（水利工程专业论文）尔王庄水库掺膨润土高喷防渗墙加固研究.pdf

中文摘要 尔王庄水库是天津市引滦入津工程重要调节、蓄水水库。由于水库经常 处于水位骤涨骤落及超蓄水等运行状态，以及自然因素影响，致使水库围堤 渗漏问题严重，影响水库的正常运行。尔王庄水库围堤防渗加固工程是改善 引滦入津水利用，增强水库运行安全性的重要工程项目。 尔王庄水库为平原水库，水库围堤长，地质及渗漏隐患复杂，如何选择 适宜的防渗加固方案，既能减少渗漏又能适宜外力对堤基作用变形的防渗体 是一个重要的问题。 本文的主要工作如下： 1 根据两次地勘资料，确定水库围堤及堤体土质组成，为防渗加固方案 的选择提供依据。并根据地勘资料确定水库围堤及堤体土质组成的同时，也 确定了各段围堤渗透系数，进而确定围堤渗漏严重及较严重的堤段。 2 查阅文献资料，了解平原水库围堤防渗加固的方法，并根据尔王庄水 库地质、渗漏状况、防渗加固工程量、施工难易程度、工程造价等方面对各 种方案进行比较确定。 3 通过室内实验研究防渗体组成材料的弹性、粘性及塑性等力学性能指 标。根据尔王庄水库围堤实际状况，要求防渗体既要有防渗作用，又要有一 定的塑性，进而提出加入一定量的膨润土提高防渗体的塑性，并通过水库围 堤高喷试验段，确定水泥、粘土、膨润土问的配比，也通过试验表明膨涧土 对防渗体塑性的影响。 4 在防渗加固方案及材料配比确定后开始对工程进行实施，首先，通过 试验确定高压摆喷的技术参数，其次，探索总结高压摆喷工艺施工过程中如 何进行质量控制。通过测压管及试验对竣工后的防渗体防渗效果、防渗体的 力学性能进行检测，进而评定工程质量。 5 通过测压管及试验对竣工后的防渗体防渗效果、防渗体的力学性能进 行检测，进而评定工程质量。对防渗体加入膨润土的社会及经济效益进行分 析。 关键词：尔王庄水库除险加固高喷防渗墙膨润土 a b s t r a c t e rw a n gz h u a n gd a mi st i a n j i nc i t yt ol e a dt h el u a nh er i v e ri n t ot h e t i a n j i ni m p o r t a n te n g i n e e r i n g b e c a u s et h ed a mu s u a l l yi sp l a c e di n t h ew a t e r l e v e lq u i c k l yr i s e st h eq u i c k l yf a l l sa n ds u p e rs u p p l e m e n tw a t e re t c a n dt h e n a t u r ef a c t o ra f f e c t s ，c a u s i n gt h ed a mr o u n dt h ed i k et os e e pi n t ot h es u b j e c t s e r i o u s ，a f f e c tt h en o r m a lm o v e m e n to fd a m e rw a n gz h u a n gd a mr e i n f o r i n g e n g i n e e r i n gi s a ni m p o r t a n te n g i n e e r i n g s t r e n g t h e n n i n g t h er e s e r v o i r c i r c u l a t et h es a f e t y e rw a n gz h u a n gd a mi sp l a i nd a m ，t h ed a mr o u n d st h ed i k el o n g ，g e o l o g y a n ds e e pi n t ot h ed i s a s t e rc o m p l i c a c y ，i ti si m p o r t a n tt oh o wt oc h o i c et o r e i n f o r c et h es c h e m e t e x t u a lm a i no p e r a t i o n si sa sf o l l o w s ： i a c c o r d i n gt ot w ot h eg e o l o g yi n v e s t i g a t e sd a t a ，r e c o g n i z et h ed a m r o u n dd i k ea n dd i k e s o l lf o r m s ，f o rr e i n f o r c i n go f f e r i n ga c c o r d i n gt o a n d t h eg e o l o g yi n v e s t i g a t e sd a t ar e c o g n i z e sw h i l ed a mi sr o u n d i n gt h ed i k ea n d d i k es o l lc o n s t i t u t i o n a l s or e c