新疆葉爾羌河流域中游渠首水閘基礎(chǔ)處理試驗研究

祝峰軍，李連喜

1 概 述

葉爾羌河中游渠首位于新疆維吾爾自治區(qū)的西南部、塔里木盆地的西緣。中游渠首是葉爾羌河第四級引水樞紐，由泄洪沖砂閘、進水閘、溢流堰、上下游導(dǎo)流堤等建筑物組成?？傄?guī)模為175 m3／s，控制灌溉面積13．69萬 hm2，屬Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。

工程區(qū)內(nèi)25 km范圍內(nèi)無斷裂構(gòu)造通過，樞紐區(qū)處于地震活動相對穩(wěn)定的區(qū)域，建筑物主要受外圍強烈地震活動的影響。地震動峰值加速度0．10 g，地震動反應(yīng)譜特征周期0．45 s（對應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度）。

工程區(qū)勘探深度內(nèi)，地下水類型為第四系孔隙潛水，含水層為粉細砂層，埋藏深度1 m；水化學(xué)類型主要為HCO3－·SO42－－Ca2＋·Mg2＋型、SO42－·HCO3－－Ca2＋·Na＋型水，地下水礦化度在0．4～5．2 g／L之間，pH值在7．0～8．2之間，具弱堿性［2］。

針對新疆葉爾羌河流域中游渠首水閘基礎(chǔ)處理問題，設(shè)計采用鋼性 C20F150W6砼防滲墻、C20F150W6鋼筋砼灌注樁、振沖碎石樁、高壓旋噴等多種形式相結(jié)合的方式處理水閘地基［3］。為進一步論證設(shè)計的合理性及施工的可行性。本文針對粉細砂地層水閘地基基礎(chǔ)處理進行了試驗研究，進一步驗證及確定了各種基礎(chǔ)處理的技術(shù)指標(biāo)，選擇了合理的施工工藝及施工參數(shù)，從而為設(shè)計、施工提供了可靠依據(jù)，并起到了優(yōu)化設(shè)計的作用。

2 試驗研究的依據(jù)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2．1 試驗研究的依據(jù)

根據(jù)業(yè)主的委托要求及現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，本次試驗研究的主要依據(jù)有：①《新疆葉爾羌河流域中游渠首水閘基礎(chǔ)處理試驗研究任務(wù)書》及技術(shù)要求；②《水工混凝土施工規(guī)范》（DL／T 5144-2001）；③《水利水電工程砼防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》（SL174- 96）；④《水工建筑物防滲工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》；⑤《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）等。

2．2 鉆孔灌注樁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

鉆孔灌注樁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：①樁徑Φ800 mm、樁距900 mm，深度滿足設(shè)計要求；②鉆孔傾斜小于1%；③砼滿足C20、F150、W6的設(shè)計要求。

2．3 高壓旋噴樁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

高壓旋噴樁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：①樁徑≮600 mm，孔深滿足設(shè)計要求；②孔斜率小于1．5%；③水泥固結(jié)體設(shè)計指標(biāo)：a．水泥固結(jié)體28 d齡期無側(cè)限抗壓強度fcu≥8 000 kPa；b．水泥固結(jié)體28 d齡期抗拉強度ft≥1 600 kPa；c．水泥固結(jié)體抗?jié)B指標(biāo)需達到 W6（因水泥固結(jié)體強度較低，最終抗?jié)B指標(biāo)應(yīng)由試驗結(jié)果提供）；d．水泥固結(jié)體在達到上述3項指標(biāo)的同時，提出變形模量、壓縮系數(shù)、壓縮模量值。

2．4 鋼性砼防滲墻質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

鋼性砼防滲墻質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：①墻體厚度600 mm，深度滿足設(shè)計要求；②砼強度達到C20，F(xiàn)150，W6的設(shè)計要求；③墻體具有較好的均勻性和連續(xù)性（特別是一、二期槽段連接處）。

2．5 振沖碎石樁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

振沖碎石樁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：①振沖器功率采用75 kW大功率振沖器，樁徑1．0 m，深度滿足設(shè)計要求；②振沖擠密后樁間土相對密度≥0．75；③加密段長度為300～500 mm。

