长江大堤加固防渗技术的应用.doc

长江大堤加固防渗技术的应用摘要：本文主要就监利洪湖段长江干堤的出险情况，对该堤段乃至荆州至武汉段所采用的防渗措施进行了探讨。对超薄防渗墙、液压抓斗开槽建墙法、钢板桩防渗、SMW工法等防渗方法等防渗新技术的原理、施工方法及程序、优缺点以及适用范围进行了总结。关键词：堤防 加固 防渗技术 一、 概述 长江荆州至监利段，建有182.5的荆江大堤。1949年以来，党和政府十分重视荆江大堤的建设，先后经历了五次大规模的加固培修。在1998年的大洪水中，荆洪大堤安然无恙。长江监利至武汉段长约 300，其中监利至牌州长约 225.89km，简称监利洪湖段，该堤段自下而上地面高程28-25m。监利洪湖段河势特别复杂，堤防标准偏低，堤身质量差，渗漏、管涌、塌陷等险情层出不穷，溃口风险大，抢险成本也大。 该段长江干堤的形成是在原有堤防上加培起来的，由于历史条件的限制，施工无严格的质量控制，填土质量难以保证，加之动物活动穿挖的洞穴，堤身质量较差。如1996年汛期，由于持续高水位浸泡，洪湖周家咀因白蚁洞穴而导致堤身严重塌陷，出现重大的溃口险情。1998年该段干堤也出现了多处险情，据统计，1998年共发生险情929处，其中管涌159处，463个，最大管涌直径1.8m，清水漏洞242处，364个，浪坎26处，内脱坡4处，最大脱坡长度250m。 自98大洪水以后，国家投入了大量资金进行堤防建设。5年来，湖北省先后从国外引进沉桩超薄防渗墙成墙技术、钢板桩防渗技术，高喷灌浆造墙技术、GPS卫星定位等多项新技术。这些高新防渗技术、材料的应用，告别了以往对堤防基础无力处理的窘境，解决了长期困扰湖北防汛的砂基堤问题。 洪湖监利长江干堤堪称堤防高新技术的“试验田”，先后运用了垂直铺塑、振沉板桩防渗等5类20多项高新技术。二、监利洪湖段长江干堤地基情况 洪湖、监利长江干堤均修筑在长江冲积平原或高漫滩上，根据砂层分布，地基土层可分为单透水层和双透水层结构。 单透水层结构堤段，上覆粘性土层厚度多在5m左右，部分段较厚，主要为壤土、粘土和粉质壤土，局部夹淤泥和砂壤土，下部为粉细砂，钻孔揭露厚度5-25m。 双透水层结构堤段，表层一般有2-27m粘性土层，中间0.2-5m的粉细砂或砂壤土，其下分布有相对隔水的粘性土层，相对隔水曾以下为深砂层。三、调查段施工前重点险情统计及出现原因分析险情类别 发生地点 桩号 出险位置 地址概述 险情简介管涌 三支角 574+780-+790 距堤脚20m平面上 堤外滩宽，上覆土层薄，粘性土层岩性，以壤土、砂壤土为主，土层厚度小于5m 20m2内5孔0.05-0.08m多次南河口 589+000-+700 距堤脚30-260m水田与塘中 8处34孔0.01-0.8m最大1孔7.5m险情多次姜家门 547+400 堤内脚 三处0.01m险情，最大0.1m薛家潭 571+180-+900 距堤脚120m引河及塘内 距堤40-43m，130-180m两处集中，共8处22孔0.01m-0.15m套口 458+540-+580 距堤内脚26-29m压台边 堤外滩窄，上覆土层厚度小于5m 5个0.05-0.15m外脱坡、裂缝 458+720 堤外坡 32.00高程处裂缝纵长30m，宽0.01-0.05m，深0.3-0.4m内脱坡 青山垸 485+400-650485+493-508 堤内坡 堤外滩宽，上覆土层较厚 高程32-362m出现裂缝宽0.01-0.02m纵向长250m485+493-508 长15m，形成吊坎0.2-0.3m最大缝宽0.08m，缝内有水各管涌产生主要由于砂层埋藏浅，当堤内外水位差较大时，地下水顶穿沟、塘等薄弱处形成集中渗流而形成的。