o g n i z i n gt or o u n dt h ed i k es e e pi n t os e r i o u s a n ds e r i o u sd i k es e g m e n t 2 c h e c kt h ec u l t u r a lh e r i t a g ed a t a ，u n d e r s t a n d t h ed i k et h a tp l a i nd a m r e i n f o r c et o o l ，a n da c c o r d i n gt oe rw a n g z h u a n gd a mg e o l o g y ，s e e pi n t o t h ec o n d i t i o na n dd e f e n dt h es e e p i n gi n t or e i n f o r c et h ee n g i n e e r i n gt h ev o l u m e t h ec o n s t r u c t i o ni sd i f f i c u l te a s yt h ee x t e n t ，e n g i n e e r i n gb u i l d sp r i c ee t c c o m p a r i s i n gt oe v e r yk i n do fs c h e m e ，p a s s e s i n gt h ec o m p a r i s o nr e c o g n i z et o a d o p th i g h p r e s s u r es p r i n k l e 3 a c c o r d i n gt oi n d o o r se x p e r i m e n ts t u d yt h ef l e x i b i l i t ys p o i l a g ea n d g l u es e xa n dp i a s t i c se t c a c c o r d i n gt ot h ee rw a n gz h u a n gd a m a c t u a l c o n d i t i o ni nd i k e w a n t i n gt h ec e r t a i np i a s t i c sa g a i n ，t h e np r o p o s et om i x b e n t o n i t e ，p a s s i n gt h ed a mr o u n dt h ed i k eh i g h s p e s s u r es p r i n k l eo i lt r i a l s e g m e n t ，r e c o g n i z et h ec e m e n ta n dg l u ea n db e n t o n i t ea n da l s oa p p r o v a lt h e t e s te x p r e s s e sb e n t o n i t ei m p a c t i n gp i a s t i c s 4 r e i n f o r c i n gs c h e m ea n dt h ef i e x i b i l i t yf o r m e si sr e c o g n i z e db e h l n dt o s t a r te n g i n e e r ， f i r s t ，p a s s i n gt r i m l yr e c o g n i z eh i g h p r e s s u r es p r i n k l e t e c h n i q u ep a r a m e t e r ，t h en e x ti no r d e r ，i n v e s t i g a t et a l l yu ph i g h p r e s s u r e s p r i n k l e ，h o w i n gt os t e e rt h eq u a l i t yc o n t r o l i n g 5 a f t e re n g i n e e r i n gf i n i s h i n g ，t h ea p p r o v a lm e a s u r e st op r e s st h et u b e a n dt e s td e f e n dt h eo fw a l ls e e p i n gi n t or e s u l ta n dw a l lm e c h a n i c sf u n c t i o n ， t h e na s s e s s i n gt h ee n g i n e e r i n gq u a li t y a n a l y s i n gc o m m u n i t ya n de c o n o m i c b e n e f i t so fm i x i n gt h eb e n t o n i t ei nw a l l k e yw o r d s ：e rw a n gz h u a n gd a m r e i n f o r c e h i g h s p e s s u r es p r i n k l ew a l l b e n t o n i t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之外处，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耋翟、1 ，j ， 签字日期： 州年肛月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编以供查阅和借阅。