3 鉆孔灌注樁工藝試驗

3．1 需解決的問題

鉆孔灌注樁已經(jīng)是比較成熟的施工工藝，采用CZ－22或CZ－30型沖擊鉆成孔在同類地層中均有類似經(jīng)驗和數(shù)據(jù)供參考。本次試驗研究主要解決3個問題：一是研究在粉細砂地層中采用成孔新工藝的可能性；二是在高比重泥漿條件下如何保證鋼筋籠浮籠問題；三是采用合適的手段檢測灌注樁的質(zhì)量，重點檢測斷樁及夾泥等缺陷。

3．2 現(xiàn)場工藝試驗

根據(jù)任務(wù)要求及目的，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和室內(nèi)試驗成果，灌注樁試驗共布置4孔，孔徑Φ800 mm，孔深20 m。

3．2．1 護壁泥漿

根據(jù)室內(nèi)試驗成果，護壁泥漿推薦兩種，分別采用烏恰縣和巴楚縣黏土，因運距及黏土品質(zhì)的不同，采用烏恰縣黏土泥漿造價較高?？紤]到灌注樁對泥漿要求相對可以較低，故1孔采用烏恰縣黏土泥漿，3孔采用巴楚縣黏土泥漿進行對比試驗，以達到盡可能降低工程造價的目的。泥漿采用高速攪拌機（轉(zhuǎn)速不低于 2 000 r／min）拌制，BW250／50型泥漿泵入孔，人工挖坑沉淀回收。

3．2．2 成孔工藝

根據(jù)以往類似工程的經(jīng)驗及設(shè)備現(xiàn)狀，成孔工藝采用兩種：一種為傳統(tǒng)的沖擊鉆成孔工藝；另一種為旋挖鉆機成孔工藝。兩種成孔工藝分別實施2孔進行對比試驗。主要設(shè)備為 CZ－30型沖擊鉆、SM870液壓抓斗配R815旋挖鉆機。

3．2．3 鋼筋籠下設(shè)

鋼筋籠按設(shè)計要求在鋼筋加工廠統(tǒng)一制作，下設(shè)前嚴格檢查鋼筋品種規(guī)格、尺寸、焊接、綁扎等質(zhì)量指標(biāo)，確保符合設(shè)計要求。為保證鋼筋籠在孔內(nèi)的保護層符合設(shè)計要求，籠外每2 m焊接一環(huán)形鋼筋，確保鋼筋籠的砼保護層厚度及垂直度。鋼筋籠下設(shè)前清孔換漿必須符合設(shè)計及規(guī)范要求，下設(shè)時采用吊車整體吊裝，必須分段吊裝時，接口須采用焊接，焊接接頭錯開1 000 mm以上。下設(shè)過程中如發(fā)生浮籠現(xiàn)象，采用分段配重的形式施工。鋼筋籠下設(shè)完畢后，及時在孔口固定，防止浮籠，并盡快澆筑砼。

3．2．4 質(zhì)量檢測

除孔位偏差、孔底沉積、灌注樁尺寸、孔斜率、砼強度等常規(guī)質(zhì)量指標(biāo)外，影響灌注樁的主要質(zhì)量缺陷是夾泥及斷樁，因此進行質(zhì)量檢測是必不可少的。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，在下設(shè)鋼筋籠時，預(yù)埋3根鋼管，采用物探聲波方法（單孔及對穿）進行質(zhì)量檢測。

3．3 推薦工藝參數(shù)

3．3．1 護壁泥漿配合比

從試驗結(jié)果來看，采用烏恰縣黏土泥漿優(yōu)于巴楚縣黏土泥漿，但效果不是非常明顯，從經(jīng)濟的角度出發(fā)，優(yōu)先推薦巴楚縣黏土泥漿，具體配合比及指標(biāo)如下：黏土（巴楚縣）583．3 kg／m3、膨潤土（鹽湖膨潤土廠）50 kg／m3，泥漿比重1．3 g／cm3、泥漿黏度 29 s。

