羅長林

(湖南佳林建設(shè)有限公司,湖南長沙 410016)

0 前言

我國是受洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一,因此防洪大堤得以大力興建。在河流兩旁防洪大堤一般作為公路使用。由于其位置的特殊性,河水滲流災(zāi)害時有發(fā)生,危及河堤內(nèi)的居民和路上來往行駛車輛的安全,因此,防洪路堤防滲加固就必不可少,高壓噴射防滲帷幕作為壩體防滲主要手段之一,其獨(dú)特的優(yōu)點,近年來在國內(nèi)應(yīng)用日益廣泛。

當(dāng)前,高壓噴射注漿法的基本工藝類型有:單管、二重管、多重管法3種方法。其中二重管、三重管擺噴帷幕在工程帷幕中使用較多,也較經(jīng)濟(jì)合理。本文就某一工程實例,對采用3重管擺噴方式進(jìn)行工程帷幕的設(shè)計方法及施工工藝作簡明介紹,可供同類工程參考。

1 工程概況

本工程位于湘江支流撈刀河出口北岸,它是長沙市重要的蔬菜基地,亦是產(chǎn)魚重點區(qū)。蘇托垸防洪大堤長10.89 km,大堤筑在砂卵石基礎(chǔ)上,防洪大堤長期作為公路使用,來往車輛絡(luò)繹不絕。1992年汛期,在慶生塘7號、8號漁池段的大堤腳出現(xiàn)8處集中管涌,其中3處最大的管涌流量0.6m3/s,涌出地面1.0m多高,經(jīng)全力搶救,幸免潰堤。1994年、1996年的高洪水位時又出現(xiàn)10多處涌砂冒水,帶出大量泥沙,導(dǎo)致慶生塘600m長的堤段整體塌陷,大堤塌陷0.4～0.6m。并因此造成比較大的交通事故。2006年5月18日撈刀河水位35.88m時,又出現(xiàn)10多處涌砂冒水,大堤險情逐漸在惡化。有關(guān)部門決定全力根治路堤的安全隱患。

2 場地地質(zhì)水文狀況

2.1 地質(zhì)情況

地貌屬于撈刀河沖積地層,路堤地基分人工填土、粉質(zhì)粘土為主。大堤基礎(chǔ)由細(xì)沙、粗沙、砂卵石組成,屬強(qiáng)透水層基礎(chǔ)?；鶐r為第三系紫紅色砂巖及元古代板巖。經(jīng)鉆孔揭露,從上到下土層依次是:

1)人工填土:成分為粉質(zhì)粘土,中粗圓礫、碎石塊以及少量卵石,結(jié)構(gòu)松散,局部稍密,稍濕～濕,厚5.80～6.90m,堆積時間6 a以上。

2)第四系沖積層粉質(zhì)粘土:可塑狀態(tài),所有鉆孔均遇見該層,厚4.0～9.0 m。

3)第三層系細(xì)沙:松散～稍密,給配良好,厚1.5～2.7m。

4)卵石層:一般粒徑為2～5 cm,部分粒徑為7～8 cm,厚在1.5～5.9m。

Zk0+376孔第四層為元古代強(qiáng)風(fēng)化板巖,約在Zk0+744孔是紅色砂巖與表石板巖交界處,根據(jù)地質(zhì)資料驗證,該處存在斷層破碎帶,估計有漏水信道。施工部門曾提出補(bǔ)孔帷幕灌漿的報告,但未經(jīng)批復(fù),可能此處漏水信道未得到解決。另外大堤基礎(chǔ)屬于第四系沖積細(xì)紗和卵石層,透水層強(qiáng),這是歷年洪水期造成漏水信道的根源。

2.2 管涌調(diào)研

經(jīng)過調(diào)研,村民們一致認(rèn)為慶生塘、菜花塘路堤段,在這2 000多m大堤中有700多m滲漏嚴(yán)重,當(dāng)?shù)卮迕癜阉Q為篩子堤。每到撈刀河汛期來臨,外河水漲,大堤漏水就隨即開始。尤以9號魚塘至13號魚塘、菜花塘和Zk0+376孔轉(zhuǎn)彎堤下為甚,其中最大漏水孔管涌流量可達(dá)1.0 m3/s,涌水1m多高,沿堤村民們的幾十座手搖水井都向上噴水,噴水水柱高度一般都高于1m,有的井噴到2m多高。撈刀河村40多hm2稻田普遍滲水嚴(yán)重。