同 意学校向全国有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：奎邀、】再 导师签名： 引争起 签订r 期：扣盯年胁月，o 日签订同期：一j 年，月缈同 第一章前言 尔王庄水库掺膨润土高喷防渗墙加固研究 第一章前言 1 1 尔王庄水库概况 1 1 1 工程概况 尔王庄水库位于天津市宝坻县大白庄乡与尔王庄乡境内，引滦明渠中段 右侧，隶属于天津市引滦工程尔王庄管理处，是引滦线路中段距天津市区最 近的一座中型平原水库，一方面，它具有调蓄作用，调节水量的供求关系， 可提高对天津市供水的保证率，另一方面，在上游停水时或引滦明渠护砌、 渠道清淤、泵站维修及水闸维修时又可作为向下游供水的水源，水库自建成 以来发挥了重要作用。水库于1 9 8 2 年8 月开始兴建，8 3 年7 月竣工并蓄水。 水库水面面积1 l0 3 平方公里，水库设计水位5 5 ( 黄海，下同) 米，死水 位2 0 米，库底平均标高l _ 4 米，相应总库容4 5 3 0 万立方米，有效库容3 8 6 8 万立方米，死库容6 6 2 万立方米。水库建筑物包括围堤、穿堤建筑物及上下 游泵站等几部分。坝轴中心线长度1 4 2 9 7 公里，平均坝体高度5 4 4 米。坝 体为碾压式均质土坝，采用羊脚碾与光碾相结合的方式碾压而成。其上下游 坡度均为1 ：3 ，其中上游坡面为浆砌石护坡，坝顶高程7 0 4 米，宽7 0 米， 坝顶靠水库内侧设防浪墙，防浪墙顶部高程为8 2 4 米。水库工程等另j l i i 等， 围堤、1 。泄水闸和2 。泄水闸均为3 级建筑物。 水库上下游布置有8 座泵站：明渠泵站、暗渠泵站、入塘泵站、入汉泵 站、入开发区泵站、入港小宋庄泵站、入石化泵站和入逸仙园泵站。另外还 有北京排污河倒虹吸一座、自流道一座。 1 1 2 地质概况 尔王庄水库库区地址情况为1 ：地势低洼、地形平坦，坡度为1 1 0 0 0 0 。 西部地势稍高，东部略低，倾向东南，地貌单元属华北冲积平原一部分，覆 盖第四系深厚土层，约达5 0 0 0 m 。库区北东是青龙湾河、潮自河；库区东侧 是青龙湾故道和潮白新河。库区内有二条近东西向的古河道穿过，一条中心 位置在桩号3 + 0 0 0 对应桩号1 2 + 7 0 0 ，宽度约为6 0 0 一l l o o m ；另一条中心位置 在桩号6 + 0 0 0 对应桩号8 + 8 5 0 ，宽度约为4 0 0 6 0 0 m ，古河道地段河床深度 8 - 1 2 m 。河床底部多为粉砂土层，颗粒粗，含小贝壳，渗透系数较大，一般为 第章前言 6 8 1o 3 c m j s 。 堤基为第四系全新统冲积及海陆交互相沉积层，第一陆相层主要为粘土、 粉质粘土；第一海相层主要为淤泥质粘土、粉土、粉砂、粘土、粉质粘土， 局部呈透镜体分布：第二陆相层主要为粉质粘土，层间有粉土、粉砂夹层。 堤身主体主要由粘土、粉质粘土组成。 1 1 3 尔王庄水库存在的渗漏问题及状况 由于水库围堤地质情况复杂，水库长期处于调蓄状态、水库水位骤涨骤 落，经常超高蓄水，造成水库围堤严重渗漏，为水库工程安全带来了很大的 隐患。在多年的运行过程中，发现了较为严重的渗漏问题，主要包括以下几 方面“：。 1 土坝的下游溢出点普遍偏高。在水库围堤1 0 + 4 0 0 - 1 4 + 0 0 0 之i 日j 的水库 围堤l 临明渠侧渗漏溢出点位置普遍高出明渠水位0 7 米以上，部分地段渗漏 溢出点也很高，在水库1 1 + 7 2 0 - 1 1 + 4 5 0 之间的二级马道存在严重的积水现象， 经现场实测溢出点高出明渠水位1 6 - 1 7 米。长期的渗漏导致8 + 7 0 0 1 0 + 5 0 0 之涮的明渠护砌挡土墙大面积坍塌、破损。在水库围堤北侧的3 + 6 0 0 - 5 + 0 0 0 之间的部分戗台面上存在积水现象，经现场实测这些戗台面高程约为3 0 米。 另外，在水库1 + 0 0 0 2 + 0 0 0 也存在渗漏现象。 2 在几年的明渠护砌工程施工过程中，为保证施工期间的水源，一方面 采用水库超高蓄水，另一方面由于施工原因又必须将堤体下游一侧的明渠水 抽千，这是种很不利的运行工况，由于明渠水抽干使得许多底部渗漏点暴 露出来，通过检查发现有大量的渗漏点，渗漏非常严重，其中在8 + 9 3 0 、9 + 0 3 0 、 1 0 + 7 3 5 等多处已发展成为管涌，为防止渗漏进一步扩大，施工中对这些管涌 采取了抛石、铺砂等方法做反滤的处理措施，以防止渗漏迸步扩大。