外脱坡、裂缝主要由于江水顶冲，掏刷岸边引起河岸基础发生变形而形成的。内脱坡由于堤内脚由于水的浸泡而软化形成的剪切破坏造成。四、 解决险情的工程措施 近年来防渗新技术开始逐渐应用于国内的各大工程，如武汉市丹水池堤段采用了SMW工法，监利县三支角、南河口堤段采用了超薄防渗墙；监利县姜家门堤段采用了液压抓斗开槽建墙法；荆江大堤观音寺闸、洪湖燕窝段采用钢板桩防渗；洪湖套口段采用了振沉板桩法防渗。 在选取典型堤段做了详细的调查后，我们对若干防渗新技术的适用环境、施工工艺等方面有了全面的了解。（一）超薄防渗墙法（三支角、南河口段） 超薄防渗墙为引进德国宝峨公司技术。监利县长江干堤南河口、三支角段于99年4月2001年8月共实施了3.9公里的超薄防渗墙实验工程。2001年5月，长江委又在监利县薛家潭堤段进行了300余米的生产性试验，效果良好。 位于监利县尺八镇西南4公里处，干堤桩号587+500-590+800，3.3公里堤段外平台处，墙轴线距外堤脚5m，设计墙深6.8-20.0m，墙厚7.5厘米，墙体由水泥、石粉、膨润土加水拌成的浆液，每方浆液水泥120公斤，石粉600公斤、膨润土60公斤，水715公斤，要求抗压强度4.0kg/cm2，抗渗系数小于10-7cm/s，允许坡度1/200。三支角位于尺八镇以东10公里处，干堤桩号 573+150-573+650，长500m，设计墙深8.7m；574+400-575+300，长900m，设计墙深6.3m，墙厚8cm。 1、技术特点 1）墙体浆液所用材料和配比与国内不同。超薄防渗墙体为浆液，所用材料为水泥、石粉、膨胀土、，其中主要成份石粉代替了国内贯用的砂、石子。此浆液质量稳定，流动性好，可确保墙体连续性。 2）自动化程度高，质量控制措施多，工程质量容易得到保证。浆液拌制采用全自动控制系统，只需按设计配合比的各材料用量在键盘上设定即可；主机控制垂直度的手段多，而且操作灵活，有利于确保墙体连续封闭不开叉。 3）工艺流程合理，H钢梁有效的翼缘可确保前提连续不开叉。与国内造孔设备不同，在H梁和底靴两侧有400mm宽的翼缘，在造孔过程中如果发生中心偏差和垂直度过大造成防渗墙底部开叉，由于翼缘存在，大大增加了搭接宽度，因此防渗墙还是连续封闭不开叉的。 4）设备配置完善、合理，功率大，功效高。由于拌和站采用自动控制系统，浆液生产能力大，为10m/h，完全满足主机造孔需要；为防止浆液分离，还配备了二次搅拌装置，质量容易保证；振动锤配有专门动力源，比国内一般振动锤大一倍，其功率大，造墙速度快（比国内设备快45倍），适应能力强（能在粘土层、砂土层、砂砾石土层中施工）。 2、施工程序介绍 为确保墙体均匀性、水平、垂直连续性，应按以下的程序进行施工： 5）在墙体轴线施工范围内首先用推土机平整场地，达到初步平整 6）在墙体轴线上按直线或者折线开6060厘米浆沟，浆沟起导向作用和储存部 分浆液流入槽孔成墙，同时将多余的浆液存在浆沟内不外溢； 7）在初步平整的地面上构筑主机操作平台，要求坡度不大于1.0度。平台可用枕木或路基钢板加垫。枕木或路基钢板加垫后，扩大了主机履带与地面的接触面积，减小接地压力，确保主机在工作中不因地基沉陷变形影响槽孔偏差。 