3 方案設(shè)計

3.1 方案選擇

目前國內(nèi)防滲工程常采用的防滲堵漏措施有深層攪拌法、防滲帷幕法以及靜壓注漿法3種。針對本工程現(xiàn)狀,本著安全性,經(jīng)濟(jì)性的原則,綜合考慮多方面因素后決定路堤防滲加固采用高壓旋噴形成防滲板墻的方法。其理由如下:

1)靜壓注漿適合于處理基巖、砂土、粉土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土一般的填土層,而本工程場地主要漏水層為卵石層,因此不適宜采用這種方法。

2)深層攪拌法適用于處理淤泥,淤泥質(zhì)土、粉土、含水量較高地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不大于120 kPa的粘性土等,當(dāng)用于處理泥碳土或地下水具有腐蝕性時,宜通過實驗確定其適用程度,而且該施工場地為河堤公路,考慮到盡量不影響交通情況等因素,因此不宜采用該方案。

3)高壓噴射注漿法適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粘性土、人工填土和碎石土等,高壓旋噴注漿適用范圍廣,適合本工程的地質(zhì)情況,因本工程主要漏水層為砂層、卵石層,且塊徑不大,又考慮本工程場地為河堤公路,因此選擇高壓旋噴形成防滲板墻的方案[1～3]。

3.2 高壓噴射注漿原理

高壓噴射的原理是將帶有特殊噴嘴的注漿管通過鉆孔置入要處理的土層的預(yù)定深度,然后將漿液(常用水泥漿)以高壓沖切土體,在噴射漿液的同時,以一定的速度旋轉(zhuǎn)、提升,即形成水泥土圓柱體;若噴嘴提升不旋轉(zhuǎn)則形成墻狀固化體,以提高地基承載力,減少沉降,防止砂土液化、管涌和基坑隆起,建成防滲帷幕,該技術(shù)在路堤防滲中是可行的。

3.3 高噴構(gòu)筑防滲板墻的設(shè)計

3.3.1 防滲板墻位置的選定

河邊路堤防滲位置的選擇應(yīng)根據(jù)滲透層的位置、防滲要求、河水水位(歷史最高水位)等因素進(jìn)行綜合考慮。如果堤身和地基均存在強(qiáng)滲透層、且歷史最高河水水位高于路堤強(qiáng)滲透層,存在浸水路基的情況時,地基和路堤均需處理,可從堤壩的迎水坡堤肩貫通基礎(chǔ)以下形成堤身與基礎(chǔ)的連續(xù)防滲墻,這種方法較容易實施;如果只有地基存在強(qiáng)透水層,河水水位較低,路基堤身防滲性好,則只需要處理地基,可對地基進(jìn)行帷幕灌漿形成防滲墻,位置可選在迎水坡腳或稍后一點。本工程屬于后者。施工軸線從0～1 626m布孔在內(nèi)坡平臺上,1 626～2 074m布置在大堤頂軸線上。

3.3.2 防滲墻厚度的確定

灌漿形成的防滲墻厚度,根據(jù)資料表明是不等厚的,墻體厚度是一個假定厚度。單排鉆孔時墻體厚度是指鉆孔兩側(cè)平均影響范圍,可取孔距的0.17～0.18倍,多排鉆孔時可取最外兩排鉆孔中心距加上兩側(cè)邊排孔距的0.16～0.17倍。目前常用帷幕允許坡降[Jc]來校核防滲墻厚度,各種厚度的允許坡降參考表1。

表1 防滲墻厚度允許坡降

設(shè)計時以防滲區(qū)上端的坡降不大于允許坡降的條件來校核防滲厚度:

J=(2+L1)/L2≤[Jc]