同时， 施工中还发现8 + 8 0 0 - 9 + 8 0 0 之b j 的明渠底部存在大量的粉砂。 3 为监测堤体安全，尔王庄管理处加强了工程的日常检查，在检查中还 发现多处水库渗漏问题。其中在水库1 1 + 5 7 0 处的下游明渠处也发现较大渗漏 点，由于渗漏量较大，明渠坡面土已被冲刷掉，表面的浆砌石护坡破损严重， 已形成塌坑，经实测渗漏量约为2 升秒。1 9 9 1 年9 月，在对水库测压管实 施注水试验和清管时，发现在9 + 9 0 0 处的一组测压管注不满水，但渗漏路径 不清。 2 第一章前言 1 9 9 3 勘察结果表明：8 + 9 3 0 、9 + 0 3 0 、9 + 9 0 0 、1 1 + 5 7 0 为渗漏比较严重的 渗水断面。同时通过对勘测资料的分析表明：1 0 + 7 3 0 1 0 + 8 3 0 为8 + 8 8 0 1 i + 6 2 0 堤段中渗漏最为严重的坝段。 1 9 9 7 钻探勘察结果表明水库围堤堤体存在渗漏问题发现的主要问题如 下：堤体渗漏问题。由于围堤局部堤段施工时坝体干密度未达到设计要求， 填筑土不纯央粉土或砂土，渗透系数偏高，如桩号9 + 3 0 0 、1 0 + 8 0 0 局部堤段 内达i 0 一c m s 。同时在钻孔过程中，发现有些坝段漏水现象严重，每分钟6 0 公升的注水量，而返水量很小，主要反映在桩号9 + 3 0 0 1 0 + 8 0 0 、i + 0 0 0 - 2 + 0 0 0 局部坝段内。 堤基接触带。由于库区地表土层植物根系埋藏较深，清基时不易清除， 接触带土层裂隙比较发育，渗透系数较大，在0 + 6 0 0 2 + 0 0 0 、9 + 0 0 0 1 1 + 6 0 0 范围内，坝坡脚有明流出现，一般渗透系数为1 0 一c m s ，在9 + 0 3 0 、1 0 + 8 0 0 、 1 1 + 6 0 0 渗透系数为l o c m s 。 堤基渗漏与渗透变形问题。堤基表层土由粘土、粉质粘土、互层状粉质 粘土组成。由于组成的成分、裂隙发育和植物根系作用的不同、土的渗透系 数很不均一，k = i o 。3 c m s - l o c m s 。桩号2 + 0 0 0 9 + 0 0 0 堤段为粘土，渗透系数 k = i o c m s 一1 0 1 c m s ，桩号9 + 0 0 0 1 2 + 0 0 0 、0 + 0 0 0 - 2 + 0 0 0 堤段为互层状粉质粘 土，渗透系数k = i o “c m s - l o c m s 。9 + 0 0 0 - 1 0 + 8 0 0 堤段曾出现管涌和冒砂渗 透变形问题。 1 2 平原水库渗漏问题除险加固方法研究现状 平原水库防渗与地基加固有多种措施，按使用材料分为三类。1 “删“删“捌。 1 利用当地土沙石料进行防渗加固 ( 1 ) 钻探( 锥探) 灌浆加固。对堤身进行钻探灌浆，这是较常用的方法。浆 液材料一般就地选用粘土或沙壤土，视需要也可掺用少量水泥，搅拌成泥浆。 钻孔的布置，视堤身隐患位置而确定，一般按梅花形布置。孔深应穿过隐患 的部位。灌浆压力视孔深而定，一般在现场试验确定。黄河、长江使用这一 方法较多，也取得较好效果。 ( 2 ) 铺盖防渗。当堤基相对不透水层埋减较深，透水层较厚，同时临水侧 有稳定滩地的堤基宜采用铺盖防渗。铺盖的长度和厚度通过计算确定。当利 用天然弱透水层作为防渗铺盖时，应查天然弱透水层及下卧透水层的分布、 第一章前言 厚度、级配、渗透系数和允许的渗透坡降等情况，在天然铺盖不足的部位应 采用人工铺盖补强措施，确保铺盖起到设计的作用。 ( 3 ) 粘土截水槽。当堤基透水层较浅时，在迎水侧堤脚宜采用黏土截水稽 或其他垂直防渗措施截渗。截水槽底部应达到相对不透水层或基岩采用与 堤身防渗体相同的土料填筑，其压实密度不应小于堤身的同类土料。截水槽 的底宽，应根据回填土料、下卧的相对不透水层的允许渗透坡降及施工条件 而定。 ( 4 ) 堤身临水侧筑前戗。在堤身临水侧填筑土平台，一般称为前戗。要求 选择渗透系数小的土料进行填筑，以降低背水侧出逸比降，符合渗流控制“f i 仃 堵”的原则。同时，也对堤身隐患起到补强作用。前戗的顶面高程应高出设 计洪水位l m ，一般顶宽为l o m ，临河坡度采用l ：3 。 ( 5 ) 堤身背水侧筑后戗。在堤身背水侧，加大堤身断面，控制浸润线不在 堤坡上出逸。要求后戗填筑的土料透水性比原堤身大，以符合渗流控制“后 排”的原则。根据黄河多年来防洪实践经验，险工、老口门堤段堤身控制浸 润线按1 ：1 0 ，平工堤段按i ：8 考虑后戗填筑。后戗顶面高程高出浸润线背 河堤坡出逸点1 5 m ，后戗顶宽一般4 6 m ，边坡为l ：5 。当出逸点较高时， 修筑一级后戗不能满足要求时，可按多级后戗修筑，以节省土方量。 ( 6 ) 堤防淤背。利用吸泥船、泥浆泵等机械设备，吸取江河泥沙，由管道 水力输送到堤身背水侧沉淤，在黄河上称为淤背。它是防止基础管涌破坏的 有效控制渗流措施之一。淤背的厚度和宽度：厚度可通过计算确定，一般高 出背河堤坡出逸点1 5 m ，淤背体边坡为l ：5 。宽度则难以通过计算简单确定。 计算可能得出数百米宽，显然难以实现。