超深砂性基礎(chǔ)攔河圍堰防滲技術(shù)*

李 瑩，張 倩，徐 娟，薛虹宇

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引言

圍堰是水利工程建設(shè)中重要的臨時(shí)擋水結(jié)構(gòu)物，其安全性與穩(wěn)定性直接關(guān)系到主體工程能否順利進(jìn)行[1]。滲透破壞是導(dǎo)致圍堰失事的主要原因，因此，在水利工程建設(shè)中做好圍堰防滲至關(guān)重要。防滲墻作為一種重要的防滲結(jié)構(gòu)形式，其防滲效果明顯，施工方法成熟，已被廣泛應(yīng)用于各類圍堰防滲工程中[2]。例如，三峽二期下游圍堰混凝土防滲墻[3-4]、沙灣水電站一期圍堰塑性混凝土防滲墻[5]、前坪水庫高噴防滲墻[6]、阿海水電站圍堰防滲墻[7]等。

高壓噴射灌漿是用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流束來沖擊、切割、破碎底層土體，并以水泥基質(zhì)漿液填充、摻混其中，形成滲透系數(shù)小又有一定強(qiáng)度的樁柱或板墻狀的凝結(jié)體，用以提高地基防滲的施工技術(shù)[8]。高壓旋噴樁防滲墻結(jié)構(gòu)是較常用且技術(shù)成熟的一種防滲墻形式。

1 工程概況

1.1 水閘、船閘工程概況

北支江上游水閘、船閘工程包括：上游水閘、上游船閘、工程范圍內(nèi)的堤防工程及上下游圍堰等臨時(shí)工程。

上游水閘上下游方向總長約90m，依次由10m長1m厚合金鋼鋼網(wǎng)兜防沖槽、20m長0.6m厚C20鋼筋混凝土鋪蓋、30m長6～3m厚C30水閘底板、20m長0.6m厚C20下游鋼筋混凝土護(hù)坦、10m長1m厚合金網(wǎng)兜防沖槽等組成。水閘左右總長225m，左岸與防護(hù)堤相接，右岸與船閘上閘首相鄰。閘室段為水閘工程的主體，閘室為平底開敞式結(jié)構(gòu)，由閘底板、閘墩、工作閘門等組成。水閘分3孔，每孔凈寬60.0m，閘底板順?biāo)鞣较蜷L30.0m，閘底板頂面高程1.100～-2.400m，閘底板高程-4.900～-5.400m，閘墩頂高程為6.700m。采用底軸驅(qū)動式翻板閘門，尺寸為60.0m×4.9m(寬×高)，最大擋水高程6.000m。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)選定閘址的樞紐總體布置，通航建筑物為一線單級船閘，布置在樞紐右岸，左鄰泄洪建筑物，右鄰岸側(cè)堤防的親水平臺。船閘主要建筑物包括上下閘首、閘室和上下游引航道5部分，根據(jù)船閘規(guī)模、等級和過閘方式等要求，船閘主體建筑物及上下游引航道總長342.0m，閘室凈跨16m，閘室底板頂面高程0.900m。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，富陽區(qū)Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅵ度，抗震設(shè)計(jì)分組為第1組。場地土類型為中軟土，覆蓋層厚度<50m，綜合判定該場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)特征周期為0.35s。水閘、船閘位置場地上部土層以稍密的粉砂、淤泥質(zhì)土、軟弱黏性土組成，上部荷載相對較大，下部地基土不具備天然地基條件，為此采用灌注樁基礎(chǔ)。

2 圍堰結(jié)構(gòu)方案

本工程導(dǎo)流建筑物級別為4級，上游圍堰按上堵壩上游斷面5年一遇洪水位8.900m設(shè)計(jì)，頂高程取10.000m；下游圍堰按5年一遇洪水位8.630m設(shè)計(jì)，圍堰頂高程取9.200m。上游圍堰采用上堵壩作為圍堰擋水，同時(shí)上堵壩上游側(cè)及改線道路布置高壓旋噴防滲墻以增強(qiáng)防滲性；上游圍堰全長402m，頂高程10.000m，改線道路頂寬8m，上下游坡比1∶1.8～1∶2.0。下游圍堰采用充砂管袋圍堰擋水，同時(shí)布置高壓旋噴防滲墻，左岸與已建的補(bǔ)水泵站出口擋墻銜接，右岸與東洲島岸坡相連；下游圍堰全長437m，頂高程9.200m，頂寬6m，上下游坡比1∶1.8～1∶2.0，河道中間區(qū)域塘泥達(dá)2.9m，考慮圍堰穩(wěn)定，圍堰中心100m底寬適當(dāng)加寬3m；圍堰合計(jì)約13.16萬m3，其中充砂管袋約10.70萬m3，填芯砂1.79萬m3，黏土0.67萬m3。

3 圍堰斷面設(shè)計(jì)