式中:L1為防滲墻深度;L2為防滲墻厚度。

若不滿足上述條件時應(yīng)加大帷幕厚度[4]。

3.3.3 漿料的選擇

目前注漿材料有粘土漿、水泥漿、摻和漿三類,其中用的最廣的是水泥漿液。它適用于各種基礎(chǔ)透水層的帷幕防滲灌漿,水泥級別在425以上。

3.3.4 本工程的注漿參數(shù)設(shè)計

防滲板墻軸心線布孔分別沿堤頂軸線和堤內(nèi)坡一級平臺中心線上,高噴防滲板墻呈折線型。噴射方向與板墻軸線夾角15°。分兩序施工,孔距2m,其高噴深度構(gòu)筑防滲板墻高度5.7～10.5m,個別孔也有達(dá)到12m的。鉆孔深度15.0～20.8m、擺角25°。施工參數(shù)見表2。

3.4 施工工藝

為選擇高噴技術(shù)工藝參數(shù)在本工程應(yīng)用中的可行性,在樁號Zk0+448圍井進(jìn)行了試噴,其深度從基巖石至內(nèi)堤平臺上,噴射深度為16.50m,經(jīng)開挖3.5 m檢查,其墻體厚0.25～0.3m,經(jīng)注水實驗,基本不滲水,高噴墻體表面均勻連續(xù),具有明顯規(guī)則性與方向性,墻體的輪廓分明、清晰。噴射直徑達(dá)2.4 m,水泥土固結(jié)良好,質(zhì)量可靠。說明實驗先定的施工參數(shù)基本合理,這是保證施工質(zhì)量措施之一。通過現(xiàn)場施工工藝試驗,經(jīng)施工單位推薦,監(jiān)理單位審批,設(shè)計方認(rèn)可確定了現(xiàn)場施工工藝參數(shù)。其工藝流程見圖1。

表2 高壓噴射注漿施工參數(shù)列表

圖1 高壓噴射注漿施工流程圖

3.5 質(zhì)量保證措施

為了確保注漿質(zhì)量,特設(shè)置了以下質(zhì)量確保措施:

1)建立健全組織機(jī)構(gòu),項目經(jīng)理部成立施工質(zhì)量監(jiān)組,組成工程師8人小組,跟班檢查督促,發(fā)現(xiàn)問題及時匯報,研究解決。這是一支施工打硬仗的技術(shù)隊伍,對保證質(zhì)量起著重要作用。

2)根據(jù)實地情況,工地編寫“高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)定”,使施工有章可循,當(dāng)技術(shù)規(guī)定制定后報監(jiān)理單位審批,并組織工地工人學(xué)習(xí)討論規(guī)定的技術(shù)措施,尤其是工藝參數(shù),使工人整體掌握,把技術(shù)規(guī)定要求交給廣大工人群眾,在施工中認(rèn)真執(zhí)行,如有違章,則罰款處理,由于措施得力,在這次施工過程中,基本做到了沒有違章操作的。

3)水泥檢測:這是保證水泥質(zhì)量的重要措施。水泥現(xiàn)場抽樣檢測建立制度。根據(jù)工地制定的“高噴技術(shù)規(guī)范規(guī)定”指定專人現(xiàn)場檢測試驗,嚴(yán)格執(zhí)行這個規(guī)定,凡運(yùn)來工地的水泥必須經(jīng)過抽樣檢測;對不合格的水泥拒絕使用,從而保證水泥漿液成墻的可靠性。

4)建立健全鉆孔和下噴桿及終孔驗收制度:終孔驗收,必須經(jīng)現(xiàn)場跟班工程師檢查后,簽字驗收,這對保證高噴成墻質(zhì)量起著積極作用。

3.6 特殊情況的處理

1)對彎道折線、折點的處理:彎道較多的部位如Zk1+600～Zk1+650處,采用折線布置,為保證折點處墻體良好的搭接,對位于這點兩側(cè)的孔進(jìn)行特別規(guī)定,如噴射前必須由技術(shù)人員現(xiàn)場調(diào)整噴射方向,并加大噴射水壓力,降低提升速度等措施,以保證高噴墻體的連續(xù)性。

2)噴射中斷的處理:凡因機(jī)械故障及停電中斷高噴工作時,未超過2 h,中斷的部位下管0.1m可以連續(xù)工作,凡中斷超過3 h以上的,用鉆機(jī)掃孔即可工作。

