詹旺林，雷 聲

（1.江西省九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 九江，332000；2.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029）

0 引言

在汛期，對(duì)于管涌險(xiǎn)情的搶護(hù)已經(jīng)有很成熟的經(jīng)驗(yàn)和方法，但對(duì)于管涌造成土層結(jié)構(gòu)的破壞，汛后怎樣加固處理，目前的研究成果不是很多。

雙層堤基結(jié)構(gòu)在堤防工程中普遍存在，在汛期高水位長(zhǎng)時(shí)間的作用下易發(fā)生管涌險(xiǎn)情，在汛后必須對(duì)其進(jìn)行加固處理。采用鉆孔粘土回填擠密法施工對(duì)場(chǎng)地條件要求不高，施工簡(jiǎn)單、成本較低。因此鉆孔粘土回填擠密法針對(duì)雙層堤基結(jié)構(gòu)，且相對(duì)不透水層較厚的管涌險(xiǎn)情的汛后處理具有一定的經(jīng)濟(jì)適用性。

1 管涌險(xiǎn)情

2016年汛期，受長(zhǎng)江高水位長(zhǎng)時(shí)間影響，長(zhǎng)江某干堤離堤腳約60m左右的排澇泵站進(jìn)水渠內(nèi)出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情，渠內(nèi)水深2.5m左右，水面不斷往外冒黑色細(xì)沙，周邊直徑3m范圍內(nèi)全是管涌帶出來(lái)的粉細(xì)砂，形勢(shì)十分危急。

由于管涌規(guī)模較大，且發(fā)展速度較快，現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)人員迅速制訂出前期在滲流出口采用袋裝碎石壓鋪土工布控制險(xiǎn)情發(fā)展，待所需搶險(xiǎn)物資到位后再填筑反濾圍井對(duì)滲流出口形成立體防護(hù)，并在離堤腳80m處修建雍水圍堰抬高進(jìn)水渠水位的搶險(xiǎn)方案。經(jīng)過100多人的搶險(xiǎn)隊(duì)伍10多個(gè)小時(shí)的不懈努力，險(xiǎn)情得到有效控制，沒有造成大的損失。

經(jīng)事后調(diào)查，出險(xiǎn)原因?yàn)殡娬具M(jìn)水渠內(nèi)的地質(zhì)勘探孔封孔質(zhì)量控制不嚴(yán)，汛期在長(zhǎng)江高水位的作用下，沿地質(zhì)鉆孔產(chǎn)生滲透破壞，形成管涌險(xiǎn)情。

2 地質(zhì)概況

工程區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為厚蓋層雙層結(jié)構(gòu)Ⅱ2類地質(zhì)結(jié)構(gòu)亞類，堤基由第四系全新統(tǒng)地層組成[1，2]，自上至下分別為粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、粘土、灰?guī)r。堤內(nèi)地面高程14.5～16.4m，堤外漫灘不發(fā)育。

（1）粘土（alQ4）：黃褐色，可塑～軟塑，切面光滑，無(wú)搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度一般，層底高程7.70～8.25m。

（2）淤泥質(zhì)粘土（alQ4）：灰黑色，軟塑，切面光滑，粘性強(qiáng)，含腐殖質(zhì)，具輕微臭味，層底高程3.02～5.22m。

（3）粉細(xì)砂（alQ4）：灰色，灰綠色，主要成分為石英，含少量云母，夾含粘土薄層，多呈互層狀結(jié)構(gòu)，級(jí)配一般，松散～稍密狀，飽和，層底高程-15.45～-16.8m。

（4）粘土（alQ2）：棕黃色，硬塑，刀切面光滑，巖芯呈土柱狀，局部夾礫石。層底高程-40.76～-29.99m。

（5）灰?guī)r（D3+C21）：弱風(fēng)化灰?guī)r：灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較新鮮，堅(jiān)硬，錘擊聲脆，巖溶較發(fā)育，溶洞及裂隙全充填粘土層，巖面高程-40.76～-29.99m。

堤基各類土的物理力學(xué)參數(shù)及滲透性建議值見表1[3]。

表1 堤基土物理力學(xué)性質(zhì)及滲透性建議值表

堤基由第四系全新統(tǒng)地層組成，具二元結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型主要為雙層結(jié)構(gòu)（Ⅱ2類），上部厚粘性土層，下部為粉細(xì)砂層，工程地質(zhì)條件較好。但由于鉆探施工時(shí)揭穿了堤基上部覆蓋層，且鉆孔封孔不甚密實(shí)，而下部細(xì)砂層透水性好，導(dǎo)致鉆孔處堤內(nèi)粘性土蓋層有效厚度變薄，在持續(xù)高水位條件下，江水勢(shì)必沿滲流途徑較短、覆蓋層較薄弱處產(chǎn)生滲透破壞，其滲透變形類型為管涌型。