3．3．2 成孔工藝

從試驗結(jié)果來看，采用沖擊鉆成孔和旋挖鉆機成孔在技術(shù)角度上均可行，但工效差別較大，采用旋挖鉆機成孔的工效是沖擊鉆成孔工效的5～10倍。旋挖鉆機直接成本也明顯低于沖擊鉆成本，但因旋挖鉆機設(shè)備價值高（約1 000萬元）和進出場費用大（單趟約10萬元），分攤成本相對較高。鑒于以上情況，如灌注樁工程量較大（2 000 m以上）優(yōu)先采用旋挖鉆機成孔工藝，對保證工期非常有利，反之則可考慮沖擊鉆成孔工藝。

3．3．3 鋼筋籠下設(shè)

根據(jù)試驗結(jié)果，鋼筋籠下設(shè)宜采用全孔一次下設(shè)，注意采取控制保護層厚度的措施，并應(yīng)提前預(yù)備配重措施。

3．3．4 質(zhì)量檢測手段

從物探檢測數(shù)據(jù)來看，采用預(yù)埋3根鋼管進行單孔和對穿聲波測試的辦法可有效檢測灌注樁的質(zhì)量，尤其是對夾泥、斷樁等缺陷可進行明確判斷。在施工期可考慮增加至5根鋼管，可提高資料的可靠性。

4 高壓旋噴樁工藝試驗

4．1 需解決的問題

高壓旋噴樁已經(jīng)是比較成熟的施工工藝，在類似地層的水庫除險加固工程中已有較廣泛的應(yīng)用。本次試驗研究主要是合理確定施工工藝參數(shù)及檢驗設(shè)計的各項指標(biāo)。

4．2 現(xiàn)場工藝試驗

根據(jù)任務(wù)要求及目的，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和室內(nèi)試驗成果，高壓選噴樁試驗共布置3個方案，方案一布置3個Ⅰ序孔、2個Ⅱ序孔，Ⅰ序孔間距1．6 m、Ⅱ序孔在Ⅰ序孔中加密，孔深15 m。方案二、三相應(yīng)將Ⅰ序孔間距調(diào)整為1．4 m、1．2 m。

根據(jù)以往類似工程的經(jīng)驗和設(shè)計要求及設(shè)備現(xiàn)狀，采用雙重管噴射工藝，分兩序施工。施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→鉆機就位→跟管鉆進成孔→下入PVC管→起拔套管→下入噴射管→制漿→高壓噴射灌漿→沖洗器具→鉆機移位→回填注漿→轉(zhuǎn)入下一鉆孔。鉆孔采用風(fēng)動沖擊器跟管鉆進成孔，雙重管自下而上噴射作業(yè)，嚴格控制注漿流量、風(fēng)量、壓力、轉(zhuǎn)速、提升速度等施工參數(shù)。

4．3 質(zhì)量檢驗

根據(jù)工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場實際條件，質(zhì)量檢驗采用人工開挖、圍井注水、鉆孔取芯、注水試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、重力觸探等方法，檢驗結(jié)果是否達到設(shè)計要求。

4．4 推薦工藝參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場工藝試驗及質(zhì)量檢驗的結(jié)果，推薦工藝參數(shù)或成果如下：高壓旋噴樁宜采用雙重管工藝；施工參數(shù)為Ⅰ序孔間距1 200 mm。Ⅱ序孔居中加密、噴射管提升速度6 cm／min、高噴水壓25～35 MPa、流量 80 L／min、空氣壓力0．5～0．7 MPa、風(fēng)量1．1～2．0 m3／min、水泥漿壓力0．8～1．0 MPa、注漿比重1．6～1．7 g／cm3、回漿比重1．2 g／cm3。

5 振沖碎石樁工藝試驗

5．1 試驗的緣由

振沖碎石樁的原理是在振沖器的重復(fù)水平振動和側(cè)向擠壓作用下破壞土體結(jié)構(gòu)，使土體由松變密，提高地基的承載力，使土體的相對密度得到提高，達到土體由液化土轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰夯恋哪康?。同時碎石等屬于強透水體，具有排水功能，能有效地消散地震等震動引起的孔隙水壓力，從而使液化現(xiàn)象大為減輕［4］。振沖法處理設(shè)計目前還處在半理論半經(jīng)驗狀態(tài)，因此對大型、重要或場地復(fù)雜的工程，在正式施工前應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定其處理效果，驗證和改進設(shè)計，使設(shè)計和施工可靠合理。

