嵩湖堤除險加固工程射水造墻孔壁穩定問題探討

黃鑫

（江西省水利水電開發有限公司，江西 南昌 330029）

1 工程概況

嵩湖堤除險加固工程坐落于撫州市臨川區嵩湖鄉轄區，位于撫河中游左岸及夢港河下游右岸，整個防護圈長度13.53 km，圩堤總長12.23 km。其中0+000～5+800堤段位于撫河中游左岸，7+100～13+530堤段位于夢港河下游右岸，兩段堤中間5+800～7+100為大仙嶺山，整個圩堤呈“∩”布置。圩堤（樁號0+000～5+780）位于沖積階地上堤區地勢較為平坦，巖性主要為第四系全新統沖積層。堤身填筑土主要取自堤內、外兩側地表，成分以壤土、粘土、粉質粘土、砂質粘土、細中粗砂為主。其中樁號3+400～4+490段通過射水造墻進行堤身堤基防滲，墻厚度均值22 cm，射水造墻施工全段堤頂現狀混凝土路面寬4.50 m，路基寬度6 m。

2 射水造墻施工重難點

水利工程中常用的射水造墻施工技術主要通過pH灰渣泵等輸漿設備輸送泥漿，泥漿到達成槽器底部的噴嘴后在高壓作用下形成高速流動的正循環泥漿流，切割破碎地層砂土卵石結構的同時，施工設備中的成槽器、鉆桿、管道系統等均會在高速卷揚機的帶動下沿上下向循環往復運動，對高速泥漿流切割鑿碎地層土體起到輔助性加速作用。這一過程保證槽孔尺寸符合設計要求。成槽后，通過混凝土澆筑架上所設置的電動葫蘆將料斗吊運至導管口，通過導管法澆筑水下混凝土平板槽，并借助平接技術建造地下混凝土連續墻結構。射水造墻技術對于粘性土、砂類土、人工填土以及粒徑不超過100 mm的砂卵石地層均較為適用，當前市場上普遍使用的BF-30型、CFS-30型、SQ-30型射水造墻機結構中的開槽系統與混凝土澆筑系統大多按照一體化思路設計，與沖擊鉆、薄壁抓斗等同類型施工機械相比，具有更加穩定的工程性能，質量相對較輕，對承重要求及路面寬度要求相對不高，施工安全性好，且無需配備專門的混凝土拌和系統，施工成本節省。射水造墻施工過程中墻體規整且連續均勻，抗滲系數普遍在10-7cm/s以下，如果摻加加氣劑，抗滲系數還能提升2個數量級；抗壓強度基本能夠達到10～30 MPa。

嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 段堤身堤基射水造墻流水作業的過程中，先澆筑成單塊混凝土槽板，再連接成連續的防滲墻體，這種雙序法施工方式下，雙序號混凝土槽板澆筑的同時必須和單序號槽板緊密銜接，所以成孔是前提，孔壁穩定是成孔的關鍵。

3 孔壁穩定控制措施

3.1 造孔過程控制

造孔是射水造墻施工過程的關鍵，造孔質量直接關系到成墻及除險加固工程施工質量，施工期間必須結合地質條件、地下水埋深，控制噴嘴射流壓力及泥漿水流速、流量及成型器進尺速度，保證造孔施工質量。如果噴嘴射流壓力過小、泥漿濃度不夠，將影響造孔進尺和泥漿挾沙能力，增加孔內水滲漏，甚至造成砂土大量回淤及孔壁塌方、埋鉆。如遇孔內嚴重滲漏水，必須通過補水方式保持孔內水位穩定，并在補水過程中適當摻加水泥，借助水泥漿固壁效果控制滲漏。終孔及洗孔時間主要影響回淤量，必須根據土質條件決定。嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 段堤基射水造孔施工參數控制要求經驗數據見表1。

表1 射水造孔施工參數控制要求表

3.2 射流口紊流控制

射水造墻施工主要通過射流口噴出的高速水流破壞地層，工程所采用的SQ-30 型射水造墻機有8 個噴嘴，在長2 m、寬0.22 m 的斷面內切割地層，期間，噴嘴口紊流必將對切割地層周圍孔壁造成破壞。為此，在成型器設計時可將噴嘴設置在成型器箱體結構中，借助箱體結構限制紊流破壞范圍。

3.3 泥漿固壁

泥漿固壁是地基加固處理過程中普遍面臨的施工環節，固壁泥漿靜壓力的大小主要取決于泥漿密度以及泥漿水頭等參數。在射水造孔的過程中一旦孔壁失穩，泥漿便會承受因擠壓而產生的壓力，此時，泥漿強度和泥皮粘結強度便能及時發揮阻止孔壁滑塌的作用；與此同時，泥漿在流動過程中所產生的向上拖曳力也會為孔壁穩定提供幫助。根據《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》，孔內泥漿液面應控制在導墻頂面以下30～50 cm 的位置?？紤]到射水造孔水流就是泥漿水，將高速流動的泥漿水不斷射入孔內破壞地層，孔內漿液面較高，故射水造孔施工工藝下固壁泥漿靜壓力明顯提高，并能充分利用泥漿向上流動的拖曳力，孔壁穩定更有保證。

固壁泥漿的供應必須及時，并保證槽內泥漿與槽口齊平。泥漿制備材料優先選擇膨潤土粉，根據施工現場試驗，膨潤土泥漿質量比具體見表2。不同施工階段泥漿性能控制指標詳見表3。