圖1 地質(zhì)橫剖面圖

3 擠密樁加固處理方案

由于管涌離堤腳較近，滲透水流帶出大量粉細(xì)砂和粘土顆粒，周邊土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，防滲性能被削弱，為了確保堤防安全，在汛后必須對(duì)發(fā)生管涌的地層進(jìn)行加固處理。根據(jù)方案和經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件，對(duì)管涌周邊采用鉆孔粘土回填擠密法進(jìn)行加固處理。

鉆孔粘土回填擠密法是通過對(duì)管涌點(diǎn)及其周圍進(jìn)行鉆孔，將管涌通道及周邊鉆孔中的土體取出，并在孔內(nèi)回填粘土球，用穿心錘錘擊或靜壓等方式進(jìn)行擠密。粘土球在受錘擊或靜壓密實(shí)過程中，鉆孔周邊一定范圍內(nèi)土層受到擠壓、擾動(dòng)和重塑，土中氣體溢出，孔周土體孔隙比減小[4]，從而土體密實(shí)度得到提高，覆蓋層厚度得到恢復(fù)，防滲性能得到增強(qiáng)。

3.1 擠密影響半徑Rm的理論計(jì)算

為了確定鉆孔的平面布置形式，必須要知道鉆孔粘土回填擠密法對(duì)周邊的影響范圍。為便于建立計(jì)算模型進(jìn)行理論計(jì)算，我們定義擠密影響半徑為Rm，并進(jìn)行以下幾點(diǎn)假設(shè)[5]：

①假設(shè)施工完成后R0（擠密鉆孔半徑）范圍內(nèi)的土體容重為γ0，在影響范圍Rm邊界處的容重為周邊土壤的天然容重γm。自R0至Rm由內(nèi)到外土體的容重由γ0線性遞減至γm。

②假設(shè)擠密施工前后土壤容重自上至下的變化規(guī)律一致，且不考慮施工過程中地表隆起的影響。

③假設(shè)鉆孔內(nèi)回填粘土球的質(zhì)量與鉆孔取出土體質(zhì)量的比值為n。

如圖2所示，以鉆孔中心為圓心，以Rm為外邊界，沿土柱截取一段單位厚度的圓形微分體。在距鉆孔中心x處，厚度為dx的環(huán)形帶狀土體的容重為γx，這一數(shù)值隨著x的增加由γ0而線性遞減至γm。根據(jù)擠密施工前后微分體內(nèi)土壤顆粒重量的變化，可列出微分方程如下：

圖2 土體的微分體模型

方程左邊為根據(jù)上述3點(diǎn)假設(shè)，利用積分方法計(jì)算得出的加固后影響范圍內(nèi)的土體計(jì)算重量，方程右邊為擠密施工完成后影響范圍內(nèi)的土體的實(shí)際重量，理論上兩者數(shù)值是相等的。

另外根據(jù)上述第1、2條假設(shè)，加固后影響范圍內(nèi)的容重γx自R0至Rm呈直線變化（見圖3，R02X2Rm），可得以下直線方程：

圖3 土體的容重變化模型

式中直線方程的斜率a和截距b的表達(dá)式如下：

把線性方程 γ（x）=ax+b 代入微分方程（1）得：

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，n一般取值為2.0～3.0，本次取值為2.5。采用沖擊法回填γ0的取值可達(dá)到（1.2～1.5）γm，當(dāng)采用靜壓法回填時(shí) γ0的取值可?。?.1～1.3）γm。本次地下水位以下采用靜壓法回填，地下水位以上采用沖擊法回填，綜合取值γ0=1.25γm，經(jīng)計(jì)算Rm=3.65R0=237mm。

3.2 擠密影響半徑Rm的建議取值

由于Rm的計(jì)算結(jié)果是基于上述3點(diǎn)假設(shè)的基礎(chǔ)上，事實(shí)上土體的壓縮及對(duì)周邊土體的擠壓效果受土體的顆粒組成、土壤的含水量、土層深度和施工質(zhì)量的影響，為了工程安全，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)擠密影響半徑Rm應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行折減，綜合考慮土壤的性質(zhì)和施工工藝，Rm可在1.5R0～2.5R0之間選用，本工程選用Rm=2.0R0，地質(zhì)鉆孔半徑65mm，則單孔擠密影響半徑Rm取 130mm。

