系數(shù)，取k=1.0×10-6cm/s。土工膜滲透系數(shù)取1×10-8cm/s。典型斷面滲流參數(shù)取用地質(zhì)勘察報(bào)告中的建議值。

1.3.4 計(jì)算成果及分析

95+150斷面計(jì)算附圖見圖2和3，滲流穩(wěn)定分析結(jié)果見表2，現(xiàn)狀斷面出逸比降超過允許比降，經(jīng)截滲墻加固后滿足要求。

表2 滲流計(jì)算成果表

圖2 95+150現(xiàn)狀斷面滲流計(jì)算等勢(shì)線圖

圖3 95+150截滲墻斷面滲流計(jì)算等勢(shì)線圖

2 多頭深層攪拌樁截滲墻工程施工

2.1 水泥土的固化機(jī)理

經(jīng)研究土體中噴入水泥漿再攪拌拌和后,水泥和土的固化過程有以下物理反應(yīng)：一是水泥的水解和水化反應(yīng)。二是離子交換與團(tuán)?；磻?yīng)。三是硬凝反應(yīng)；四是碳酸化反應(yīng)：水化反應(yīng)減少了軟土中水的含量，增加顆粒之間粘結(jié)力，離子交換與團(tuán)?；磻?yīng)作用可以形成堅(jiān)固的聯(lián)合體；硬凝反應(yīng)又能增加水泥土的強(qiáng)度和足夠的水穩(wěn)定性；碳酸化反應(yīng)還能進(jìn)一步提高水泥的強(qiáng)度。

2.2 施工工藝

2.2.1 定位

根據(jù)施工圖截滲墻中心線位置確定截滲墻軸線，從起點(diǎn)每幅定位以鉆桿中心進(jìn)行控制，每64 cm測(cè)放一個(gè)控制點(diǎn)，且每50 cm作為一次定位誤差校核點(diǎn)。每個(gè)單元幅起始點(diǎn)用30 cm長(zhǎng)竹簽垂直插標(biāo)，并用紅漆標(biāo)識(shí)

插標(biāo)點(diǎn)高出地面5 cm左右。同時(shí)在截滲墻軸線外側(cè)按同樣的方法，測(cè)放一排樁位控制校核點(diǎn)，作為施工中對(duì)掘攪頭定位的復(fù)查。

2.2.2 樁機(jī)就位

由當(dāng)班班長(zhǎng)統(tǒng)一指揮樁機(jī)就位，移動(dòng)前看清上、下、左、右各方面的情況，發(fā)現(xiàn)有障礙物及時(shí)清除，移動(dòng)結(jié)束后檢查定位情況并及時(shí)糾正。樁機(jī)平穩(wěn)、平正，并用經(jīng)緯儀或路線錘進(jìn)行觀測(cè)以確保鉆機(jī)的垂直度。三軸水泥攪拌樁樁位定位偏差<3 cm。

2.2.3 攪拌下沉

啟動(dòng)電機(jī)，根據(jù)土質(zhì)情況按計(jì)算速率鉆頭噴漿，放松卷揚(yáng)機(jī)使攪拌頭自上而下切土拌和下沉，直到鉆頭下沉鉆進(jìn)至樁底標(biāo)高。

2.2.4 注漿、攪拌、鉆進(jìn)、提升

開動(dòng)灰漿泵，待純水泥漿到達(dá)出漿口后，噴漿攪拌30 s，在水泥漿與樁端土充分?jǐn)嚢韬?，再開始按試樁要求的速度鉆進(jìn)和提升攪拌頭，邊注漿、邊攪拌、邊鉆進(jìn)和提升使水泥漿和土充分拌和。待兩噴過程結(jié)束直至提升到預(yù)定停漿面后關(guān)閉灰漿泵，一幅截滲墻成型。

2.3 截滲墻成墻施工控制

2.3.1 定位控制

根據(jù)多軸掘削攪拌軸幅間中心距，在墻體中心線的一側(cè)劃定每幅間的套接位置，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定做好施工模具，定好樁位，控制平面偏差在±3 cm以內(nèi)。

2.3.2 垂直精度控制

采用經(jīng)緯儀作樁架垂直度的初始點(diǎn)校準(zhǔn)，并用兩側(cè)垂直角度儀或吊垂跟蹤調(diào)整導(dǎo)桿立柱的垂直度，用三支點(diǎn)導(dǎo)桿立柱的垂直度控制鉆具垂直度，使鉆機(jī)塔架垂直度偏差控制在±0.10%以內(nèi)。攪拌掘進(jìn)過程中，隨時(shí)檢測(cè)攪拌軸的垂直度，以保證攪拌樁的偏傾率≤0.30%。

