多头小直径深层搅拌桩截渗墙技术在堤坝防渗中的应用

摘要：首次选定了多头小直径水泥土深层搅拌桩截渗墙方案用于解决中运河张庄～窑湾和柳林两险工段堤坝渗漏问题。在正式施工之前，通过做截渗围井试验和生产性试验进行了论证。工程完工后使用探地雷达和埋设测压管进行检测和计算表明：通过探地雷达分析表明两段墙体的连续性和完整性较好，墙体对周边坝体的疏松土体有明显的改善；通过截渗墙施工前后断面两测压管水头差和渗透系数的计算分析与对比，也说明了这两段所施工的水泥土截渗墙具有明显的截渗效果，满足了设计的需要。该技术在中运河堤防加固工程中的成功应用,不仅扩大了其应用领域,同时也推动了该技术施工工艺的进一步发展。

关键词：多头小直径水泥土深层搅拌桩截渗围井试验生产性试验堤坝防渗

1 引言

由于受历史条件和当时生产力水平的限制，我国大部分堤防大坝都存在着先天不足和后期老化问题，如填土疏松、抗渗透能力偏低，地基较普遍的未进行认真处理，在河道中下游冲积平原地区的不同深度都存有较强的透水层，易产生管涌、冒沙等渗透破坏[1]。大坝防渗是水利工程施工的关键技术，历来是水利工程界高度关注的问题。在堤坝工程中，防渗技术的目的是隔断堤坝两侧的水力联系，降低堤坝的渗透系数，通常是通过修建粘土心墙、水泥土防渗墙及注浆等手段来实现这一目的[2]。多年来，人们在大坝防渗工程上进行了不懈的探索，取得了许多出色的研究成果[3-9]，具体体现在防渗的技术和方法应用上。

多头小直径深层搅拌桩截渗墙技术是运用特制的多头小直径深层搅拌桩机，把水泥浆喷入土体并搅拌形成水泥土墙，用水泥土墙作为防渗墙达到截渗的目的。该方法是利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和水泥（浆液或粉体）强制搅拌后，水泥和软土将产生一系列物理—化学反应，使软土硬结改性。该项技术是在普通深层搅拌桩技术基础上发展而成的，它保留了普通深层搅拌桩技术取材方便、施工无噪音、无污染、工程效果好等优点外，主要在一机多头（3个钻头）和小直径（200-300mm）成墙两个方面有所突破，并可连续成墙。本文研究的就是利用该项技术在中运河堤防加固工程中是如何进行应用的。

2 工程概况

中运河（大王庙～二湾段）近期扩大工程是沂沭泗洪水东调南下工程的一个重要组成部分，是宣泄南四湖洪水的主要出路，也是邳苍地区的主要排涝河道，同时又是京杭大运河航道上的重要一段。中运河大王庙～二湾段河道虽经过了五、六十年代开挖河道、修筑堤防等大规模治理，但由于其部分堤防是冬季施工，冻土上堤防，碾压不实，存在空洞和裂缝，局部河段河道弯曲，流势不稳，主流直冲河岸堤防，易形成险工段，而且防洪能力仅为十年一遇。因此，为提高防洪能力并计划把防洪标准提高到二十年一遇，水利部淮委决定对其进行治理。其中的柳林险工段、张庄～窑湾险工段堤坝防渗工程是中运河（大王庙～二湾）近期扩大工程的重点，这两个险工段防渗施工的工艺及其质量控制，对确保整个工程高质量完成具有重要的现实意义。

张庄～窑湾险工段（桩号左堤43＋070～44＋570）全长1500m，截渗墙顶高程为27.0m，墙底高程为18.0 m，设计桩长9.0 m，工程量13500 m2；柳林险工段（桩号左堤24＋302～25＋150）全长848m，截渗墙顶高程为28.5m，墙底高程为20.0 m，设计桩长8.5 m，工程量7208 m2。

3 技术应用研究

根据现场工程地质条件，通过几种截渗方案的比较，选定了多头小直径水泥土搅拌桩墙截渗方案对张庄～窑湾和柳林两险工段进行施工。由于该设备和工艺首次用于解决堤坝渗漏问题，为确保该技术方案的成功实施，因此在正式施工之前进行了截渗围井试验和生产性试验研究。