4 擠密樁布置

原地質(zhì)鉆孔封孔質(zhì)量控制不嚴(yán)，是產(chǎn)生管涌的主因，為保證處理效果，為此在出險(xiǎn)的地質(zhì)鉆孔上布置1個(gè)回填擠密孔，以其為圓心在其周圍布置2圈回填擠密孔。

根據(jù)單孔擠密影響半徑130mm進(jìn)行布置，第一圈擠密孔布置在半徑為230mm的圓周上，共布置6個(gè)回填擠密孔，第二圈擠密孔布置在半徑為400mm的圓周上，共布置12個(gè)回填擠密孔，鉆孔處理深度至砂層頂面。鉆孔分2序施工，并按先外圈后內(nèi)圈的順序作業(yè)（見圖4）。施工完成后，在管涌出險(xiǎn)點(diǎn)周邊半徑520mm范圍內(nèi)的土體得到密實(shí)加固，覆蓋層得到了恢復(fù)。

圖4 擠密施工布孔圖

5 施工方法及要求

鉆孔粘土回填擠密法主要工序有：放樣定孔位、鉆機(jī)就位、鉆孔、分層回填擠密等。使用地質(zhì)鉆機(jī)泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，孔徑130mm[6]。鉆孔有效深度嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求控制，孔斜率不大于1%。

成孔后下套管以保護(hù)孔壁，同時(shí)應(yīng)將套管螺紋上滿上緊，防止套管掉入孔內(nèi)。套管下入后，再用鉆具進(jìn)行一次掃孔，把在下套管時(shí)從孔壁上刮下來(lái)的泥土掃除干凈，并注意不要因掃孔造成套管脫落。用清水置換鉆孔內(nèi)濃泥漿，直至認(rèn)定泥球能順利下沉到預(yù)定位置。成孔后，往鉆孔中投入泥球。泥球粘粒含量應(yīng)大于30%，塑性指數(shù)應(yīng)大于17，干密度不小于1.4g/cm3，直徑為 2～2.5cm。

地下水位以上采用沖擊法回填[7]，地下水位以下或10m以下孔段采用靜壓法回填，使其壓實(shí)為0.3m。每0.3m投入的粘土球的質(zhì)量一般為2.5倍取出土的質(zhì)量，如表2所示，且不小于14.0kg/0.3m。

表2 各土層投入粘土球的質(zhì)量

6 處理效果

采用鉆孔粘土回填擠密處理后，產(chǎn)生管涌的地質(zhì)鉆孔內(nèi)粉細(xì)砂及部分反濾材料基本得到清除，且通過回填擠密之后，孔周土體孔隙比減小，從而土體密實(shí)度得到提高，覆蓋層厚度得到恢復(fù)，防滲性能得到增強(qiáng)。

2016年7月6日發(fā)生泡泉時(shí)長(zhǎng)江水位為21.38m（吳淞高程，下同），同年11月擠密加固施工完成。經(jīng)過近幾年特別是2020年長(zhǎng)江最高水位22.81m長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)，周邊區(qū)域未出現(xiàn)管涌等滲透險(xiǎn)情，證明處理效果良好。

7 結(jié) 語(yǔ)

雙層堤基結(jié)構(gòu)在堤防工程中普遍存在，在汛期高水頭的作用下，下游堤基承受壓力水頭的作用，當(dāng)壓重大于承壓水頭的時(shí)候，堤基滲流維持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)相對(duì)不透水層遭到破壞或削弱后，承壓水頭大于所需壓重，就會(huì)發(fā)生管涌或流土破壞，一旦形成穩(wěn)定的滲流通道，就會(huì)帶出大量的土壤顆粒，通道周邊的土體在應(yīng)力的作用下，土體結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，土體的孔隙比增大，滲透系數(shù)降低，如果汛后不能對(duì)出險(xiǎn)通道進(jìn)行有效處理，在下一個(gè)汛期出險(xiǎn)的可能性大大增加。

對(duì)覆蓋層比較薄的堤段，可以采用開挖回填粘土的處理方式。但當(dāng)覆蓋層較厚時(shí)，開挖回填工作量較大，且開挖過程影響堤防的穩(wěn)定，既不經(jīng)濟(jì)也不安全。采用高噴處理效果也較好，但是高噴施工要求的條件較高，當(dāng)工程量較小時(shí)，單位成本特別高，很難有施工單位愿意進(jìn)場(chǎng)施工。而采用鉆孔粘土回填擠密法施工對(duì)場(chǎng)地條件要求不高，施工簡(jiǎn)單、成本較低。因此鉆孔粘土回填擠密法針對(duì)雙層堤基結(jié)構(gòu)，且相對(duì)不透水層較厚的管涌險(xiǎn)情的汛后處理具有一定的經(jīng)濟(jì)適用性。