5．2 現(xiàn)場工藝試驗

根據(jù)任務(wù)要求及目的，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和室內(nèi)試驗成果，振沖碎石樁試驗共布置18孔，樁徑為Φ1 000 mm、孔深 20 m。樁距分別采用2．0 m、2．5 m、3．0 m、3．5 m、4．0 m、4．5 m 6種。

振沖碎石樁施工一般包括造孔、清孔、填料、加密4個工序。造孔采用75 kW振沖器，造孔水壓控制在0．8 MPa左右，最大速度不超過2 m／min。造孔結(jié)束后按要求進行清孔，符合要求后開始填料，采用連續(xù)填料，嚴格控制填料數(shù)量和速度。加密是振沖法處理地基的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要控制指標(biāo)是填料量、加密電流、留振時間、加密段長度等。加密時從孔底開始，逐段向上，中間不得漏振。加密結(jié)束時先停止振沖器運行，后停止水沖［5］。

5．3 推薦工藝參數(shù)

5．3．1 樁距的確定

通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗檢驗樁間土體的各項力學(xué)指標(biāo)。從試驗結(jié)果來看，2．0～3．5 m樁距的各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求，4．0 m、4．5 m間距的局部地段出現(xiàn)檢測結(jié)果不符合設(shè)計要求的情況，故推薦樁距采用2．5～3．5 m，具體在實施過程中，結(jié)合生產(chǎn)性試驗進行合理調(diào)整。

5．3．2 施工參數(shù)

根據(jù)試驗結(jié)果，振沖碎石樁推薦施工參數(shù)為造孔水壓0．8 MPa、加密水壓0．4 MPa、加密電流 90～120 A、留振時間10～15 s、加密段長30～50 cm，在具體實施時應(yīng)進一步做好現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗。

6 鋼筋砼防滲墻工藝試驗

6．1 需解決的問題

砼防滲墻施工工藝比較成熟，但在新疆粉細砂地層中應(yīng)用尚屬首次，有必要經(jīng)過工藝試驗進行驗證，并取得可靠的技術(shù)參數(shù)用以指導(dǎo)施工。本次試驗研究主要解決3個關(guān)鍵技術(shù)問題：一是易坍塌粉細砂地層的護壁泥漿配合比；二是成槽工藝，應(yīng)進行

不同成槽工藝的對比試驗；三是接頭孔工藝，對不同工藝進行比較，選擇最優(yōu)的接頭處理方法。

6．2 現(xiàn)場工藝試驗

根據(jù)任務(wù)要求及目的，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和室內(nèi)試驗成果，鋼筋砼防滲墻試驗共布置4個“T”型槽段，其中2個槽段長度為6．0 m、2個為8．0 m，形成“Ⅱ”型圍井，墻厚600 mm、墻深12 m。

6．2．1 護壁泥漿

考慮到粉細砂地層對泥漿要求較高，故2個6．0 m的槽段采用巴楚縣黏土泥漿、2個8．0 m槽段采用烏恰縣黏土泥漿進行對比試驗。膨潤土選用鉆井液用膨潤土，漿液主要以比重和漏斗黏度進行控制，比重控制指標(biāo)1．15～1．3 g／cm3，黏度控制在 25～35 s。需增大比重時適量加入重晶石粉，為降低含沙量可適量加入純堿，為提高黏度和減少泥漿的失水量可適量添加改性淀粉。采用高速攪拌機（轉(zhuǎn)速不低于2 000 r／min）制漿，攪拌時間不少于10 min。

6．2．2 成槽工藝

目前防滲墻成槽工藝主要有：鉆劈法、“兩鉆一抓”法、純抓法等。本次成槽工藝分別采用：CZ－30型沖擊鉆鉆劈法（槽段長6．0 m）；BH60液壓抓斗純抓法（槽段長6．0 m）；CZ－30型沖擊鉆配合 BH60液壓抓斗“兩鉆一抓”法（槽段長8．0 m）；R815旋挖鉆機配合液壓抓斗“兩鉆一抓”法（槽段長8．0 m）。從技術(shù)、工效、成本、質(zhì)量等各方面綜合評價，推薦最優(yōu)成槽工藝。