为此，需要根据经验和历史出现险 情范围来确定。根据黄河出现险情的情况调查，基本上集中在背水坡脚以外 l o o m 的范围以内，但也有一小部分发生在1 0 0 m 以外的。一般淤背的宽度， 黄河险工地段按l o o m 宽控制；平工堤段按5 0 m 宽控制。长江淤背宽度，一般 按1 0 0 2 0 0 m 控制，珠江的北江大堤按3 0 5 0 m ，并辅以减压井。如荆江大 堤控制宽度为2 0 0 m ，可以控制历史出现管涌险情的9 0 以上。在某些情况下， 在淤背末端又有新的险情出现，但规模较小，可通过排水减压设施进行控制。 淤背是防止渗流管涌破坏的有效措施之一。它的优点是：可以避免在 压重范围内发生管涌破坏，即使在淤背范围外发生管涌破坏，也加大了管涌 4 第一章前言 距堤脚的距离，可以降低管涌的发展速度和危害程度。可以填盖取土坑、 水塘和洼地等，提高抵抗承压水头能力，减少管涌破坏。在江河吸取的泥 沙多为沙性土，渗透系数较大，淤积在堤身背水侧，有利于导渗。淤背较 宽，可有效地加固堤防，提高堤防整体稳定性。在江河中取沙，对河道有 定的疏浚作用。同时，也减少挖毁农田，有利于粮食生产。利用吸泥船 水力冲填施工，可以连续作业，减少接合部，保证冲填质量。但是，淤背也 有不足之处：a 施工受地理条件的制约，排距较远时，不仅增加施工困难， 而且单位造价也随之增加。b 占压了大片农田，而自身又不能耕种，使相应 的迁占工作量增大。同时也增加了工作难度。c 对周围环境有一定的影响。 由于吹填土多为细沙或粉细沙，易产生风沙和水土流失，需要在淤背表面用 黏土压盖，工程量大。d 压盖了吹填范围的水域，给当地群众用水带来困难。 ( 7 ) 劈裂灌浆。沿堤身轴线小主应力面布钻孔，用一定的压力灌注泥浆， 人为地劈丌堤身，并利用浆堤互压，泥浆析水固结和堤身湿陷密实等作用， 使所有与浆脉连通的裂缝、洞穴、砂层等隐患得到充填挤压密实，形成垂直 连续的泥浆体防渗墙。首先在山东大沽河2 0 0 k m 长的堤身和堤基进行劈裂灌 浆，解决堤身5 m 、堤基3 4 m 的垂直连续的渗漏问题，效果显著。后来在湖 南、河北等省的一些堤防，也采取了这一措施加固了堤防，均取得了较好的 效果。 2 利用土工合成材料进行防渗加固 工合成材料是人工合成的聚合物。一般分土工膜或复合土工膜，用在 堤防工程上起防渗作用。另一种是土工织物，分无纺织物和有纺织物，用在 堤防工程上起导渗作用。这种材料的使用，发展比较迅速，主要在于它有很 多优点：整体性好，产品规格化。铺设简便，施工进度快。抗拉强度 高，适应堤身变形。质地柔软，能与土料密切结合，重量轻，运输方便。 经过处理后，其抗老化性能较好。临水侧斜坡面和水平防渗。在堤防迎水 面堤身、堤基防渗，可按防渗和铺盖计算其长度，在堤坡上铺设应高于设计 洪水位1 m 。在整修后的坡面上，由于土工膜与沙土问的摩擦系数小于土石料 摩擦系数，为了堤坡稳定，防止土工膜与堤坡接触面滑动，常采用锯齿、齿 槽、台阶等形式，将士工膜平置于基面上，四周边缘要展平，保持整齐。铺 膜不应拉得太紧，要均匀地留有小褶皱，以保证膜本身良好的伸缩性。要从 第一章前言 下向上，从一端向另一端平铺，铺放面积应是计算面积的1 1 0 。土工膜的接 缝有搭接、粘接和焊接。以粘接和焊接效果好。铺好后，膜上要加保护层， 不单是保护土工膜不受损坏，同时还要考虑水位下降时的反向渗压力。保护 层一般使用沙壤土，其厚度不少于0 5 m ，并加以夯实。如需护坡，其上再铺 砌挚层和块石。如福建省闽江下游堤防，大部分堤段基础是冲积淤沙及砾石， 透水性强。高水位时，部分堤段严重管涌、漏水等险情，严重地威胁着堤防 安全，必须进行防渗加固。按百年一遇设计洪水位和堤前稳定的滩地上进行 土工膜防渗。采用沥青粘接，并加保护层0 6 1 3 m ，其上种草皮。铺设土 工膜2 8 块，长1 3 0 m ，防渗面积为3 3 8 0 m 2 ，投资6 5 万元，平均每平方米为 2 0 元。1 9 9 8 年建成后经过多次洪水考验，至今效果显著。 3 利用水泥土、混凝土材料进行防渗加固 对堤身、堤基进行重直防渗，以符合“中间截”的原则。由于使用机械 设备不同，施工方法也多种多样，有泥浆槽防渗墙、板桩灌注防渗墙、高压 喷射灌浆防渗墙、多头小直径涂层搅拌桩防渗墙。振动沉模防渗板墙、薄抓 斗成槽防渗墙、液压开槽机成槽防渗墙、射水法成槽防渗墙、锯槽成墙防渗 等。 ( 1 ) 深层搅拌水泥土防渗墙 深层搅拌法原是工业民用建筑工程中用束加固地基，提高承载能力的施 工方法。它通过搅拌桩机将水泥浆和外加剂注入地层，并与地基土搅拌混合 形成水泥土桩柱。将单根的深层搅拌桩搭接连锁形成水泥土连续墙，可以用 作堤坝和地基防渗。深层搅拌法技术由北京振冲公司江河截渗工程公司引入 堤防防渗以来发展很快，其搅拌桩机由初期的单头搅、双头搅、三头搅发展 到五头搅、六头搅，自动化程度也不断提高。1 9 9 8 年，多头小直径深层搅拌 截渗技术通过了水利部的技术鉴定。 深层搅拌水泥土防渗墙以原地层土体为主要材料，加入水泥量为土重的 7 1 5 ，也可以加入粘土，粉煤厌等。凝固后的水泥土抗压强度为0 5 1 o m p a ( 在粘性土中搅拌成桩) 或1 o 3 o m p a ( 在砂性土中搅拌成桩) ，渗 透系数为n 1 0 “c m s 。