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河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司；3河南黃河勘測設(shè)計研究院）

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。對于砂壤土、粉細砂、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不透水層，防滲效果不明顯。對于上砂下粘的地層，截滲效果較為明顯。

1 截滲墻加固工程設(shè)計

1.1 堤腳截滲墻結(jié)合臨河堤坡鋪土工膜方案設(shè)計

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達設(shè)計高程并整平，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。截滲墻標準斷面如圖1所示。

圖1 堤腳截滲墻標準斷面圖

1.1.2 墻體厚度及主要技術(shù)指標

墻體厚度主要受允許水力坡降控制。根據(jù)已建工程實例，取截滲墻允許水力坡降J=100；該堤段2000年標準設(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：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

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。回填壤土最薄處垂直厚度1m，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，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達到設(shè)計墻頂高程。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)澆素混凝土進行保護。

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指標是不同的。為保證達到設(shè)計要求，本工程參照已建工程實測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)分別鉆取土樣進行室內(nèi)水泥土配比試驗，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劃內(nèi)。本截滲墻工程的實施，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，計算在水位驟降時，覆蓋土層與土工膜之間的抗滑穩(wěn)定性。等厚度防護層，防護層透水性良好。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

一是截滲墻工程布置：堤頂攪拌樁墻頂技術(shù)特點、墻體厚度及主要技術(shù)指標等技術(shù)指標均與堤腳截滲墻相同；二是墻體厚度及主要技術(shù)指標：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)已建工程的計算分析，截滲墻堤段向上下游均延長50m，以滿足繞滲穩(wěn)定要求。

1.3 滲流穩(wěn)定分析

1.3.1 計算方法及參數(shù)

采用平面有限單元分析方法。根據(jù)流體力學原理，對符合達西定律的二向滲流，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，、為滲透系數(shù)。

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

1.3.2 滲流穩(wěn)定計算

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

黃河下游堤防歷史出險資料較為齊全，尤其是近幾十年來出現(xiàn)的滲透險情，資料更是翔實可靠。歷史出險滲透比降的計算思路是，根據(jù)出險時的洪水水位、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，推求出當年出險時的滲透破壞比降；再根據(jù)土層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和出險資料對險情的描述，分析出險時的滲透破壞形式（流土或管涌），將出險時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，選取斷面進行滲流穩(wěn)定計算。本次計算選取濮陽95+150斷面進行滲流穩(wěn)定計算。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)防標準進行滲流分析。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)勘察報告中的建議值。

1.3.4 計算成果及分析

95+150斷面計算附圖見圖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 滲流計算成果表

圖2 95+150現(xiàn)狀斷面滲流計算等勢線圖

圖3 95+150截滲墻斷面滲流計算等勢線圖

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?；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?；磻?yīng)作用可以形成堅固的聯(lián)合體；硬凝反應(yīng)又能增加水泥土的強度和足夠的水穩(wěn)定性；碳酸化反應(yīng)還能進一步提高水泥的強度。

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，從起點每幅定位以鉆桿中心進行控制，每64 cm測放一個控制點，且每50 cm作為一次定位誤差校核點。每個單元幅起始點用30 cm長竹簽垂直插標，并用紅漆標識

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

2.2.2 樁機就位

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

2.2.3 攪拌下沉

啟動電機，根據(jù)土質(zhì)情況按計算速率鉆頭噴漿，放松卷揚機使攪拌頭自上而下切土拌和下沉，直到鉆頭下沉鉆進至樁底標高。

2.2.4 注漿、攪拌、鉆進、提升

開動灰漿泵，待純水泥漿到達出漿口后，噴漿攪拌30 s，在水泥漿與樁端土充分攪拌后，再開始按試樁要求的速度鉆進和提升攪拌頭，邊注漿、邊攪拌、邊鉆進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，并按標準規(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校準，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，用三支點導(dǎo)桿立柱的垂直度控制鉆具垂直度，使鉆機塔架垂直度偏差控制在±0.10%以內(nèi)。攪拌掘進過程中，隨時檢測攪拌軸的垂直度，以保證攪拌樁的偏傾率≤0.30%。

2.3.3 鉆進攪拌控制

采用一次鉆進一次提升兩拌兩噴的方法完成單幅造墻。開動攪拌主機，并徐徐下降鉆頭與基土接觸，按規(guī)定要求送漿、供氣；先開始慢速攪拌進尺，當鉆進一定深度后改為快速鉆進至設(shè)計墻頂標高，用樁架導(dǎo)柱標尺和計時器聯(lián)合控制速度在0.50～1.00m/min；鉆進攪拌時，通過在導(dǎo)桿立柱上的劃分標尺來量測鉆具鉆進速度。鉆進攪拌至設(shè)計墻深后調(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

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

2.3.5 漿液配制

采用電子計數(shù)器控制水量，嚴格按預(yù)定配合比制作漿液，用比重計量測控制漿液的比重。在灰漿攪拌機與集料斗之間設(shè)置過濾網(wǎng)，將水泥漿液進行過濾。放漿前先攪拌2min再倒入存漿桶，現(xiàn)場質(zhì)檢員對水泥漿液進行檢測，并監(jiān)督漿液存放時間。水泥漿隨配隨用，攪拌機和料桶中的水泥漿須不斷攪動。漿液存放的有效時間按以下規(guī)定控制：當氣溫≤10℃時，不宜超過5 h；當氣溫≥10℃時，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

嚴格按預(yù)定配合比制作漿液，用比重計量測，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，放漿前須充分攪拌并經(jīng)過濾后再倒入存漿桶，存放的有效時間符合規(guī)定要求。挖掘攪拌時漿液由注漿泵經(jīng)管路送至挖掘頭，注漿量由無級電機調(diào)速器監(jiān)控。若中途出現(xiàn)堵管、斷漿等現(xiàn)象，查找原因進行修理，待故障排除后在掘進攪拌。因故停機超過半小時，應(yīng)對泵體和輸漿管路妥善清洗。注漿的同時全程不間斷供氣，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量齒片外徑。當磨損達到2 cm時必須進行修復(fù)，為確保墻體均勻度，嚴格控制掘進過程中的注漿均勻性以及由氣體升揚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，按實驗確定的水泥滲入比，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)能力強的特點，成功解決了黃河堤防加固防滲處理的關(guān)鍵問題，對于工程建設(shè)具有很強的實用性、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，楊國順，張同德，王萬民.黃河堤防[M],黃河水利出版社，2012，12.