3.7 水泥用量分析

水泥用量單耗分析:本工程水泥用量為6 489.96 t,完成高噴板墻板墻進(jìn)尺8 630.7 m,每1m耗用水泥753.86 kg,水泥單耗偏高。其原因有4點:一是堤身裂隙多,除了在工藝上采取一系列的措施,據(jù)不完全統(tǒng)計,高噴施工時孔口不返漿的有108個孔,占全工程孔數(shù)10%,這些孔每孔多灌水泥量7～9 t;二是空洞連通,水泥漿外溢多,堤外河床及堤內(nèi)魚塘均跑漿嚴(yán)重,如慶生塘的9～13#漁塘,由于水泥漿向漁塘的中部廷伸,導(dǎo)致養(yǎng)魚死光;三是2002年汛期搶險形成的冒沙孔就有10余處,導(dǎo)致水泥漿用量增大;四是串漿的多,由于堤身滲漏嚴(yán)重,引起堤身空隙多,灌漿時這些部位大量吸漿。其最重要的還是由于卵石粒徑普遍偏大,多數(shù)孔打出的卵石粒徑在6～8 cm以上。所以本工程水泥單耗用量增大是必然的趨勢。

3.8 質(zhì)量控制措施

1)造孔分兩序施工,施工隊伍進(jìn)場后,組成一支工程師質(zhì)檢隊伍,嚴(yán)檢工程質(zhì)量,每個機(jī)組必有工程技術(shù)人員跟班作業(yè)。用沖擊進(jìn)鉆或旋轉(zhuǎn)進(jìn)鉆2種,造孔開口直徑?jīng)_擊進(jìn)鉆Φ146旋轉(zhuǎn)用Φ110或Φ130進(jìn)鉆,造孔斜率不超1.5%,否則用回填糾偏法修正,為了解決砂卵石層進(jìn)鉆難的問題,采用了我們研制的A、B、C、D化學(xué)固壁泥漿,不同的地層采用4種不同的固相泥漿處理,這樣在造孔過程中,消除了縮孔卡鉆和塌孔的不正常現(xiàn)象,鉆孔成功率達(dá)到100%,同時做到一周時間內(nèi)高噴管可直插到設(shè)計高程,免除了施工時的跨孔和大量跑漿的危害,大大提高了功效。使我們按施工組織設(shè)計順利完成,它不僅加快施工速度,且降低了工程造價,這是高噴施工技術(shù)運(yùn)用上又一新的成果。本工程堤段由于歷年洪水作用下,空洞多?；瘜W(xué)固相泥漿比重不大于1.06,膨脹系數(shù)大于8倍,經(jīng)過實踐保證14 d不跨孔,不固化,本工程采用這一新措施,不僅保證施工質(zhì)量,同時促進(jìn)了施工進(jìn)度。

2)高噴灌漿:要求進(jìn)漿比重達(dá)到1.6,返漿比重不得少于1.2,為了保證板墻與基巖有良好的膠結(jié)性能,噴漿管下到孔底時必須靜噴5m in,這是改善板墻底部拉應(yīng)力的一項重要技術(shù)措施。

3)回填灌漿:是保障成墻的一項成熟的技術(shù)措施,當(dāng)噴射作業(yè)全部完成后,從孔口注入純水泥漿,下沉一點就加上一點,直到漿面不下沉為止。我們組織專人管理這個工藝,做到及時可靠,確保了高質(zhì)量成墻。

4 圍井開挖及圍井注水試驗,考察板墻質(zhì)量

1)開挖圍井,建在樁號224#處成四邊形布置(見圖2),經(jīng)過28 d時間于3月2日開挖3.5m深,四周墻面清晰,墻體密實,圍井板墻從基巖面直至軸線平臺,測量墻體半徑可達(dá)1.4m,墻厚達(dá)到0.35 m開挖。經(jīng)注水實驗,其觀測37 d,水面基本不下沉。測算K值為1×10-7cm/s,防滲板墻其實反映高噴板墻的防滲能力,實驗滿足設(shè)計要求。

