堤防工程基础防渗成墙技术研究

堤防工程基础防渗成墙技术研究

1石堤的加固漳州位于九龙河下游的冲积线上，地势平坦。为了满足城市建设、环境管理、土地利用和经济发展的需要，区政府决定对江滨路进行建设。江滨大道位于九龙江西溪下游北岸,为集休闲、观光、旅游、交通功能于一体的城市次干道,线路总长为11.32km,其中从洋老洲到草寮尾的石堤段长为2.221km,路幅宽度为50m。由于现有石堤的位置和结构无法适应城市发展要求,因此有必要结合江滨大道的建设对原有的石堤进行改建,改建后的防洪堤上游与康山土堤衔接,下游与下洲土堤衔接。改建石堤长为2.221km,属一级堤防,设防标准为百年一遇,设计洪峰流量为7380m3/s,设计洪水位从洋老洲的12.36m高程变至草寮尾的11.11m高程。拟建的防洪堤采用C25钢筋砼悬臂式防洪墙,堤顶高程为百年一遇设计洪水位,再加上安全超高值2m,堤身高度为7.50m。沿线与排水工程和南北道路交叉处,设置水闸2座及旱闸4座。作为建设防洪堤的基础工程,防渗墙应先行施工,才能保证石堤段改建工程能按时完成。本防洪堤基础防渗墙于2006年6月28日开工,2007年4月24日竣工,实际完成防渗墙总长为2040.881m。2水库建设的地质条件和评价2.1龙江东南角水系工程区地处九龙江西溪下游冲海积一级阶地,北岸为市区,民房建筑密集,南侧临江,沿江地势较平坦,地面高程为6.0～7.8m,九龙江西溪河水由北西流向南东,河床比降缓,平水期水流平稳。2.2砂体及沉积相根据勘察资料:堤基地表杂填土广布,下伏冲洪积、海积地层,基岩为燕山晚期侵入的花岗闪长岩,各岩土层的特性及分布如下:1)杂填土(Qs4s4):成份较杂,上部多为泥质粉细砂、粘性土夹杂较多的建筑垃圾(砖瓦、块石)和少量生活垃圾,下部为粉质粘土、粘土、泥质粉细砂夹少量砖瓦碎块和生活垃圾,压缩性强,分布广泛,上游厚为5.0～6.0m,下游厚为0.6～2.0m。2)由泥质粉细砂、中砂、粉质粘土、淤泥(Qal-m4al−m4)等亚层组成,各亚层厚度均较薄,局部分布。其中:粉细砂、中砂为松散可液化土,层厚为1.8～4.0m;粉质粘土呈软塑～流塑状态,具中等～高压缩性,层厚为0.5～2.2m;淤泥呈流塑状态,具高压缩性及触变性,层厚为0.2～2.5m。3)粗砂(Qal4al4):颗粒组成以粗砂为主,局部含较多中砂,含泥,分选性差,上部颗粒较细,层中常夹有薄层淤泥和粉细砂层,密实程度变化较大,松散～稍密为主,堤基均有分布,层厚为3.0～9.10m,该层为可液化土层。4)淤泥(Qm4m4):呈流塑状态,具高压缩性,主要分布于上游洋老洲,厚度为1.85～4.70m,向下游渐薄,至桩号0+400m处尖灭,下游1+600～1+940m厚0.4～0.1m。5)粉质粘土(Qpl3):局部为粘土,可塑～软塑,厚度为2.0～7.0m,变化较大,桩号1+150m以下均有分布。6)粗砂(Qal3):上游段含少量卵砾石,中间段含量增多,为20%～30%,下游段颗粒变细,以细中砂为主,含少量砾石,稍密～中密,上游连续分布,厚度为4.0～6.0m,下游较薄,厚度为1.0～4.0m,断续分布。7)砂卵石(Qal3):卵石含量>50%,粒径为20～50mm,成分为侵入岩,火山岩,磨圆度较好,骨架充填粗砂、砾石及少量泥,中密状态。主要分布于堤区的中下游,厚度为0.5～6.0m不等。8)全风化花岗闪长岩(γδ2(30)b5):硬塑～坚硬状态,风化剧烈,呈砂质粘土或粉质粘土性状,岩面稍有起伏,厚度较大。各岩土层的分布特征见图1(图中渗透系数K值单位为m/d)。2.3地层构造及裂隙发育工程区内无基岩出露,地表均为第四系地层覆盖,对断裂构造的研究较难,钻探中亦未发现明显的断裂构造,仅发现基岩中裂隙较发育。根据区域地质资料,工程区位于靖城—大溪和角美—大布北东向折断带之间,受其影响,北东向断裂和与其相伴生成的横张断裂(北西)发育,温泉的出露与其关系密切。2.4砂坝堤基各岩土层透水性分析工程区临河,地下水位比河水位略高,埋藏较浅。含水层为全新统粗砂层和上更新统粗砂、卵石层,延伸远至河床,与河水联通,虽然地下水向河方向排泄,但地下水位受河水位的影响较大,九龙江水位的升降,控制着地下水位的高低。