3.1 截渗围井试验研究

试验方案为：在堤顶开挖了一个底部长为4000mm，顶部长为2138 mm，深度为2500 mm的倒正四锥体，在该倒正四锥体范围内回填中细砂，并按天然状态密实，洒水使砂土处于饱和并接近堤基砂土的天然状态，模拟堤基下的砂层。围井设计成正四边形，边长1200 mm，桩径220 mm，桩与桩间搭接部分厚度不小于110 mm，桩长6 m(见图2略)。待墙体水泥土满足设计龄期后，挖开围井中中细砂和底层堤防原状土观测检查墙体，开挖深度为4.5 m，挖穿了2.5 m厚的砂层，并在围井四周注水。开挖外观检查和注水试验表明：

（1）桩与桩搭接良好，墙体完整，轮廓清晰，墙体表面光滑，墙体截渗效果良好；

（2）深层搅拌桩在砂层和堤身原状土中成墙效果都较好；

（3）墙的搭接厚度最大达230 mm，最小厚度达160 mm，大于设计要求厚度120 mm。从围井内侧桩与桩轮廓看，桩的垂直度偏差较小，围井上部和下部桩的搭接基本一致。

外观检查和注水试验之后，现场钻取了水泥土试样进行室内试验获得了渗透破坏比降、水泥土渗透系数和墙体抗压强度等指标。

通过围井试验，初步确定的主要施工参数为：水灰比为1.0：1，后来简化为1.0；水泥土中水泥掺入比为12％。

3.2 生产性试验研究

开工前虽对水泥土截渗墙做了围井试验，并获得了有关施工参数，但由于试验场地及试验条件与施工场地土质存在差异，能否连续成墙，有待于进一步进行现场试验研究。根据围井试验结果和设计要求，确定水泥土截渗墙施工采用水灰比为1.0，水泥掺入比为12％。在实施过程中，对墙体开挖检验发现桩与桩之间搭接处出现夹泥现象，桩体连续性较差，最小搭接厚度多出出现小于设计的最小厚度。针对上述情况又进行了分析论证，认为桩机后退、水灰比偏小可能是导致上述质量问题的直接原因，并且堤防土质含水量大小与水灰比大小直接相关，为此又进行了生产性试验研究。

水泥土截渗墙成墙先决条件是水泥土在搅拌过程中必须成塑性状态或流态。计算表明，坝体最小含水量为6％时水灰比约为1.6；平均含水量为21％时水灰比约为1.1。根据理论计算结果，采用水灰比为1.5、2.0，水泥掺入比为8％和12％进行试验，同时考虑到堤防存在0.8～1.6m，最大达2.6m厚的粉细砂夹层，局部为中粗砂，且处于动水情况。在这种情况下能否成墙、效果如何，在进行生产性试验的同时，又进行了模拟试验，试验龄期为11天。

试验表明，水灰比为1.5和2.0，水泥掺入比在8％和12％两种情况下均能满足渗透系数、强度和渗透破坏比降要求。水灰比为1.5的墙体渗透系数明显优于水灰比为2.0的墙体渗透系数，故最终确定水灰比为1.5，水泥掺入比为12％的施工参数进行施工。

3.3 正式施工阶段

根据围井试验和生产性试验取得的参数与结果，论证了多头小直径水泥土截渗墙用于堤防截渗施工是可行的，并且采用单排桩施工。这主要是因为通过试验单排桩的接头处理和截渗效果能满足质量设计要求，比双排桩更经济。这样在正式施工阶段按照上面的试验结果，采取有效的控制办法，就可确保水泥土截渗墙的墙体质量。具体施工顺序是：