2.3.3 鉆進(jìn)攪拌控制

采用一次鉆進(jìn)一次提升兩拌兩噴的方法完成單幅造墻。開動(dòng)攪拌主機(jī)，并徐徐下降鉆頭與基土接觸，按規(guī)定要求送漿、供氣；先開始慢速攪拌進(jìn)尺，當(dāng)鉆進(jìn)一定深度后改為快速鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)墻頂標(biāo)高，用樁架導(dǎo)柱標(biāo)尺和計(jì)時(shí)器聯(lián)合控制速度在0.50～1.00m/min；鉆進(jìn)攪拌時(shí)，通過在導(dǎo)桿立柱上的劃分標(biāo)尺來量測(cè)鉆具鉆進(jìn)速度。鉆進(jìn)攪拌至設(shè)計(jì)墻深后調(diào)整轉(zhuǎn)速，慢速回轉(zhuǎn)提升鉆桿，以減緩耗用功率的突變，避免形成真空負(fù)壓而導(dǎo)致孔壁塌陷，造成墻體空隙，提升速度控制在1.00～1.50m/min。

2.3.4 水泥檢測(cè)

水泥采用地產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥。按規(guī)范要求的批量進(jìn)行取樣送檢，合格后用于工程。

2.3.5 漿液配制

采用電子計(jì)數(shù)器控制水量，嚴(yán)格按預(yù)定配合比制作漿液，用比重計(jì)量測(cè)控制漿液的比重。在灰漿攪拌機(jī)與集料斗之間設(shè)置過濾網(wǎng)，將水泥漿液進(jìn)行過濾。放漿前先攪拌2min再倒入存漿桶，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢員對(duì)水泥漿液進(jìn)行檢測(cè)，并監(jiān)督漿液存放時(shí)間。水泥漿隨配隨用，攪拌機(jī)和料桶中的水泥漿須不斷攪動(dòng)。漿液存放的有效時(shí)間按以下規(guī)定控制：當(dāng)氣溫≤10℃時(shí)，不宜超過5 h；當(dāng)氣溫≥10℃時(shí)，不宜超過3 h；漿液溫度控制在5～40℃以內(nèi)，超出規(guī)定予以廢棄。

2.3.6 注漿控制

嚴(yán)格按預(yù)定配合比制作漿液，用比重計(jì)量測(cè)，控制水泥漿液的比重偏差在±0.05 g/cm3內(nèi)。為防止離析，水泥漿液隨配隨用，并不斷攪動(dòng)，放漿前須充分?jǐn)嚢璨⒔?jīng)過濾后再倒入存漿桶，存放的有效時(shí)間符合規(guī)定要求。挖掘攪拌時(shí)漿液由注漿泵經(jīng)管路送至挖掘頭，注漿量由無級(jí)電機(jī)調(diào)速器監(jiān)控。若中途出現(xiàn)堵管、斷漿等現(xiàn)象，查找原因進(jìn)行修理，待故障排除后在掘進(jìn)攪拌。因故停機(jī)超過半小時(shí)，應(yīng)對(duì)泵體和輸漿管路妥善清洗。注漿的同時(shí)全程不間斷供氣，氣體經(jīng)管路壓至鉆頭，供氣控制壓力為0.40MPa左右。

2.3.7 成墻質(zhì)量控制

為保證成墻厚度，根據(jù)挖掘頭齒片磨損情況定期測(cè)量齒片外徑。當(dāng)磨損達(dá)到2 cm時(shí)必須進(jìn)行修復(fù)，為確保墻體均勻度，嚴(yán)格控制掘進(jìn)過程中的注漿均勻性以及由氣體升揚(yáng)置換墻體混合物的沸騰狀態(tài)。幅間墻體的聯(lián)結(jié)是水泥土截滲墻施工最關(guān)鍵的一道工序，施工過程中嚴(yán)格控制樁位和垂直度，保證幅間套接質(zhì)量和墻體的整體連續(xù)性，按實(shí)驗(yàn)確定的水泥滲入比，提升、下降速度，水泥漿液等參數(shù)施工，確保施工質(zhì)量。

3 結(jié)論

利用多頭深層攪拌樁截滲墻技術(shù)應(yīng)用于黃河堤防加固工程中，是非常有益的嘗試，該技術(shù)具有施工工藝保證率高、防滲效果好、施工難度低、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，成功解決了黃河堤防加固防滲處理的關(guān)鍵問題，對(duì)于工程建設(shè)具有很強(qiáng)的實(shí)用性、效益顯著。目前，該成果已在河南黃河堤防加固工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。

[1]胡一三.黃河防洪[M],黃河水利出版社，2009，6.

[2]胡一三，宋玉杰，楊國(guó)順，張同德，王萬民.黃河堤防[M],黃河水利出版社，2012，12.