六头搅拌桩机采用六头联动技术，注浆控制系统实现 了多管分别计量，控制精确，一次成墙长度可达1 8 5 0 1 9 5 0 m m ，墙体厚度2 0 3 0 c m ，每台日成墙面积可达4 0 0 5 0 0 m 2 ，2 1 2 效高。深层搅拌水泥土防渗墙适 6 第一章前言 用于淤泥质土、粘土、粉质粘土、粉士和松砂等地层。施工深度一般在2 0 m 以内。由于深层搅拌水泥土防渗墙技术性能指标适宜，操作简便，施工速度 快，价格低廉，因而使用最为广泛，长江中下游堤防垂直防渗工程中6 0 的 工程量采用了深层搅拌水泥土防渗墙。 ( 2 ) 置换式塑性混凝土防渗墙在深层搅拌法不适宜的堤段，如透水层深度 较大、有紧密砂层或卵砾石层等，通常采用置换式塑性混凝土防渗墙。置换 式混凝土防渗墙是通过采用不同的钻掘机械在堤身或堤基中挖掘槽孔( 或连 续的沟槽) ，然后浇筑塑性混凝土或塑性砂浆而成。根据挖槽的方式不同，可 以分成如下几种类型。 薄型抓斗挖槽法抓斗挖槽机( 通常简称抓斗) 是一种高效先进的防渗 墙施工机械，薄型抓斗的厚度为2 9 0 r a m 。因此使用薄型抓斗挖掘槽孔，再通 过导管浇筑泥浆下混凝土，可以建造厚度为3 0 c m 的均匀的混凝土防渗墙。薄 型抓斗挖槽可以采用纯抓法( 全部依靠抓斗挖槽) ，也可以采用钻抓法( 使用 钻机钻导孔，抓斗抓副孔，两钻一抓或三钻两抓) ，还可以辅以重凿凿掘基岩。 因此在众多的防渗墙施工方法中，抓斗成槽适应地层最广，除细颗粒地层外， 它也可以适应卵砾石层，并可深入基岩。成墙深度可达4 0 m 以上。在堤防垂 直防渗工程中，难工段基本上都是由它完成的。 射水成槽法射水成槽法是福建水利科学研究所于7 0 年代发明的，射 水成墙机是其主要机械，工作原理是利用成型器的射水喷嘴形成的高速泥浆 射流来切割破坏地层结构，成型器上下往复运动掘削修整孔形，泥浆乖循环 或反循环出渣，形成槽形孔，然后浇筑泥浆下混凝土形成单元墙段，各墙段 相接形成连续的防渗墙。射水法施工的防渗墙厚度由成型器的厚度决定，通 常为2 0 3 5 c m ，成墙深度一般在3 0 m 以内。射水成槽法适应粉土、砂土和砂 砾石( 粒径不大于5 r a m ) 层。 锯槽法锯槽法成墙技术由东北岩土工程公司研究丌发，它通过锯稽机 上的部件锯管的往复运动锯削地层，从而达到挖掘槽孔的目的。槽孔以 泥浆固壁，反循环方式出渣。锯槽法适用的地层为粉土、砂土，成墙厚度为 2 0 4 0 c m ，深度一般不大于2 0 m 。锯槽法一次挖掘的不是单个槽段，而是连 续的沟槽，因此此法也可以与垂直铺塑( 膜) 相配合。但浇筑混凝士时仍需 要隔离成一个一个槽段分别浇筑。 第一章前言 工作原理与锯槽法类似的还有液压开槽机成槽、链斗式挖槽机挖槽。 气举反循环钻进气举反循环钻进是依靠气举导管导向并出渣，回转钻 进或冲击钻进破碎土层成槽的一种方法近年引入长江堤防防渗墙施工，工效 高，质量好。 ( 3 ) 挤压注浆( 振动沉桩) 防渗墙 挤压注浆成墙是在地层中挤入板桩、模具、刀头等，然后通过这些器具 向地层注入浆液或砂浆，形成防渗墙体。成墙深度一般在1 8 m 以内，墙体厚 度在7 5 1 5 c m 之间。适用地层为砂性土和粒径较小的砂砾石层。这类方法 的最大优点是施工效率高，缺点是在粘性土中造墙时墙体有缩颈现象。 振动切槽法振动切槽法是东北岩土工程公司专为堤防防渗开发出来 的高效施工方法。其工作原理是利用振动锤将特制的具有一定厚度和长度的 刀头振动沉入地层，之后缓缓拔出并向刀头下注入塑性砂浆，形成单元防渗 板墙。顺次施工一个个单元板墙，并通过专门设计的副刀的工作保持相邻墙 段的衔接，完成均匀连续的振切防渗板墙。 振动沉模法振动沉模注浆防渗板墙技术是利用机械振动，将空腹模板 沉入地层中，在模板内注满浆液，然后再振动拔出模板，形成单元墙体并加 以连接，成为均匀连续的防渗板墙。 板桩墙法板桩墙是通过大型沉桩机械将特制的h 形钢板桩沉入地层， 然后拔出钢板桩，并同时向板桩内注入浆液，形成单元防渗墙体，将一个个 h 形单元墙体搭接再形成连续的防渗板墙。国外板桩墙法技术成熟、先进， 但对机械设备性能要求较高，设备体积、自重较大、价格较贵。 ( 4 ) 高压喷射灌浆防渗墙 利用射流作用切割掺搅地层，同时灌入水泥浆或复合浆液形成凝结体，改变 地层的结构和组成，借以达到加固地基和防渗的目的。该方案形成的防渗墙 体连续，墙体弹模低，适应变形能力强，工程效果好；施工时不需丌槽，可 避免其它截渗方法因开槽出现的塌孔、土层中的孔洞无法夯实等问题；该技 术施工简单，使用人力少，施工工效高，而且工程造价低；适应土层范围较 广，粘土、粉质粘土、砂土、淤泥等皆可施工，其加固深度可达6 0 米。通过 以往高压喷射灌浆试验，取得了一定的经验，且检查、检测防渗效果较好。 1 3 本文的主要工作 第一章前者 1 根据两次地勘资料，确定水库围堤及堤体土质组成，为防渗加固方案 的选择提供依据。并根据地勘资料确定水库围堤及堤体土质组成的同时，也 确定了各段围堤渗透系数，进而确定围堤渗漏严重及较严重的堤段。 