深層攪拌地下連續(xù)墻技術在小海子水庫中的應用

郭 濤，脫云飛，張麗娟，朱曉婷

（1.甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅張掖734000；2.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南昆明650224）

深層攪拌地下連續(xù)墻技術在小海子水庫中的應用

郭 濤1，脫云飛2，張麗娟2，朱曉婷2

（1.甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅張掖734000；2.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南昆明650224）

根據(jù)2009年小海子水庫在實施潰口維修以后，仍然存在諸多病險問題，不能按設計能力蓄水運行的現(xiàn)狀，為防止庫壩決口事件的再次發(fā)生，需要對薄弱壩體進行除險加固處理，采用深層攪拌地下連續(xù)墻對壩體進行防滲處理，截斷或延長地下水滲徑，防止地下水滲流在壩體中形成管涌、流土等現(xiàn)象，進而破壞大壩穩(wěn)定。該研究為水庫大壩安全隱患、實施除險加固以及水庫安全運行提供技術依據(jù)。

深層攪拌；地下連續(xù)墻；除險加固；小海子水庫

引言

小海子水庫為黑河中游旁注式平原洼地水庫，位于甘肅省高臺縣南華鎮(zhèn)小海子村以南，距高臺縣城15km。水庫始建于1958年，由上、中、下庫三部分組成，壩型為壤土均質(zhì)壩，總長10.10km，最大壩高8.72m，水域面積5.40km2，最大水深6.32m，歷經(jīng)多次加高和擴容處理，設計總庫容1048萬m3，總灌溉面積10萬畝。該水庫2004年實施了水庫除險加固后，2007年4月19日下庫北壩樁號2+681處發(fā)生決口事故，根據(jù)水利部事故調(diào)查組鑒定認為:“小海子水庫潰壩事故屬非自然因素造成的滲流破壞，壩前壩后形成了滲漏通道，導致壩體沉降、坍塌，最終釀成決口垮壩?！?009年在實施潰口修以后，仍然存在諸多病險問題，不能按設計能力蓄水運行。為防止庫壩決口事件的再次發(fā)生，需要對薄弱壩體進行除險加固處理，采用深層攪拌地下連續(xù)墻對壩體進行防滲處理，截斷或延長地下水滲徑，防止地下水滲流在壩體中形成管涌、流土等現(xiàn)象，進而破壞大壩穩(wěn)定［1～5］。

1 水庫工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

（1）潰Z K 1號鉆孔位于壩體上，鉆孔揭示: 0～7.70m為土黃～淺紫色筑壩碾壓的粉質(zhì)壤土，7.70～9.90m為灰～淺紫色地基粉質(zhì)粘土層，9.90～10.02m為青灰色粉細砂層；地下水埋深9.12m；

（2）潰Z K 2號鉆孔位于壩后約30.0m的庫外老陰溝（原泄水渠）處，鉆孔揭示:0～1.60m為人工填筑的土黃色粉砂土，1.60～3.40m為灰、灰綠至灰黑色溝道淤積淤泥層，3.40～8.20m為沖洪積青灰色粉細砂層，地下水埋深2.20m。表明原泄水渠已將灰～淺紫色地基粉質(zhì)粘土層切穿，溝道淤積淤泥層與下部粉細砂層直接接觸，缺失粉質(zhì)粘土防滲層。

（3）潰Z K 3號鉆孔位于壩前約40.00m的庫內(nèi)，鉆孔揭示:0～1.30m為風積土黃色粉砂土，1.30～3.90m為土黃～淺紫色粉質(zhì)粘土層，3.90～4.70m為沖洪積灰～灰綠色輕粉質(zhì)壤土，4.70～10.10m為青灰色粉細砂層；地下水埋深2.20m。

（4）潰Z K 4號鉆孔位于壩前約80.00m的庫區(qū)導流渠內(nèi)，鉆孔揭示:0～1.20m為人工填筑的土黃色粉砂土，1.20～2.00m為灰、灰綠～土黃色溝道淤積淤泥層，2.00～4.20m為灰～淺紫色粉質(zhì)粘土層，4.20～8.20m為青灰色粉細砂層，地下水埋深1.50m。

圖1 布置形式示意圖

潰壩發(fā)生后，經(jīng)查閱原勘察資料，決口及其東部壩基下地層結構為:地表1.50～2.00m厚度灰黃色湖沼相輕亞粘土夾粉細砂透鏡體，壩基清基時已全部清除；下部2.50～3.00m厚度的淺磚紅色粘土層完整而連續(xù)，可作為壩基下防滲層；深部是巨厚（鉆孔揭露厚度大于10m）的粉細砂及砂礫石。原勘測壩線選定在老排水溝北側，壩線只與原泄水渠相交，老排水溝被包在庫區(qū)內(nèi)。施工圖設計階段，由于耕地和排陰問題與小海子村村民無法達成一致，將樁號2+775～4+766.8段壩體向南改移了60.00～80.00m，使該段排水溝處于后壩腳，距離最遠的34.00m，最近的8.60m，溝底高程在1362.37～1360.41m之間。壩線改移后，雖沒有進一步補充勘探，但根據(jù)周邊所作的鉆孔、探坑等勘探資料，改移壩線除排水溝和泄水渠外，壩基下厚度2.50m左右的淺磚紅色粘土層被認為是完整而連續(xù)的。