圖2 224#挖井孔位布置圖

2)圍井進(jìn)行注水實驗,試驗結(jié)果見表3。圍井構(gòu)筑施工完成16 d后,在圍井中心造孔安裝注水管(圖3),用工程地質(zhì)鉆配合合金鉆頭清水進(jìn)鉆,鉆孔孔徑Φ91 mm,距離圍井底部0.5m處終孔,采用下部為花管Φ50mm聚乙烯注水管,花管長0.5m,注水管與封頂處用海帶和濃水泥漿密封止水,注水實驗穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)按“水利水電工程鉆壓水試驗規(guī)程”執(zhí)行。

表3 圍井注水試驗成果表

圖3 2-8#圍井孔位布置圖

5 路堤加固結(jié)果分析

灌漿期間大堤兩旁的塘水、河面均冒水泡。尤以500#孔至920#孔表現(xiàn)為甚。這段大堤1 000～2 000m處內(nèi)坡全是魚塘,屬于兩水夾一堤,灌漿時,雖然沿二級平臺全都打好了圍漿土埂,但由于灌漿時確保了氣、水、漿壓的設(shè)計數(shù)據(jù),水泥漿在高壓力的作用下,沿著大堤下的卵石孔隙壓到魚塘底下,使灰漿從塘底冒出,在塘水面上雨下在水面上冒出水花,以9#～13#漁塘為甚。11#魚塘在施灌前放干1次,灌漿時水、氣、漿便從塘底稀泥中冒出,靠堤岸邊的菜地溝中也冒出朵朵白泡。沿大堤一帶的河面也在施灌中濺起串串水花。

大堤施灌前雖然打好了埂,堵住了高噴部分返出地面的余漿,但由于填充水泥漿在高壓作用下,順著通道壓到了魚塘底,使塘水堿性化,以至9#～13#魚塘均有死魚的現(xiàn)象,尤以10#魚塘為甚,僅這口魚塘就死去大小魚3 500多斤。對此,這有力地證明水泥漿液一直充填到了塘底砂卵石層,堵住了漏水通道。

特別是大堤150#～380#孔一線之下的泥沙灘上,多年來這里由于大堤滲水,成了沼澤地,長滿了半人高的水草地面到處可見。一連串的滲漏集水坑,坑洞水深0.5～1.0m,終年不干枯。這次灌漿后,沼澤消失了,連那些集中滲漏的坑坑洼洼也全干枯了。過去沼澤旁排漬港邊有幾處常年滲水的地方如今也全消失了。這些現(xiàn)象表明此段大堤的滲漏由于灌漿的成功已被堵住了,說明本段大堤漏水信道基本堵住。

通過上述現(xiàn)象,根據(jù)開挖圍井檢查,高壓灌漿防滲板墻墻體Ⅰ、Ⅱ序孔交結(jié)密實,層次清晰,通過墻體21個取芯達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)度均大于5.0MPa,通過圍井注水試驗測得滲透系數(shù)K值為1×10-8～1×10-7cm/s,允許坡降j≥50。本工程高壓噴漿多項指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求,施工質(zhì)量優(yōu)良,達(dá)到了設(shè)計預(yù)期目的,從施工進(jìn)度上看,施工任務(wù)在合同規(guī)定的期限內(nèi)如期完成,多項指標(biāo)滿足合同要求,可認(rèn)為合格的優(yōu)良工程。

6 結(jié)論

本沿河路堤防滲工程采用高壓噴射注漿形成防滲板墻的施工方案效果良好,工程竣工后,種種現(xiàn)象表明大堤漏水信道被防滲墻基本堵住。實踐證明高壓噴射注漿對壩體防滲堵,安全性強(qiáng),耐久性好,易于施工,防滲堵漏效果佳,對本地區(qū)同類型的壩體防滲加固工程具有一定的借鑒參考價值。

[1]江正榮.地基與基礎(chǔ)施工手冊[M].北京:中建筑工業(yè)出版社,1997.

[2]林宗元.巖土工程治理手冊[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1993.

[3]葉書皎,韓 杰,葉觀寶.地基處理與拖換技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

[4]鐘社教,肖尊群.高壓噴射防滲帷幕在河堤防滲工程中的應(yīng)用[J].工程建設(shè),2006,36(5):43-46.