3.1 上游圍堰

現(xiàn)狀上堵壩段圍堰分為一期充砂管袋和二期單棱體充砂管袋圍堰，一期管袋圍堰主要為防滲處理提供施工平臺，平臺高程為8.000m，待防滲處理完成后進(jìn)行二期管袋圍堰施工。地方交通改道圍堰采用雙棱體圍堰，上、下側(cè)管袋棱體中心采用吹填砂進(jìn)行回填，內(nèi)、外兩側(cè)設(shè)置坡比1∶0.5，1∶1.8～1∶2.0 充砂管袋，圍堰底面增設(shè)120kN/m土工格柵1道；圍堰底層設(shè)2層通袋。此段圍堰兼地方交通改道，需考慮安全防護(hù)欄，圍堰頂寬為8m，管袋頂先鋪無紡?fù)凉げ肌?0cm塘渣，再鋪設(shè)20cm厚5%水泥穩(wěn)定碎石基層、6cm AC-16瀝青混凝土和4cm AC-10瀝青混凝土面層。

3.2 下游圍堰

采用雙棱體充砂管袋圍堰，考慮下游圍堰穩(wěn)定性，底層采用通袋, 通袋底面設(shè)置1層120kN/m土工格柵，內(nèi)、外兩側(cè)設(shè)置坡比1∶0.5，1∶1.8～1∶2.0充砂管袋，管袋之間采用吹填砂進(jìn)行充填，圍堰頂面考慮通車，堰頂寬6m，下游圍堰左岸延伸至場外道路；兩側(cè)設(shè)欄桿，管袋頂面鋪無紡?fù)凉げ肌?0cm厚5%水泥穩(wěn)定碎石基層和20cm厚C20混凝土。根據(jù)地質(zhì)資料，塘泥厚度0.5～2.9m，較厚塘泥主要分布在河床中間區(qū)域；圍堰底面增設(shè)120kN/m土工格柵1道；圍堰底層設(shè)2層通袋，如圖1所示。

圖1 下游圍堰典型斷面

4 圍堰穩(wěn)定性分析

圍堰穩(wěn)定性分析采取極限平衡法中的簡化畢肖普法，分別對上游圍堰上堵壩段、上游圍堰改線道路段、下游圍堰進(jìn)行局部穩(wěn)定性計(jì)算、整體穩(wěn)定性計(jì)算、基坑降水期穩(wěn)定性計(jì)算及擋水側(cè)水位驟降期穩(wěn)定性計(jì)算。

4.1 局部穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)擬定的計(jì)算參數(shù)、計(jì)算工況等條件，分析計(jì)算上游圍堰上堵壩段、上游圍堰改線道路段及下游圍堰邊坡最小安全系數(shù)，如表1所示。安全系數(shù)滿足施工期≥1.15、穩(wěn)定滲流期≥1.25的要求。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(局部滑動)

4.2 整體穩(wěn)定性計(jì)算

當(dāng)考慮堰體整體穩(wěn)定性時(shí)，對滑弧的入口進(jìn)行控制，使其出現(xiàn)在堰體的頂部附近或堰體另一側(cè)，再對滑弧出入點(diǎn)進(jìn)行搜索后，得到堰坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，如表2所示。安全系數(shù)滿足施工期≥1.15、穩(wěn)定滲流期≥1.25的要求。

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(整體滑動)

4.3 基坑降水期穩(wěn)定性計(jì)算

水位驟降為穩(wěn)定性計(jì)算中的危險(xiǎn)工況，主要是殘存的孔隙水壓力形成較高的浸潤線向邊坡滲流所致，本次對圍堰基坑降水平均按1.0m/d的速率從設(shè)計(jì)水位降至基坑底高程的極端狀況進(jìn)行了驗(yàn)算。最小安全系數(shù)出現(xiàn)在水位最低時(shí)，對于上游圍堰上堵壩段，主要對邊坡的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，最小安全系數(shù)為1.391；對于上游圍堰改線道路段，主要對邊坡的局部穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，最小安全系數(shù)為1.325；對于下游圍堰，主要對邊坡的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，最小安全系數(shù)為1.196。三者均大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)1.15。

4.4 擋水側(cè)水位驟降期穩(wěn)定性計(jì)算

對圍堰擋水側(cè)水位驟降平均按1.0m/d的速率從設(shè)計(jì)水位8.900m降至4.000m的極端狀況進(jìn)行驗(yàn)算。最小安全系數(shù)出現(xiàn)在水位最低時(shí)，上游圍堰上堵壩段邊坡的最小安全系數(shù)為2.103，上游圍堰改線道路段邊坡的最小安全系數(shù)為1.638，下游圍堰邊坡的最小安全系數(shù)為2.241。因此，上、下游圍堰的最小安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)1.15。

5 圍堰防滲技術(shù)

圍堰堤身形成后即開始高壓旋噴防滲墻施工。高壓旋噴防滲墻采用旋噴套接，確保防滲效果。高壓旋噴孔距為0.7m，采用雙重管法施工，高壓旋噴施工工藝流程如圖2所示。

圖2 高壓旋噴施工工藝流程

5.1 主要施工技術(shù)