2 查阅文献资料，了解平原水库围堤防渗加固的方法，并根据尔王庄水 库地质、渗漏状况、防渗加固工程量、施工难易程度、工程造价等方面对各 种方案进行比较，通过比较确定采用高压喷射灌浆中的摆喷方法为尔王庄水 库围堤防渗加固工程施工方案。 3 通过室内实验研究防渗体组成材料的弹性、粘性及塑性等力学性能指 标。根据尔王庄水库围堤实际状况，要求防渗体既要有防渗作用，又要有一 定的塑性，进而提出加入一定量的膨润提高防渗体的塑性，并通过水库围 堤高喷试验段，确定水泥、粘土、膨润土问的配比，也通过试验表明膨涧土 对防渗体塑性的影响。 4 在防渗加固方案及材料配比确定后开始对工程进行实施，首先，通过 试验确定高压摆喷的技术参数，其次，探索总结高压摆喷工艺施工过程中如 何进行质量控制。 5 工程竣工后，通过测压管及试验对防渗体防渗效果、防渗体的力学性 能进行检测，进而评定工程质量。对防渗体加入膨润土的社会及经济效益进 行分析。 9 第二章尔j ：庄水库用堤防渗加崩方案选掸研究 第二章尔王庄水库围堤防渗加固方案选择研究 2 1 水库围堤防渗与地基加固方法选择的基本原则 在水库除险加固工程中，防渗与地基加固处理方案的选择，主要取决于 以下诸方面。 1 功能性：必须满足加固工程的目的和要求。 2 可实施性：方案的工程规模、有关参数和技术指标，在目| ；i 的技术水 平条件下是可行的。 3 经济性：方案通过技术经济比较和投入产出的分析后，在满足功能性 要求的前提下，工程费用较低，工程概预算能够承受；在确定方案后尚应采 用先进技术，优化方案，合理使用材料。 4 环境和安全性：避免工程污染环境，或使污染最小；能保障围堤结构 和相邻建筑物的安全，保证施工人员的安全。 2 2 防渗方法的选择剀 1 防渗方案的选择，主要应考虑工程的性质和条件，可满足工程防渗的 目的和要求，有一定的防渗标准，工程费较低等因素。防渗标准直接关系到 围堤的安全，以及工程量、工程进度、造价等。 2 围堤防渗是渗流控制处理的一部分，因尽可能符合前堵后排的原则， 以及堤身和堤基渗流控制措施统一考虑的原则，并与渗流控制方案结合在一 起，经技术经济比较后确定。 3 堤身的防渗处理，可采用截渗墙( 薄防渗墙、定摆喷、板桩墙) 和劈 裂灌浆等防渗墙。在防渗体不能和地基防渗措施统筹实施时，可考虑采用截 渗墙方案。 4 堤基的防渗处理，对透水堤基可采用截水槽、截渗墙等作为防渗体。 当采用这两种防渗体时，其材料可采用粘性土、土工膜、固化灰浆、水泥、 水泥砂浆、混凝土、塑性混凝、沥青混凝土、化学制品等；施工可采用人 工开挖、机械丌挖、铺设、冲击钻、回转钻、抓斗、轮铣、射水、锯槽、斗 式、多头钻、定摆喷、灌浆、板桩、搅拌桩等技术；其厚度和设罱方式，应 满足材料允许渗透坡降的要求；其防渗性能、效果，应符合防渗要求和适应 防渗体的布置。 o 第二章尔1 庄水库用堤防渗加确方案选择研究 对于截渗墙，关键是要采用薄墙和廉价的材料才能有效地降低工程造价。 如采用射水、锯墙、链斗、多头搅拌桩、插板等薄墙成槽方式，并使用士工 膜、塑性混凝土、自凝灰浆、固化灰浆等作为墙体材料，其单价为1 3 0 元2 - 2 5 0 元m 2 。定摆喷、板桩墙、搅拌桩造价也较低，其单价为7 0 元m 2 - 3 5 0 元秆。 对于砂卵砾石含量较高、粒径较大的地层，则应考虑采用冲击钻、回转 钻、抓斗、轮铣等成槽方式的截渗墙，其单价为2 0 0 元m l 8 0 0 元m 2 。根据 围堤工程的特点，对这类地层险工段的防渗处理，也可考虑采用单排灌浆帷 幕防渗或劈裂灌浆，并配合其他渗流控制的措施，便可达到一定的渗流控制 标准，其单价为5 0 元m 2 - 1 5 0 元秆。 5 堤基防渗体，应布置在临水堤脚或堤顶偏临水侧，与堤身防渗体有效 连接，并应符合变形协调的要求。 2 3 堤基加固方法的选择 1 首先应分析采用天然地基的可行性，如有可能应尽量采用天然地基。 2 根据建筑物对地基的要求和地基条件，确定需要进行处理的范围和处 理要求。 3 地基处理方法必须满足堤防对地基的设计要求，主要指天然地基经处 理后应能达到的物理力学指标。 4 对天然地基的条件、处理要求、工程费用及材料来源等各方面进行综 合考虑，以确定合适的地基处理方法。 5 地基处理方法原则上定要技术上可靠、经济上合理，又能满足施工 进度要求。通过分析比较可以采用一种处理方法，也可以采用由两种或两种 以上的处理方法组成综合的处理方案。 6 注意节约能源，注意环境保护，避免因地基处理而对地面水和地下水 产生污染，振动噪音等对周围环境产生不良影响。 2 4 尔王庄水库围堤防渗加固方案选择 尔王庄水库堤基主要由於泥质粘土、粉土、粉砂、粘土、粉质粘土组成， 堤身主体主要由粘土、粉质粘土组成。水库围堤局部堤段堤体干密度未达到 设计要求，填筑土不纯夹粉土或砂土，渗透系数偏高，部分堤段达到1 0 1 c m s 。 由于库区地表土层植物根系埋藏较深，清基时不易清除，接触带土层裂隙比 较发育，渗透系数较大，部分堤段达到1 0 一c m s 。尔王庄水库除险加固工程， 第二章尔r 序水库h 爿堤酗渗加嗣方案选择研究 一方面要解决围堤防渗问题，另一方面要解决堤基加固问题，又考虑尔王庄 水库地质情况、现有水工建筑情况、渗漏状况、防渗加固深度、工程量较大、 工期短等因素，“前堵后排”方法不适合尔王庄水库防渗加固工程。