浅谈防渗与加固处理技术在水利工程中的应用

浅谈防渗与加固处理技术在水利工程中的应用

1原设计及施工结果哈达山水库防护堤长12公里。该层主要由中砂层、粗砂层、细砾层和砂砾卵石层组成，包括少量粘土层和粘土粘土体，透水性强。其中12.5～14.5m砾质粗砂层饱和，中密；14.5～15.5m细砾层饱和，中密～密实，其中卵石有局部集中现象；15.5～16.8m的砂砾卵石层，密实；以下为灰绿色粉砂质泥岩，泥岩上部0.9～3.9m为全风化状态，以下20～30cm为强风化状态。防护堤防渗工程原设计防渗方案为深层搅拌防渗墙，防渗工程量21万m2，墙体平均深度为17.5m。原设计防渗墙技术指标为：墙体无侧限抗压强度不小于1.0MPa；渗透系数不大于i×10-6cm/s(1≤i≤5）；渗透破坏比降不小于100；设计允许渗透比降为50；成墙最小厚度（有效厚度）不小于200mm。施工前进行地质复勘，并多次进行工艺验证性试验。地质复勘结果表明，地层厚度划分与设计划分相当，但密实度较大，特别是12.5m以下标贯击数较高。在地质复勘的同时也进行了工艺性试验，采用不同功率的设备分别在不同施工区段共进行了3次工艺试验，试验结果表明：在地层深度12.5～14m进行深搅时设备明显“吃力”，搅拌头磨损严重，搅拌轴也发生扭曲，设备故障频频发生，施工连续性差，截渗墙质量难以保证，14m以下桩机无法搅拌。为解决上述问题，经多次研究讨论，确定采用高压摆喷、深层搅拌复合体截渗墙方案施工。方案确定后，在施工现场进行技术验证性试验论证与实施。2深层搅拌水泥防渗墙墙体设计深层搅拌防渗墙作为一种新型防渗结构体，墙体结构简单、成本较低，施工速度快。深层搅拌防渗墙一般墙厚20～40cm，墙深一般不宜超过18m。适用地层为淤泥、壤土层、粉质粘土层以及砾石含量少且最大粒径不超过2～4cm的砂砾石层等地层密实度较小，允许深搅设备能够充分搅拌的地层。深层搅拌水泥防渗墙施工是采用深搅桩机，以一定的推动力使钻杆的钻头向土层中推进并搅拌土体到设计深度，然后提升搅拌至孔口。在下沉和提升过程中，通过泥浆泵将水泥浆由高压输浆管输进钻杆，经钻头喷入土体内，在下沉和提升同时，水泥浆和原状土充分拌和，形成具有一定强度和抗渗能力的固结体。搅拌桩机有六头、三头、两头、单头，具体视地层条件和设计墙体参数选用可行的设备类型。其成墙工艺主要包括搅拌下沉、喷浆提升搅拌、二次搅拌下沉、二次提升搅拌。现以三头搅拌设备分析成墙原理。该成墙设备采用轴距325cm、钻头直径395cm，一次成墙825cm，如此反复，单桩相互搭接，从而形成可靠的、连续的防渗墙体。这种成墙技术功效高，单台达6000m2/月，但对地层的要求严格，必须是深搅桩机能够搅动的地层。3高压喷射灌浆高压喷射防渗板墙施工技术是20世纪80年代初引入我国，现被广泛用于江河、水库防渗与加固工程。该技术成墙原理是利用射流作用切割和搅拌地层，同时灌入水泥浆形成凝结体，借以达到加固地基和基础防渗的目的。高压喷射灌浆工艺就是利用钻机造孔，然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置，用高压设备把30MPa左右的高压射流从喷嘴中喷射出来，用该射流冲击和破坏底层土体，与灌入浆液掺搅混合，在土体中形成凝结体。其形状与喷射形式和喷嘴一动方向及持续时间密切有关。喷射时一面提升，一面摆动，则形成平面上似亚玲体竖向板墙，施工过程中分两个次序，每个次序孔均包括先钻孔再喷浆2个工序，中间为钻孔，两侧亚铃体为喷浆形成。先施工某一防渗区间内的I序孔，再施该区间内的II序孔，如此反复，相互搭接，形成连续的防渗体。由于高压摆喷防渗技术适合的地层广，施工的深度也较大，因此在多种防渗工程中被应用，但工程造价相对较高。4深搅拌与高压喷射金属墙技术的形成和分析4.1旋喷技术截渗墙设计该技术是先在设计防渗墙轴线上，采用深层搅拌技术施工地层上部适合深搅设备作业范围内的截渗墙，待上部截渗墙体形成一定强度后，在该墙体上游侧40～50cm范围内施工深搅截渗墙以下的高喷截渗墙。在平面位置上，这两种墙体轴线存在一定的距离，易发生渗漏。为此采用旋喷技术，将摆喷截渗墙与深搅截渗墙完全连接成一个整体。