水庫所處地質(zhì)地貌單元決定了地下水的賦存形式為平原松散巖類孔隙水，地下水總的流向自東南向西北，依地下水的埋藏條件可分為潛水和承壓水兩類。潛水帶為表層第四系全新統(tǒng)湖沼相堆積的粉細砂或淤泥質(zhì)砂壤土，厚度0～2.20m，潛水位埋深0～1.50m不等，滲透系數(shù)K值為1.00m/d～ 20.00m/d不等。水庫處在承壓水分布范圍內(nèi)，承壓水有多個含水層，主要是上層第一個承壓含水層，其頂板即為埋深0.50～2.50m厚度4.10～2.20m的土黃色或淺磚紅色粉質(zhì)粘土或粘土層，含水層即為下部的砂層，厚度20.00m左右，滲透系數(shù)K約15.00～40.00m/d，承壓水頭高于隔水頂板0.50～1.00m。決口段水文地質(zhì)條件與區(qū)域水文地質(zhì)條件基本一致，除淺表層孔隙性潛水外，主要存在的是下部砂層的承壓水。在鉆孔勘探資料中，初見水位大都在粘土層或輕粉質(zhì)壤土的底板附近，但穩(wěn)定水位不同程度地高于粘土層或輕粉質(zhì)壤土底板［6～8］。因此，該壩基水文地質(zhì)條件極其特殊，并且較為復雜。

2 深層攪拌地下連續(xù)墻設計與施工

2.1 地下連續(xù)墻設計

工程區(qū)內(nèi)普遍分布土黃色或淺磚紅色粉質(zhì)粘土或粘土隔水層，但厚度不均，局部變薄，因沖溝水流沖蝕，隔水層缺失。在大壩修筑時，少數(shù)地段處理不到位，局部地方填筑質(zhì)量欠缺，大壩出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，長期的滲透破壞，危及大壩安全。為解決大壩安全問題，在大壩中設置深層攪拌地下連續(xù)墻一道，截斷大壩地下水滲流通道，對壩基采取懸掛式防滲方案，延長地下水滲徑，降低水力坡降，保障大壩安全［9～11］。深層攪拌地下連續(xù)墻布置在改移新筑大壩壩頂，軸線距壩頂上游邊緣（防浪墻）距離不小于2.50m（圖1），深層攪拌地下連續(xù)墻軸線長度約4.80km，墻底深度暫定12.00m，工程量約5.80m2。

深層攪拌地下連續(xù)墻厚度根據(jù)水泥土允許水力比降確定，但最小厚度不宜小于150mm。深層攪拌地下連續(xù)墻厚度計算如下。

式中:S—有效墻厚，m；△H—墻體兩側水頭差，m，本工程為5.30m；［J］—水泥土允許比降，可取破壞比降的1/3～1/2；水泥土試驗得到的破壞比降一般為200～600，［J］取值80。ηj—系數(shù)，可取1.10～1.40，取值1.20。

計算深層攪拌地下連續(xù)墻有效墻厚為80mm，即可滿足破壞比降要求，按照最小墻厚和考慮預留安全度，按照最小墻厚為300mm取值。

深層攪拌地下連續(xù)墻施工設備，是通過強大動力設備帶動多個鉆頭，在地下一次形成多根水泥土攪拌樁樁體，通過攪拌軸和鉆頭連鎖裝置，確保樁體互相切割和搭接，形成地下連續(xù)薄墻，發(fā)揮止水、截滲作用。深層攪拌地下連續(xù)墻施工選用三頭設備，裝配3根攪拌軸，軸間距320mm，攪拌頭直徑440mm，一次形成深層攪拌地下連續(xù)墻單元墻長度960mm。深層攪拌地下連續(xù)墻單元內(nèi)相鄰樁體搭接120mm，最小墻厚301.99mm，考慮樁位偏差和傾斜等偏差，單元墻之間首尾樁搭接170mm，單元墻有效長度910mm（圖2）。深層攪拌地下連續(xù)墻墻頂最小墻厚347.42mm，考慮樁位偏移，墻頂最小墻厚339.41mm，墻底最小墻厚306.18mm，滿足最小墻厚要求滿足墻厚要求。

圖2 單元成墻搭接示意圖

深層攪拌地下連續(xù)墻固化劑水泥，強度等級不低于32.50級通用硅酸鹽水泥，水泥摻入比12～18%（為安全起見，取高值，暫定18%），加固土體平均容重1.80g/cm3，水泥摻入量130kg/m2，水灰比為1.00～1.80（水泥摻入量及水灰比根據(jù)室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗最終確定）。深層攪拌地下連續(xù)墻水泥土抗壓強度不小于0.50Mpa，彈性模量不大于1000Mpa，滲透系數(shù)A×10-6cm/s（1≤A＜10），滲透破壞比降不小于200。