（1）第一搅拌站按设计的水灰比配制并拌和水泥浆；

（2）用泵把配制好的水泥浆输送到第二搅拌站并记录水泥浆重量；

（3）桩机就位调平；

（4）开启桩机，钻头搅拌下沉，同时开启浆泵送浆至设计深度，记录输浆量；

（5）搅拌提升同时喷浆至施工面并记录输浆量，关闭浆泵完成第一组桩施工；

（6）桩机向前移动150mm，并调平，重复（1）～（5）步骤，完成第二组桩施工；

（7）重复（6），完成一个单元墙的施工；

（8）桩机向前水平移动1020mm，对桩位调平，使本单元墙的第一根桩和上单元墙的最后一根桩搭接100mm以上，重复上述（1）～（7）步骤即可完成整个险工段的施工注浆。

4 检测效果分析与研究

为了查明柳林和张庄～窑湾两险工段截渗墙墙体的施工质量，采用探地雷达法和测压管水位观测法对这两段截渗墙工程进行了检测效果研究。

4.1 探地雷达检测方法及其效果分析

现场检测试验分为两次进行的。测线沿截渗墙轴线布设并适当布设横断面，对存在异常情况的堤段，做了加密和重复探测，张庄～窑湾段测线长度为2000m，柳林段测线长度为1600m，两处共计布置测线长度为3600m。

本次测试采用的是美国GSSI公司生产的SIR－10型探地雷达仪，选用天线的中心频率为100MHz和500MHz，主要采用连续测量方式进行测试。在参数设置时，电磁波传播速度为0.1m/ns，增益为5点增益，窗口为200ns和120ns两种。

图3（略）（a）为波形规则均匀的，这表明墙体是完整连续且较密实，这是在施工有截渗墙的部位测试的情况。其（b）图波形不规则，出现高亮点的部位表示含水量较大且土质比较疏松，局部有裂缝，这是在没有施工无截渗墙的部位测试的坝体情况。

通过探地雷达对张庄～窑湾险工段的测试结果为：墙体的连续性和完整性较好，只有极少数个别桩体垂直度较差，略偏离墙体轴线，但不影响墙体的连续性和完整性。墙体对周边坝体的疏松土体有明显的改善，某些堤段的改善范围可达1～2m，试验剖面上墙体厚度约为25cm。对柳林险工段的测试结果为：大堤经过水泥土截渗墙处理后，该段的密实程度具有明显的提高，墙体总体上其连续性和完整性较好，但在桩号24＋880～24＋870（距起点270m～280m）和桩号24＋590～24＋580（距起点560m～570m）两处墙体局部连续性和完整性较差，后来已进行了重新施工。

4.2 测压管水位观测法及其效果分析

为进一步检验水泥土截渗墙的防渗效果，在张庄～窑湾险工段布置了三个断面测压管，其断面位置分别在44＋320、44＋070、43＋570。测压管每断面有两孔，分别在截渗墙两侧1.0m处。

根据水位观测记录，堤内外水位差0.58～1.12m时，在没有施工的截渗墙断面两测压管的水头差为0～1cm，而有截渗墙的断面两测压管水头差为22.0～48.0cm，并且两测压管水头差随河水位上涨而增大。

无论是非汛期还是汛期，截渗墙上下游水位差远大于无截渗墙时的上下游水位差，从而可说明水泥土截渗墙具有明显的截渗效果。

假设大坝为均匀质土坝，利用巴普洛夫斯基经典解法，根据测压管水位观测资料，经过计算可得44＋320、44＋070、43＋570断面截渗墙体的渗透系数分别为1.02×10－6cm/s、1.58×10－6cm/s、1.78×10－6cm/s。由此可见，水泥土截渗墙具有明显的截渗效果，满足了设计要求。

5 结语

首次选定了多头小直径水泥土深层搅拌桩截渗墙方案用于解决张庄～窑湾和柳林两险工段堤坝渗漏问题。在正式施工之前，通过做截渗围井试验和生产性试验进行了论证，结果表明该方案是可行的。

施工完工后使用探地雷达和埋设测压管进行检测计算表明：通过探地雷达分析表明两段墙体的连续性和完整性较好，只有极少数个别桩体垂直度较差，略偏离墙体轴线，但不影响整个墙体的连续性和完整性，墙体对周边坝体的疏松土体有明显的改善；通过截渗墙施工前后断面两测压管水头差和渗透系数的计算分析与对比，也说明了这两段所施工的水泥土截渗墙具有明显的截渗效果，满足了设计和实际的需要。

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