“中间截” 防渗加固方法是指垂直防渗，堤防垂直防渗方法有深层搅拌水泥土防渗墙、 置换式塑性混凝土防渗墙( 薄型抓斗挖槽法、射水成槽法，锯槽法、气举反 循环钻进) 、挤压注浆( 振动沉桩) 防渗墙( 振动切槽法、振动沉模法、板桩 墙法) 、高压喷射灌浆防渗墙。 1 深层搅拌水泥土防渗墙一次成墙长度可达1 8 5 0 1 9 5 0 m m ，墙体厚度 2 0 3 0 c m ，每台r 成墙面积可达4 0 0 5 0 0 m = ，工效高。深层搅拌水泥防渗 墙适用于淤泥质土、粘土、粉质粘土、粉土和松砂等地层。施工深度一般在 2 0 m 以内。 2 置换式塑性混凝土防渗墙是通过采用不同的钻掘机械在堤身或堤基 中挖掘槽孔( 或连续的沟槽) ，然后浇筑塑性混凝土或塑性砂浆而成。此方法 在施工中挖槽孔会对围堤松动并需要回填，施工工序复杂，单位造价较高。 在工程量小、透水层深度较大、紧密砂层或卵砾石层、防渗深度不大于2 0 m 、 难工段采用置换式塑性混凝土防渗墙方法达到防渗的目的。 3 挤压注浆( 振动沉桩) 防渗墙是在地层中挤入板桩、模具、刀头等， 然后通过这些器具向地层注入浆液或砂浆，形成防渗墙体。成墙深度一般在 1 8 m 以内，墙体厚度在7 5 1 5 c m 之间。适用地层为砂性土和粒径较小的砂 砾石层。这类方法的最大优点是施工效率高，缺点是在粘性土中造墙时墙体 有缩颈现象。 4 高压喷射灌浆加固地基技术主要适用于第四纪冲积层、残积层及人工 填土等。对于砂类土、粘性土、黄土和淤泥等都能加固。但对砾石赢径过大、 含量过多及有大量纤维质的腐植土喷射质量稍差，有时甚至不如静压灌浆的 效果。对地下水流速过大，喷射的浆液无法在灌浆管周围凝结，无填充物的 岩溶地段，永冻土和对水泥有严重腐蚀的地基，均不宜采用高压喷射灌浆法。 高喷法具有成本较低，施工速度较快，固结体强度大，可靠性高等优点， 与普通灌浆法相比又具有以下特点：高喷法是利用高速水流强制性地破坏土 体形成固结体，在覆盖层中一般不存在可灌性问题；同时由于高速射流被限 制在土体破碎范围内，因此浆液不易流失，能保证预期的加固范围和控制固 第二章尔丁序水库闱堤聃渗加同方案选择研究 结体的形状；能在钻孔中任何一段内施工，也可以在孔底或中部喷射，此外， 也可以水平方向喷射和倾斜方向喷射施工：高喷法通常采用水泥浆液，不会 造成环境和地下水的污染，且耐久性较好；施工噪音较小， 尔王庄水库除险加固工程围堤防渗加固7 2 5 0 m ，堤基主要由於泥质粘土、 粉土、粉砂、粘土、粉质粘土组成，堤身主体主要由粘土、粉质粘土组成， 防渗加固深度在2 2m 以上，要具有防渗与加固双重作用。根据围堤防渗及堤 基加固方法的选择办法，又根据水库现有的水工设施不破坏、渗漏状况、地 质条件、施工难易情况、单位造价、施工速度等，尔王庄水库围堤防渗加固 采用高压喷射灌浆方案。高压喷射灌浆防渗墙形成的防渗墙连续，墙体弹模 低，适应变形能力强，工程效果好；施工时不需开槽，可避免其它截渗方法 因开槽出现的塌孔、土层中的孔洞无法夯实等问题；施工简单，施工工效高， 工程造价相对较低。高压喷射灌浆防渗板墙是近几年来用于松散地层透水 地基防渗处理的新技术，它与防渗混凝土板墙、沉模板墙等垂直防渗构筑物 相比，有着造价低，工艺简单，工期短的优点；而与常规的帷幕灌浆、固结 灌浆等来比，又有着处理效果明显及彻底的优点。高压喷射灌浆防渗板墙在 垂直防渗领域中占有相当重要的位置，其前景广阔。 第三章有关防渗体材料的力学性能指标试验研究 第三章有关防渗体材料的力学性能指标试验研究 一些材料在受到外力作用下很容易产生变形，当然这种变形指的是材料 在变形的同时，材料内部仍然保持连接形式的变形。这种变形可以是弹性、 粘性、塑性的一种或几种形式的组合，许多材料具备这种特性，如橡胶、沥 青、塑料、处于饱和状态的粘土等。这些材料当受到外力作用时，变形往往 很大。有时即使没有多大的外力，依靠自重作用就可以使自身发生形变，这 些材料表现得很柔软。而许多材料就很坚硬、容易断裂，处于干燥状态下的 粘土块、粘土砖、石料、混凝土、铸铁等材料均属于这一类。 3 1 材料的弹性 材料在外力作用下产生变形，当外力撤掉时材料又会恢复原状，材料的 这种特性被称之为弹性4 “。许多固体材料在受到外力作用下，开始总会有弹 性变形，绝大多数构件在正常的服役条件下也都处于弹性状态，材料的弹性 变形一般是原子系统在外力的作用下，离丌平衡位置达到新的平衡状态的过 程。h o o k e 最早研究了弹性变形规律，并通过实验得到材料变形量，见3 一l ： ( 3 1 ) 式中表明：应力与应变是成f 比例的。其中0 为主应力，e 为材料的弹 性模量。每一种特定的材料都有一个相应的弹性模量，不同材料有不同的弹 性模量，e 是表征材料力学性能的一个物理参数，它是材料在弹性范围内的 应力与应变之比。e 值越大，材料的刚性越大，材料越不容易产生弹性变形； e 越小，材料的刚性越小，材料就越容易产生弹性变形。理想的弹性体加载 时立即产生变形，卸载后立即恢复原状，即载荷和卸载变形的变化是完全同 步的。然而实际的工程材料在载荷后并不马上达到平衡值，卸载后也不是立 刻完全恢复原状而