堤基杂填土的不均匀性,导致其渗透性差异较大,具弱透水～中等透水;砂类土具中等透水;卵石层具强透水。全新统和上更新统的其他粘性土、淤泥等,具弱透水～微透水,但土层厚度薄、不稳定、延伸范围近,只能在局部起隔水的作用。根据勘察时现场钻孔抽、注水试验及室内土工渗透试验,堤基各岩土层的渗透系数见表1。由上述堤基工程地质条件可知:堤基含水层埋藏浅、分布广、厚度大、透水性强,含水层延伸至河床,地下水与河水连通,水力联系密切。表层杂填土呈:①不均匀,透水性的差异大;②层土层薄,又断续分布,二者不能形成一整体的隔水层,外江水位高时,地下水位也相对升高,在堤内将会穿过薄弱部位涌出地表,产生堤基渗漏及管涌变形破坏,旧的石堤在历年的运行过程中,部分堤段在外江洪水位高时堤内经常出现冒水、涌砂等险情即为佐证,故需对堤基进行防渗处理。本工程设计采用垂直防渗措施(即建造防渗墙)。3抗渗墙施工方案的选择针对本工程堤基地层分布情况可采用的防渗墙建造技术,主要有振动沉模、射水法、液压抓斗、高压喷射注浆等4种防渗墙建造方案可供比选。3.1振动沉模型及防渗墙技术1水泥砂浆墙体防渗墙施工利用振动锤的强大垂直激振力,将空腹模板沉入地层,随即向空腹板的腹内管道注满浆液,当振动模板提拔时浆液在浆泵高压作用下从模板底端注入槽孔内,边拔槽边注浆,随着模板的提出,自下而上形成了一道水泥砂浆墙体,由于相邻墙体连续作业,最后形成了一道连续的防渗墙帷幕。2喷门喷射法施工先用振动锤将矩形的钢模板振入地下,达到设计深度后停止。用3PN立轴泥浆泵使水泥浆通过高压管输送到钢模板,经模板底端处特别设计的喷门喷出。一边灌浆,一边缓慢提升钢模板,直到完成全板灌注。它采用两块模板联合施工工艺,通过特殊的构造,先已沉入地层的模板成为后沉入地层模板的导向板,两块模板呈现板板相扣的作用,保证了各单板体在一个平面内紧结合成墙。墙体两侧土体经板层压缩后,与墙体一同起防渗作用,防渗效果好。振动沉模防渗板墙技术成墙效率较高,每天可造墙200m2以上,12cm墙厚每平方米造价为250元左右。3墙体和基础质量①工艺简单、易于操作;②技术先进,自动化程度高;③集造槽、导向、护槽、灌注、振捣等多功能于一身;④质量可靠,形成的板墙垂直连续、墙面平整、厚度均匀,墙体纵、横向均无开叉;⑤采用振动造墙由于在施工中会存在振动效应,在施工区2m范围内为最大,10m以外无感觉;⑥该项技术施工过程中振动引起的噪音较大。该技术适用于粘性土、砂性土、砂砾、淤泥质土的堤防和基础,墙厚为8～25cm,目前设备的有限深度在20m内。对于防渗墙深度要求超过20m的,可以在20m以上部分采用振动沉模板墙,下部采用高压喷射注浆的综合技术。3.2射水法施工防渗透墙技术1含钻渣废浆的排放通过高压泥浆的射流冲切地层,并加上成型器的上下冲击的辅助作用建造槽孔,所形成的含钻渣的废浆可用正(反)循环排出槽外。槽孔达到设计要求时一般使用膨润土或粘土泥浆护壁以防槽孔坍塌,随后采用常规的水下混凝土直管浇筑法,建成混凝土或钢筋混凝土单槽板,利用成型器侧向特殊装置,将单槽板连接成地下连续的混凝土或钢筋混凝土墙。2二序孔方法为保证墙体有工程质量和施工的顺利进行,对槽孔的施工要求,采用一、二序孔方法进行。即先进行一序孔的建造,槽孔开挖后,即进行混凝土浇筑,然后进行二序孔的开挖和混凝土浇筑,循序渐进,直至全部完成。两序槽孔联结成一个完整的防渗墙。3缩孔现象的施工①优点是设备投资少、操作简单、造价适中,单位面积造价为290元左右;②主要缺点是墙体可能有开叉、缩孔现象,墙段短(2m),接缝较多且为平接;③本方法工效每天可造墙90～120m2。该技术适用于粘性土、砂性土、淤泥的堤防基础防渗,砂砾石层粒径小于10mm,含量在20%左右的地层尚可使用该工法施工,但粒径大于10mm的砂砾石层不适用。墙厚为22～45cm,成墙深一般在30m以内。3.3平板开挖技术1槽孔内的防渗利用锥瓣直接抓取砂土、砂砾石和块石的冲抓斗钻进形成薄壁槽孔,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(I序,II序)施工成槽,然后浇筑混凝土连成一体。2槽段连接方式液压抓斗开槽分段建墙法的施工方法是用WY-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Ⅰ、Ⅱ期槽孔。