防滲墻圍堰采取高壓旋噴施工，具體根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況與試驗(yàn)確定，高壓旋噴灌漿鉆噴施工分兩序進(jìn)行，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，相鄰孔施工間隔時(shí)間≥24h。

為確保高壓旋噴質(zhì)量，正式施工前選擇地質(zhì)條件相似的試驗(yàn)段或先導(dǎo)孔按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行高壓旋噴試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對地質(zhì)地層信息進(jìn)行確認(rèn)，調(diào)整確定施工參數(shù)。

1)鉆孔 由于圍堰為充砂管袋結(jié)構(gòu)，造孔時(shí)易出現(xiàn)塌孔、埋鉆等事故，噴漿時(shí)易發(fā)生埋管、堵孔，在鉆孔時(shí)采用SJW-60型全液壓工程鉆機(jī)，沖擊回轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)施工。

2)下噴管 鉆孔到設(shè)計(jì)深度后，拔出鉆桿，放入噴射管至設(shè)計(jì)深度。下噴管前要在地面進(jìn)行低壓射水試驗(yàn)，檢查噴嘴是否暢通。

3)高壓旋噴作業(yè) 下噴管結(jié)束后，立即開動攪拌機(jī)，拌制漿液，通過管道送入孔內(nèi)開始高壓旋噴灌漿，待回漿呈水泥色時(shí)開始提升。在提升噴射過程中，現(xiàn)場技術(shù)人員按設(shè)計(jì)要求隨時(shí)掌握并記錄好噴射全過程，直到高壓旋噴結(jié)束，中間如出現(xiàn)故障停噴，要及時(shí)進(jìn)行處理，并在記錄表上記下故障原因，處理時(shí)間>20min時(shí)，要將噴管下伸0.5m，若故障時(shí)間過長，處理時(shí)無法下伸則需在周邊補(bǔ)設(shè)高壓旋噴孔進(jìn)行補(bǔ)噴，以保證墻體質(zhì)量。

4)沖洗 高壓旋噴結(jié)束后，對水泥攪拌機(jī)、送漿管路及噴管及時(shí)進(jìn)行清洗，防止水泥凝固。

5)靜壓灌漿 噴射結(jié)束后，注入部分純水泥漿，再利用下一個(gè)孔的回漿及時(shí)向孔內(nèi)注入漿液，直至不再下沉為止。

5.2 高壓旋噴主要技術(shù)參數(shù)

雙重管法高壓旋噴灌漿，全孔一次性由下至上連續(xù)施工，搭接成連續(xù)墻的防滲形式，選用的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 施工技術(shù)參數(shù)

5.3 高壓旋噴施工質(zhì)量保證措施

高壓旋噴臺車就位并對準(zhǔn)孔口后，為直觀檢查高壓系統(tǒng)的完好性及是否能滿足使用要求，首先應(yīng)進(jìn)行地面試噴。同時(shí)，通過調(diào)整液壓轉(zhuǎn)盤的角度，使高壓噴射流對準(zhǔn)設(shè)計(jì)軸線方向。噴射方向和角度應(yīng)經(jīng)過質(zhì)檢員校核。噴管鉆下至指定深度后，拌制水泥漿液，即可供漿、供風(fēng)、供水開噴。待各壓力參數(shù)和流量參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且孔口已返出漿液時(shí)，即可按既定提升速度進(jìn)行噴射灌漿。

高壓旋噴整孔一次性成型，不允許無故中途停噴，如遇故障停噴時(shí)，應(yīng)立即處理，在排除故障恢復(fù)噴射時(shí)，如排除故障時(shí)間>20min，必須將噴管插入漿液≥0.5m深度方可重新噴射。在高壓旋噴灌漿過程中，出現(xiàn)壓力驟降或驟增、孔口回漿密度和回漿量異常，甚至不返漿等情況時(shí)，應(yīng)查明原因后及時(shí)處理。高壓旋噴灌漿結(jié)束后，充分利用孔口回漿或水泥漿液對已完成孔進(jìn)行及時(shí)回灌，直至漿液面不下降為止。施工中監(jiān)控漿液流量、灌漿壓力等各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)對漿液材料用量、異常情況及處理等做好記錄。噴射過程中要嚴(yán)格按下列要求控制施工質(zhì)量：①提升速度誤差≤5mm/min；②轉(zhuǎn)速誤差≤0.5r/min。

6 結(jié)語

在北支江上游水閘、船閘工程中，根據(jù)工程地質(zhì)條件確定采用砂性基礎(chǔ)圍堰。該工程具有設(shè)計(jì)洪水位高，地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，圍堰結(jié)構(gòu)采用充砂管袋護(hù)面填芯砂結(jié)構(gòu)，圍堰防滲采用雙重管高壓旋噴樁防滲墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)工程特點(diǎn)，確定了圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對上、下游圍堰斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對圍堰穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。該砂性基礎(chǔ)攔河圍堰工程中高壓旋噴防滲墻的主要施工方法及技術(shù)參數(shù)，對類似工程有一定參考價(jià)值。