2.2 施工技術要求

（1）先導孔

工程施工前，沿設計深層攪拌地下連續(xù)墻施工軸線施工先導孔，進行施工地質(zhì)勘察，確定最終深層攪拌地下連續(xù)墻底線，確定水泥摻入量和水灰比等有關參數(shù)。先導孔可采用150型地質(zhì)鉆機施工，孔間距50m，一般地，先導孔深度進入相對隔水層不小于5.0m，或深入設計的深層攪拌地下連續(xù)墻底線之下不小于5.0m。

（2）成墻試驗

施工前進行成墻試驗，確定適合本工程地質(zhì)條件的水灰比、提升速度和旋轉速度等的施工參數(shù)，為工程的正式施工做好準備。

（3）施工技術要求

①孔位控制:為確保搭接長度、墻體厚度及整體性，放一條平行于設計地下連續(xù)墻體軸線的輔助線，根據(jù)樁孔距、搭接要求，制作孔位放樣定位標尺，設備按定位標尺移位，使樁位偏差不大于10mm，滿足設計要求；②墻體垂直度控制:施工前，用經(jīng)緯儀校正設備塔架的垂直度，并在設備底盤上的三根連通管上做好刻度標記，確保施工時墻體垂直偏差不大于0.3%；③攪拌頭控制:攪拌頭直徑不小于設計要求，施工時攪拌頭直徑偏差不大于10mm，定期進行檢查，超出偏差范圍進行更換；④深度控制:設備安裝深度儀，嚴格按照施工圖紙要求控制下鉆深度、噴漿面停漿面，確保地下連續(xù)墻深度達到設計要求；⑤漿液控制:嚴格按照批準的水灰比配制水泥漿，水泥漿液應隨配隨用，灰漿攪拌機同時不斷攪動，停置時間不超過4h，制備好的漿液不得離析，否則作為廢漿處理；⑥輸漿控制:輸漿時精確記錄輸漿量，并使?jié){液泵送連續(xù)；應保證水泥漿液濃度并使之與攪起的泥土充分攪勻，使在鉆進和提升過程中孔口始終微微翻漿；⑦噴漿鉆進和提升的速度符合施工工藝要求，根據(jù)地層情況控制鉆進速度，一般在0.80m/min～1.20m/min，提升速度一般控制在0.80m/min～1.50m/min范圍內(nèi)，提升速度要和輸漿量相匹配且輸漿連續(xù)；⑧在成墻過程中遇有故障而停止噴漿時，再次噴漿接樁，其噴漿重疊長度不小于0.50m；相交單元墻施工時間控制在24h內(nèi)，否則對該單元墻進行噴水空鉆留出榫頭，恢復施工時可加大該單元墻的水泥摻入量。

2.3 特殊情況處理

（1）地下障礙物處理:地下如果有樹根、建筑垃圾、塊石、卵石等地下障礙物，可采用人工或小型挖機清除表層和淺層雜物，回填好土，并壓實后，再進行深層攪拌法施工。如清除處理深度過大，采用清除辦法不經(jīng)濟、不安全，采用繞行、高壓噴射和深層攪拌地下連續(xù)墻相結合等工法進行施工。

（2）與建筑物和其他結構體搭接處理:在放水閘、輸水洞等構筑物附近，深層攪拌地下連續(xù)墻施工至構筑物邊緣最近距離不大于3.0m，采用三管法高壓旋噴或擺噴截滲墻進行銜接施工，高噴截滲墻與深層攪拌地下連續(xù)墻軸線搭接不小于1.0m。

3 結論

深層攪拌是利用水泥類漿液與原土通過葉片強制攪拌形成墻體的技術。多頭小直徑深層攪拌樁機的問世，使各幅鉆孔更能安全搭接形成連成一體的墻體，使排柱式水泥土地下墻的連續(xù)性、均勻性都有大幅度提高。從現(xiàn)場檢測結果看:墻體搭接均勻、連續(xù)整齊、美觀、墻體垂直偏差小，滿足搭接要求。該工法適用于黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土以及密實度中等以下砂層，且施工進度和質(zhì)量不受地下水位影響。從漿液攪拌混合后形成“復合土”的物理性質(zhì)分析，這種復合土屬于“柔性”物質(zhì)，從防滲墻的開挖過程還可以看到，防滲墻與原地基土無明顯分界面，即“復合土”與周邊土膠結良好。因而，目前低矮的垂直防滲處理，在墻身不大于18.00m的條件下優(yōu)先選用深層攪拌地下連續(xù)墻。

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表3 試件長徑比換算系數(shù)

4 結語

工程施工實踐表明，只要按照設計流程規(guī)范施工，完全能夠保證混凝土襯砌施工的質(zhì)量。河道工程作為輸水的保障性設施，生命之源的通道，我們應嚴格施工質(zhì)量檢測，規(guī)范施工行為，保證工程的正常運行。

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A

1672-2469（2015）10-0095-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.30

國家自然科學基金項目（51279157），云南省教育廳項目，云南省高校優(yōu)勢特色重點學科（生態(tài)學）建設項目資助，西南林業(yè)大學水土保持與荒漠化重點學科建設項目。

作者介紹:郭 濤（1977年—），男，工程師。