8）在每桩开始前主机手检查导架X、Y轴是否处在0位置，即确保H梁沿垂直的导架振入地层成糙孔； 9）与前一桩重叠长度根据墙深度的不同控制不小于10-4厘米，中心偏差不大于2厘米，在前桩施工超过一天以上，重新施桩时重叠长度30厘米左右； 10）以上程序正确无误后，H梁靠振动锤到设计深度成槽孔，并在振动成槽过程中诸如一定的浆液以保证喷浆管不发生堵塞； 11）H梁达到设计深度后，起拔H梁，同时注入浆液，控制注浆压力，流量以及H梁的起拔速度，保证槽孔内充满浆液。 3、工程质量控制 1）原材料、浆液质量 浆液配合比有德国慕尼黑大学国家实验室确定。为控制浆液质量，工地设置了实验室，每班三次检测浆液的PH值、比重、泌水率、粘度。检测试块的抗渗系数35组，最大值9.3510-8cm/s，最小值1.7210-8cm/s；检测抗压强度32组，最大值19kg/cm2，最小值6.4 kg/cm2。三支角检测抗压试块9组，最大8.4 kg/cm2，最小4.2 kg/cm2；检测试块的抗渗9组，最大值9.5710-8cm/s，最小值3.510-8cm/s。以上检测都满足设计要求。 2)墙体质量控制 液压振动锤将连接在H梁底部符合设计墙厚具有喷浆嘴的底靴垂直振入地基中，并达到设计墙的深度，然后起拔H梁同时通过注浆管将按设计配制成的浆液经浆液输送泵加压后注满槽孔成墙。为确保成墙的连续要求，第一严格控制注浆压力，注浆流量与H梁起拔速度，每一槽孔工作时间、孔深、注浆压力、注浆流量、注浆量由打印记录表格显示。第二为确保槽段与槽段搭接不开叉，即墙体的纵向连续，要求第二单元的槽孔与第一单元的槽孔重叠长度不小于10-4厘米，并要构筑坚实平整的主机操作平台，确保主机在操作全过程中一直处在平整平稳坚实的地基上，同时在每一桩开始前将控制导架垂直的XY轴调整到0位置。这样就能保证振入地层成槽孔的H梁沿垂直的导架垂直振入地层成槽孔，经注浆后形成的墙体必然是垂直不开叉。第三在H梁翼缘部前沿设有一宽25厘米的导向板，增加两墙体之间的连续性。 3、优点、先进性及适用范围 超薄防渗墙法工程具有如下优点： 1） 脑监测施工全过程，操作简单，施工进度快； 2） 质量可靠，材料用量少，成本低； 3） 施工速度快、工期短； 4） 适应能力强，使用范围广等优点； 5） 墙体较薄且具柔性，可适应微小变形； 该法适合我国堤防、水库等防渗工程。（二）液压抓斗开槽建墙法（姜家门堤段） 中国水电基础工程局于1998年汛后在监利县姜家门堤段和黄州长孙堤实施薄型混凝土防渗墙，采用了液压抓斗开槽建墙工程，成墙深度为1830,成墙厚度为30。姜家门防渗墙工程桩号547+000-548+000，长度1000m，属国家二级堤防。该工程采用中国水利水电基础工程局最新实验成功的，设计墙厚0.3m，深18m，墙体全长1000m，墙体轴线距堤外脚1.0m，墙顶高程31.00m，墙底高程13.00m，墙体材料为柔性混凝土（R28=2.0MPa）抗压强度不小于2.0MPa，弹性模量200-1000 MPa，渗透系数不大于110-7cm/s，墙体总面积18000m2。实际完成墙体面积18086.124 m2，浇筑混凝土7470.47m3，平均孔深18.09m。 1、基本原理 该法是利用改进的液压抓斗形成薄壁槽孔，并在施工形成的槽孔内，灌注或铺设防渗材料，从而形成连续的防渗墙（刚性或柔性）。一般先分序(序，序)施工成槽,然后浇筑砼连成一体。 2、施工方法及程序 液压抓斗开槽分段建墙法的施工方法是用-300型液压抓斗造孔,槽孔抓取时一般使用膨润土或粘土泥浆护壁以防槽孔坍塌,槽孔分成间隔的、期槽孔。