在Ⅰ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Ⅱ期槽孔浇筑时,混凝土嵌入Ⅰ期槽孔形成连续墙。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。成墙28d后,渗透系数K<10-7cm/s,抗压强度Rc>2.0MPa。3成墙及墙体质量①本方法抽槽后混凝土防渗墙墙体连续,防渗墙整体性较好;②造墙深度较大可达40m以上;③本方法工效较低,成墙速度较慢,每天造墙70m2;④造价比较高,30cm墙厚单位面积造价为400元左右;⑤墙体可能有分叉现象。本技术适应性较广,可适用于粘土、粉质粘土、黄土及砂砾石等多种不同地层条件,包括一定含量和粒径的砂卵石层、密实的砂土层均可适用。3.4高压下喷砂浆技术1喷射管的对比利用高压水或高压浆液形成高速喷射流速,冲击、切割、破碎地层土体,并以水泥基质浆液充填、掺混其中,边提升喷射管边喷射浆液,待浆液凝固后形成桩柱状或板墙状的固结体,以达到防渗的目的。在提升和喷射过程中,喷射管有旋转、定向和一定角度的摆动等3种喷射方式,故有旋喷、定喷和摆喷之别。高压喷射注浆主要有切割搅拌、升扬置换、充填挤压、渗透凝结及位移包裹等5种作用。2高压系统的喷序注浆孔一般分二序施工,I序、Ⅱ序孔的施工时间间隔应大于24h,使I序孔在喷射后,其凝结体达到一定强度,然后再喷Ⅱ序孔,这样凝结体才能形成切割式或焊接式连接。施工机具由高压发生装置、钻机、特种钻杆和高压管路4部分组成。主要包括:钻机、高压泵、空气压缩机、注浆管、喷嘴、流量计、输浆机、制浆机。工艺流程为:定孔→造孔→高喷台车就位→地面试喷→下注浆管→始喷→提升、旋转、摆动→回浆→终喷→提出注浆管→人工回填→管路冲洗→高喷车迁移。3防渗墙体积比①高喷注浆具有固结体强度大、水泥灌浆不会造成环境和地下水污染,且耐久性较好等优点;②适用范围较广,施工速度较快;③缺点是造价比较高,单位面积造价为400元左右。该技术适用于粘性土、砂类土、砂砾石、淤泥质土与卵碎石等土层,适用范围较广。根据上述分析比较:本工程堤基杂填土厚度较大,成分较复杂,含有粒径较大的砖瓦、块石,不宜采用射水法建造防渗墙;液压抓斗法施工速度慢,造价较高,墙体可能会分叉;而振动沉模法具有施工速度较快、造价较低、成墙质量可靠等优点,因此从安全和投资等方面考虑,决定采用振动沉模建造悬挂式防渗墙,防渗墙位置选在基础底板上游侧,墙厚为12cm,墙深为13.3m,与建筑物连接处采用高压摆喷防渗墙过渡衔接。防渗墙与钢筋砼防洪墙的相对位置见图2。4防渗透墙设计参数4.1防渗墙墙体材料1)防渗墙渗透系数K<1×10-7cm/s,渗透坡降Jmax>500;防渗墙厚度采用12cm。2)防渗墙抗压强度采用4MPa,弹性模量采用4×103MPa。3)防渗墙墙体材料采用水泥粉煤灰砂浆。4)砂浆初凝时间应不小于4h,终凝时间应不小于36h。4.2高压摆喷布孔施工1)防渗墙渗透系数K<1×10-6cm/s,抗压强度采用4MPa;成墙的最小墙厚不小于8cm,平均墙厚不小于16cm。2)高压摆喷采用三管法施工,单排布孔,灌浆孔距采用1.5m,连接采用交叉折线形,喷射方向与轴向的夹角为20°,连接角度为140°。布孔施工时可按由疏至密的原则,分序施工,先喷一序孔,再喷二序孔。3)防渗墙墙体材料采用水泥浆,水泥采用强度为32.5级的普通硅酸盐水泥。5高压摆喷防渗墙体结构设计本工程地质条件较复杂,防渗墙在实际施工过程中,当遇到条石、旧房屋基础及管道等障碍物时,振动沉模无法施工,经设计变更为高压摆喷施工。实际共完成振动沉模防渗墙轴线长度为935.387m,总工程量为12729.98m2;高压摆喷防渗墙轴线长度为1105.494m,总工程量为9719.68m。1)基础防渗墙随机挖坑检查11处,开挖揭示:振动沉模防渗墙连续紧密,无裂缝,无开叉,墙体表面平整;高压摆喷防渗墙连续性、完整性较好,墙体表面较粗糙;振动沉模及高压摆喷防渗墙间的搭接较好,堤基一道连续的防渗帷幕已形成。2)振动沉模墙体取样26个,墙体厚度最小值均大于12cm,平均墙体厚度为22.06cm,超过墙体设计厚度大于或等于12cm的要求;高压摆喷墙体取样22