6．2．3 接頭孔工藝

防滲墻施工工藝一般采用兩序槽段施工，Ⅰ，Ⅱ期槽段接頭的處理至關(guān)重要，直接影響防滲墻的整體性。目前常用的接頭孔工藝有：套打一鉆、預(yù)埋接頭管、抓鑿處理等。根據(jù)本項目的實際情況，接頭孔工藝試驗采用套打一鉆及預(yù)埋接頭管2種，擇優(yōu)推薦接頭孔工藝。

6．3 推薦工藝參數(shù)

6．3．1 護壁泥漿配合比

從試驗結(jié)果來看，采用烏恰縣黏土泥漿明顯優(yōu)于巴楚縣黏土泥漿，優(yōu)先推薦烏恰縣黏土泥漿，具體配合比及指標(biāo)如下：黏土（烏恰縣）666．7 kg／m3、膨潤土 60 kg／m3、純堿摻量0．3% ～0．4%（黏土重量）、改性淀粉摻量0．1% ～0．2%（黏土重量）、根據(jù)泥漿比重情況酌量摻加重晶石，泥漿比重1．32 g／cm3、泥漿黏度32 s、含沙量≯3%。

6．3．2 成槽工藝

從試驗結(jié)果來看，4種成槽工法在技術(shù)上均可行。結(jié)合本項目的實際情況，綜合考慮質(zhì)量、工期、成本、施工條件等各方面因素，“兩鉆一抓”工法最優(yōu)，作為首選推薦工藝。考慮到本項目防滲墻工作量大，施工期只有一個枯水期，施工場地相對狹窄，應(yīng)優(yōu)先考慮R815旋挖鉆機成主孔；純抓法成槽工藝可作為備選工法，該工法的優(yōu)點是工效高于＂兩鉆一抓＂，不足之處是泥漿耗量較大，局部地段存在坍塌現(xiàn)象；鉆劈工法建議不予采用，其原因是工效低，本項目施工強度大、場地狹窄，根本不具備大數(shù)量沖擊鉆同時施工的條件。槽段長度6．0～8．0 m是合適的，在具體的施工中，可根據(jù)實際情況進行適當(dāng)調(diào)整，但最大槽段長不宜超過10．0 m［6］。

6．3．3 接頭孔工藝

根據(jù)試驗結(jié)果，2種接頭孔工藝技術(shù)上均可行，從經(jīng)濟、工效等角度考慮優(yōu)先推薦接頭管工藝，套打一鉆工藝可作為備選方案，在實際施工中也可采用其他可行工法，但應(yīng)進行生產(chǎn)性試驗。

7 結(jié) 語

本文針對葉爾羌河流域中游渠首水閘粉細砂地層基礎(chǔ)綜合處理問題，通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，對鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、振沖碎石樁及鋼筋混凝土防滲等工程措施施工技術(shù)問題、施工工藝進行了試驗，并推薦了相應(yīng)的施工工藝及技術(shù)參數(shù)。試驗成果達到了預(yù)期的目的，為設(shè)計優(yōu)化和施工提供了可靠的參考數(shù)據(jù)。目前該項目一期圍堰范圍內(nèi)的基礎(chǔ)處理項目已全部完成，施工參數(shù)經(jīng)實踐檢驗是合適的。通過該項目的順利實施，為粉細砂地層中與地震液化、地基承載力較低、滲透穩(wěn)定等相關(guān)問題的基礎(chǔ)處理積累了經(jīng)驗，為以后開發(fā)利用葉爾羌河流奠定了基礎(chǔ)。

［1］ JGJ79—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］．

［2］ GB50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］．

［3］ 任江龍．新疆葉爾羌河流域中游渠首水閘基礎(chǔ)處理試驗研究任務(wù)書［R］．烏魯木齊：水利水電勘測設(shè)計研究院，2007．

［4］ 趙明華．土力學(xué)與基礎(chǔ)工程［M］．湖北：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2003．

［5］ 《基礎(chǔ)工程施工》編寫組．基礎(chǔ)工程施工手冊［M］．北京：中國計劃出版社，2002．

［6］ SL174—96，水利水電工程砼防滲墻施工技術(shù)規(guī)范［S］．