在期槽孔成槽后,将接头管置入槽孔两端,依据初凝时间,浇筑混凝土的速度、气温等因素,确定起拔时间,全部拔出后形成接头孔,等期槽孔浇筑时,混凝土嵌入期槽孔形成连续墙。成墙28后,渗透系数2.0。 具体施工程序如下： 1) 沿防渗墙轴线修建施工平台，为防止孔口坍塌，增强孔口稳定性，并控制轴线偏差，沿轴线修建宽40cm的导向槽。导向槽为C10混凝土，厚30厘米，高50厘米，底部铺2根12毫米的钢筋。 2) 顺导向槽分段抓取成槽，在抓取的过程中采用泥浆固壁，分别在547+650-547+185处堤顶外侧修建两个储浆60立方米的泥浆站，用PN泵向槽孔送浆泥浆用湖南澧县产的二级钙基膨润土和湖北宜昌产的纯碱加水配制。 3) 在清孔验收合格的槽空进行混凝土浇筑；浇筑一期槽孔时为保证一期槽孔与二期槽孔的搭接厚度，在一期槽孔两端下设外径305毫米的接头管直至孔底，混凝土初凝后拔出接头管；在浇筑二期槽孔时，用钢丝刷刷洗一期浇筑的混凝土墙上的泥皮，以保证一、二期槽孔间的搭接。 3、工程质量控制 为保证墙体有效的搭接厚度，施工中采取“接头管”法进行槽段连接的措施。 4、优缺点及适用范围 1） 本方法抽槽后混凝土防渗墙墙体连续,防渗墙整体性好； 2） 本法适应性较强,适用于任何地层,深薄较大(达40),施工效率较高； 3） 本方法工效较低,成墙速度较慢,每台班造墙不足1002； 4） 造价比较高,单位面积造价为250元左右。 5） 墙体容易出现分叉现象。（三）钢板桩防渗墙技术 将钢板桩用作堤防工程的基础防渗处理，我国是在98年以后才开始应用的。 荆江大堤观音寺闸堤段和洪湖长江干堤燕窝堤段分别实施长1和1.2的钢板桩防渗墙工程。 荆江大堤观音寺闸堤段桩号为740+342741+288；防渗墙采用-型钢板桩，钢板桩长度(防渗墙深度)为820。洪湖长江干堤燕窝堤段桩号为431+000429+786。钢板桩轴线总长1201.05。根据相对不透水层的不同埋深，采用和两种规格的钢板桩，长度分别为14、17、193种。 1、基本原理 钢板桩防渗工程，就是将钢板桩打入堤基透水层下的相对不透水层中，拦截透水层的渗水，形成半封闭或全封闭的防渗墙，从而起到堤基防渗作用。 2、施工工序及方法 钢板桩防渗墙施工工序为先开挖施工平台、安装施工桩架，再将20m长的FSP-A和FSP-B型钢板桩逐根检查，对锈蚀、变形的应及时调整，以减小板桩锁口的阻力。为了防止钢板桩倾斜，在一根打入后，把他与前一根焊牢，而且可以避免先打入的板桩被后打入的板桩带入土中，以保证钢板桩墙防渗效果。 3、质量技术控制 钢板桩施工技术关键是要从以下几方面加以控制。 (1)钢板桩的倾斜度控制。钢板桩插打是单根法打入，上部处于自由状态，下端靠锁口连接，由于受力状态不同，下部阻力大于上部，钢板桩施工中上部有向前进方向倾斜的趋势，当倾斜度超过2%时，钢板桩则难以继续施工，施工中要控制倾斜度在1.5%以内，超过1.5%要下入异形钢板桩进行纠偏。施工中控制方法有上下振动纠偏法、反向预留倾斜度法，上部反向作用力法，下端开斜面反力法，顶端斜夹振动法等。根据施工情况各种控制工法可单独使用或综合使用。 (2)钢板桩的合拢控制。钢板桩施工中，大多是二三台机组同时作业，就存在12个合拢口，合拢口控制不好则合不了拢，形成渗漏缺口。要控制合拢口附近1020根钢板桩的垂直度，准确测量合拢口宽度，合拢口特形钢板桩加工前要作试焊试插，保证试插特形钢板桩上下滑动自余。然后根据试插情况正式焊接合拢特形钢板桩。 (3)异形钢板桩弯曲度和翘曲度控制。异形钢板桩上部窄下部宽，其目的是为了减少倾斜度，保证钢板桩顺利插打。若加工的特形钢板桩弯曲度和翘曲度控制不好，不仅不能纠斜，反而会使法向倾斜度变大。导致轴向倾斜度变大，控制方法有定位法，余留后切割线法，间隔焊接法和水火校正法等。 (4)钢板桩振动频率控制。对不同岩性(砂性土或粘性土)，其阻力是不一样的，粘性土阻力较大，砂性土阻力较小，若钢板桩进入粘性土深度较大，要保证钢板桩顺利插入，须使用高频冲击，要增大振动频率；在砂性土中插打，阻力较小，为提高插入速度，须增大振幅。为使钢板桩施工处于文明、受控和有序的状态，钢板桩施工组织设计还必须同其它施工组织设计一样，制定一套完整的质量保证体系，加强现场质量管理，进行文明施工和安全生产。这样才能保证钢板桩施工项目优质按期完成。 4、优缺点及适用范围 采用钢板桩进行堤基防渗加固处理，具有处理深度大、防渗效果好、施工时对相邻建筑物影响小、施工速度快等优点，但工程总体造价较高。钢板桩施工技术性要求高，只有严格控制轴向和法向倾斜偏差，才能使钢板桩顺利打入，保证防渗墙顺利合龙。 该法适宜堤基强透水层不很深厚的堤基防渗加固，可治理堤基渗漏破坏引起的险情。对于较重要的基坑支护、防冲工程、边坡治理及长江堤防的险段加固等,该法不失为一种可靠、高效、简便的施工技术。(四) 工法造墙 SMW工法为日本所研制，它是土（Soil）和水泥浆在原位置混合（Mixing）建造挡土防水墙（Wal）技术的简称，也叫柱列式土壤水泥墙工法。该法是基于深层搅拌桩施工方法发展起来的一种新型围护结构，该法是利用特制的搅拌机械，以水泥浆作为固化剂，在土层中强行与软土拌和，使被加固土硬结成水泥土桩，并按一定形式将H型钢插入搅拌桩中，从而形成一种劲性复合围护结构。 武汉市丹水池堤段(桩号50+02352+053)曾由中国一冶公司实施了SMW工法造墙，成墙深度为11.6米，成墙厚度为40厘米。 1、基本原理 SMW工法的原理是用具有削孔与混合搅拌功能的多轴型钻掘搅拌机在工程现场向一定深度土层进行钻掘，用同时在钻头处喷出水泥浆与地基土反复混合搅拌，固化后形成连续的墙体。此种多轴式钻孔机沿连续墙构筑方向有复数的搅拌轴并列,而且搅拌叶片之间有一部分相互重叠,因此横方向的连续性是很高的。 2、施工方法及程序： 1） 用三轴型钻掘搅拌机在工地向一定深度地层进行钻掘至一定深度； 2） 达到预定深度后，边提钻边从钻头端部注入水泥浆，与原土壤进行混合搅拌，在原位置上建成一段土壤水泥墙； 3） 进行第二段墙的施工，并使相邻的土壤水泥墙彼此有重合段。然后依此类推，连续施工即可造成地下连续墙。 4） 水泥土结硬后，便形成一道具有一定强度和刚度的连续完整、致密无接缝的SMW地下连续墙。 此法要求各施工单元之间采取重叠搭接施工。该法成墙28天后，防渗系数K5兆帕。 3、工法的特点及适用范围 工法具备以下优点: 1） 工法防水性好，施工深度大，施工费用低廉； 2） 并且由于可利用形钢等作为加强梁,不需要高强度的土壤水泥； 3） 与通常的地下连续墙工法相比, 该法产生残土少，工期相对较短且低振动,低噪音。但是，此法施工设备为进口，价格昂贵。该法适用于砂土、壤土或粘土土层，除在江河堤坝中做防渗墙外,该法亦应用于软弱地盘中进行的地下掘削工事造挡土墙防水墙,还可以在解决土壤液化方面也被应用。（五）振沉模板防渗墙法交通部第二航务工程局在洪湖套口(桩号458+000458+800)实施的振沉板桩成墙深度为18