见图1。图1中水泥土墙在下游侧，高压摆喷墙在上游侧，中间是高压旋喷墙体，从剖面上看，地层0～12.5m为深搅截渗墙，12～16.5m为高压摆喷截渗墙，12～12.5m为高压旋喷连接防渗墙，其中高压摆喷截渗墙入岩50cm。高压摆喷孔孔距为1.3m，高压旋喷与高压摆喷为同一钻孔，在高压摆喷喷至预定深度后改用旋喷喷至要求深度，由此可见，在从地面到基岩的所有强透水地层中形成自上而下相对封闭的截渗墙。上部地层适合深搅技术施工，下部地层适合高压摆喷技术施工，两种技术相互结合，通过高压旋喷技术使其形成一个整体，从而达到设计要求的防渗目的，因此在技术上是可行的。4.2喷灌浆、高喷孔钻孔的造价按照该工艺在哈达山防护区现有地层条件，以预算定额作为费用计算基础，计算的深搅截渗墙、高压摆喷截渗墙、高压旋喷灌浆、高喷孔钻孔的单价，以常规高压摆喷孔距1.3m估算各个方案的费用见表1。从表1可知方案一（深搅方案）工程造价最低，但不适于该地层，方案二（高压摆喷截渗墙）造价最高，比方案三（复合体截渗墙）工程造价多1937万。由此可见，采用复合体截渗墙方案在适合于该工程地层的截渗墙方案中工程造价是最低的，在经济上是最可行的。4.3设备对比分析按照该工艺在哈达山防护区现有地层条件，以国内普通设备的功效，计算的深搅截渗墙、高压摆喷截渗墙、复合体截渗墙的施工功效见表1。从表1中可知，在设备功效方面分析，3种工法的工效相当，复合体截渗墙先施工上部地层的深搅，后施工下部地层的高喷，虽工序较多，只要组织得当，工效能够充分发挥。从设备的普遍性方面分析，深搅截渗墙施工设备不普遍，工期紧时难以找到更多的设备，工期难以保证；高喷墙施工设备最普遍，工期紧时容易找到同类设备，工期容易保证；复合体截渗墙采用高喷设备弥补深搅设备的不足，也容易保证工期。通过以上分析，在优化施工工艺后采用复合体截渗墙，技术上合理，能够达到设计防渗要求，节约工程造价明显，工期不受影响，比原方案更容易保证，因此优化后的复合体截渗墙方案是可行的。这项方案的论证也曾召开有关专家进行专门论证通过。5深占比及施工参数的确定优化方案确定后，为进一步验证该方案在该工程中的可行性，于2009年9—11月在设计截渗墙轴线外侧附近部位进行复合体截渗墙的深搅截渗墙、高喷防渗墙的搭接试验，试验孔采用围井的形式布置，围井入岩0.5m，围井完成后进行井注水试验和浅部开挖、墙体取样检查，检查结果为墙体强度及抗渗均满足设计要求，井内注水计算的渗透系数也满足设计指标。为直观地检验复合体截渗墙在深部2种工法的墙体结合是否可靠，于2010年4月，在设计截渗墙轴线外侧、基岩埋深较浅部位进行深搅截渗墙与高喷截渗墙的搭接试验。试验孔采用直线型布置，试验完成后采取降水大开挖的形式进行检查，开挖发现两种工法的墙体搭接可靠，无孔洞、缝隙等。并通过以上两次试验确定了复合体截渗墙的施工参数。其中深搅施工参数为：水泥掺入比12%、浆液水灰比1.7∶1～1.9∶1、搅拌头直径不小于390mm、一次成墙长度0.97m、桩间搭接长度不小于70mm、下沉速度不大于50cm/min,提升速度不大于94cm/min、中粗砂容重取1.96g/cm3。高压摆喷采用“三管法”，施工参数为：孔距1.3m、提速中砂15cm/min，细砾层10cm/min，泥岩8cm/min、水压不低30MPa。6墙体施工情况通过一系列的理论分析、专家论证、现场试验论证，确定复合体截渗墙工艺可行后，设计下发变更通知单进行正式施工。正式施工于2010年6月全线展开，至11月底完成大部分工程量，只留部分搭接高喷于2011年年初完成施工。2010年6月25日—2010年11月17日（含墙体检查及处理时间），共投入18台深层搅拌设备、12台高压摆喷设备，投入386名施工人员，共完成水泥土截渗墙120631.30m2，高喷钻孔158751.50m，高压摆喷灌浆49262.42m，高压旋喷6085.56m。复合体截渗墙墙体施工完成后进行全线（轴线长12000m）雷达无损检查，无损检查合格率95%，另外对检查部位发现的薄弱地段进行了验证孔取芯检查，其中深搅墙地质雷达检测后验证孔做了8孔，平均孔深10.5m，合格率100%；高喷墙高密电法检测