表2 膨潤土泥漿配合比表

表3 泥漿性能控制指標表

3.4 地下水位的影響

嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 堤段地面以下0.50～17.50 m 處為細砂卵石地層，首次造孔在高出地下水位0.35 m的孔口處進行，待造孔至地面以下4 m后反循環出渣管口出砂量突然增大，但造孔進尺卻呈減緩趨勢；5-10 min 后孔口四周約1.50 m范圍內便出現一定程度的塌方。翌日地下水位略有下降，孔口高出地下水位0.54 m，在原孔位處重新按照施工方案造孔，所檢測到的孔內泥漿密度達到1.40 t/m3；但是當造孔施工進行至地下5 m時孔口四周又發生二次塌方，塌方范圍更大，施工技術人員通過低標號水泥漿將塌方處填筑處理后跳過兩個孔位繼續造孔，仍存在塌孔問題。10 d后該孔口地下水位降至0.80 m，再次造孔并將孔內泥漿密度控制在1.30 t/m3以上，造孔至地面以下7 m時原水泥砂漿填筑地層再次塌陷。技術人員通過分析認為，孔口以下5 m處的水泥砂漿層孔壁較為穩定，而造孔深度超出5 m 后便進入砂卵石地層，造孔時將孔位內砂卵石抽出后四周的砂卵石隨即發生流動，填補孔位，同時架空水泥砂漿層，引發斷裂塌陷。3 d后地下水位仍在下降，在孔口比地下水位高出1 m時造孔，泥漿密度至少1.30 t/m3，這次造孔較為成功，此后混凝土澆筑過程中也并未出現意外，單塊混凝土槽板成型良好，且隨著水位的持續下降，造孔時孔壁穩定性也越好。對于孔口比地下水位高出1.50 m及以上的情況，泥漿密度即使為1.20 t/m3，也能成功造孔。

為保持孔壁穩定，固壁泥漿密度理論值應采用以下公式計算：

式中：ρ—固壁泥漿密度理論值（t/m3）；r0—地基土干容重（kN/m3）；h—造孔點位地下水位（m）；α—造孔孔口高出地下水位的值（m）；rw—地基土飽和容重（kN/m3）；K—地基側壓力系數；H—造孔點位泥漿水深度（m），且H=α+h。

式（1）基于孔壁穩定的假設進行造孔過程中某一具體點位固壁泥漿密度計算，不考慮其他影響因素的情況下，該點位固壁泥漿側壓力與地下水靜壓力和孔壁側壓力之和相等。對于嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490堤段，應用簡易方式所測得的砂卵石層土體干容重和飽和容重分別為20.41 kN/m3和21.98 kN/m3，內摩擦角42°?？紤]到該工程造孔過程中踏空主要發生在地面以下5 m處，故選擇地面以下5 m為計算點，根據《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范》的要求，孔口高程應比地下水位高2 m，根據式（1）所得到的射水造孔孔壁穩定時固壁泥漿理論密度值為0.77 t/m3。

嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 堤段具體施工過程中影響射水造墻孔壁穩定的因素很多，且泥漿密度一般在1.10～1.20 t/m3之間，如果按照1.10 t/m3的最低值以及現行施工技術規范計算，固壁側壓力必須大于0.154 MPa的倒壁側壓力，才能保證孔壁穩定。以此為標準繪制不同地下水位條件下固壁側壓力超出倒壁側壓力的壓力差和固壁泥漿密度關系曲線，具體見圖1。

由圖1可知，當造孔孔口高出地下水位1 m時［圖1（a）］，固壁泥漿密度應至少在1.20 t/m3以上，固壁側壓力超倒壁側壓力差才能升高至0.15 MPa 以上。當造孔孔口高出地下水位2 m時［圖1（b）］，固壁泥漿密度應至少在1.10 t/m3以上，固壁側壓力超倒壁側壓力差才能升高至0.15 MPa以上。當造孔孔口高出地下水位3 m時［圖1（c）］，固壁泥漿密度即使為1 t/m3（即使用清水），固壁側壓力超倒壁側壓力差也能升至0.15 MPa 以上。故實際施工過程中，必須將安全點設置在固壁側壓力超倒壁側壓力差0.15 MPa以上，才能避免塌孔，保持孔壁穩定。

圖1 固壁側壓力超倒壁側壓力差和固壁泥漿密度關系曲線圖

根據以上分析，射水造孔施工過程中孔壁穩定受地下水位的影響非常大，規范中有關造孔孔口應比地下水位高出2 m的規定是可靠的，但是在射水造墻工程實踐方面，因設計及施工技術等方面的差異，在造孔孔口比地下水位高1 m、固壁泥漿密度1.30 t/m3以上時造孔施工也能取得孔壁穩定的效果。

4 結論

綜上所述，射水造墻施工技術之所以工效高、質量事故少，很大原因在于成孔可靠、速度快。通過造孔過程控制、射流口紊流控制、泥漿固壁及地下水位控制等射水造孔護壁措施的實施，為嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 堤段射水造墻施工過程的安全性及施工質量提供了可靠保證。文中的分析也為水利工程防滲墻滲漏加固施工提供了成功經驗，射水造墻加固技術在江河堤防防滲、工民建深基坑開挖地下截水墻、圍堰及水庫除險加固等工程領域具有廣闊的應用前景。