水泥攪拌樁在水工施工中的應用

□楊 斌（江西省水利水電建設有限公司）

水泥攪拌樁在水工施工中的應用

□楊 斌（江西省水利水電建設有限公司）

水利水電施工工程建設，滲流問題一直是一大技術困擾，引起的壩體、壩基滲透破壞不但會造成水庫水資源大量的損失浪費，也會引發(fā)水壩背水側(cè)沼澤化與農(nóng)田地下水位升高等現(xiàn)象，嚴重影響農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)。為此，文章希望探討一下水泥深層攪拌樁防滲的技術機理、工藝流程以及與其相關的防滲墻技術。最后以江西省鄱陽湖區(qū)二期防洪工程清豐山1標工程為實例背景，并為其設計水泥深層攪拌樁防滲墻工程方案。

水泥攪拌樁；水利工程；防滲墻；技術機理

0 前言

水泥深層攪拌樁技術在水利工程中非常常見，基于設計的防滲墻技術可以通過多頭小直徑深層攪拌機來實現(xiàn)原土攪拌與水泥土漿噴射，而且對地層的適應性更強，所設計的防滲墻在墻體質(zhì)量上也有所保證，目前在全國各地水利工程中已經(jīng)取得了較好的經(jīng)濟效益與社會效益。

1 深層攪拌樁技術的相關機理

1.1 技術機理

深層攪拌樁首創(chuàng)于20世紀60年代的日本，主要被應用于建筑物的地基加固與補強方面，例如：粘性土、砂類土、黃土與人工填土等地層都可以用來實施水泥深層攪拌樁工藝，起到加固飽和粘性土地基、增加軟土地基承載能力、降低沉降量、提高邊坡穩(wěn)定性的作用。深層攪拌一般采用水泥或石灰作為主要固化劑，另外再配合木質(zhì)素磺酸鈣、石膏等等外加劑，利用深層攪拌機注入軟土來實現(xiàn)攪拌過程，并等待軟土與固化劑之間發(fā)生物理化學反應，從而改變軟土固有性狀，慢慢固結(jié)硬化。此時具有一定強度、水穩(wěn)定性與整體性的水泥土就會形成，這樣就改變了軟基原有的軟弱性質(zhì)，使建筑物更加穩(wěn)定。

1.2 水泥深層攪拌樁施工的工藝流程

目前國內(nèi)常見的深層攪拌樁施工工藝主要有兩種：提升時噴漿與貫入時噴漿，具體采用哪一種要根據(jù)地基地層的軟硬程度與攪拌頭工藝特征來決定。并且按照地基土力學指標與設計要求標準來確定是否要進行噴漿。下文主要介紹一下水泥攪拌樁的具體施工工藝流程。

第一步是樁機就位，利用絞車或起重機械來移動深層攪拌機到達指定樁位，并借助定位卡來確保攪拌機與樁位對中，其中樁位的對中誤差要嚴格控制在50 mm以內(nèi)。第二步要進行水泥漿的制備與預攬下沉工作。當深層攪拌機冷卻水循環(huán)逐漸穩(wěn)定以后，就可以啟動攪拌機，把起重機鋼絲繩放松使攪拌機能夠向地層切土位置下沉。如果攪拌鉆頭的下沉速度過慢，就要利用輸水系統(tǒng)向地基貫入清水，這樣可以促進鉆頭切土鉆進速率。第三步是提升攪拌噴漿，這是在啟動灰漿泵以后將水泥漿完全壓入到軟土中，實施旋轉(zhuǎn)噴漿雙管齊下。同時也要按照設計要求來保持攪拌機的提升速度。第四步是重復上下攪拌操作過程，如果深層攪拌機在提升設計中專門加固深度與頂面高程，則要排空集料頭中的水泥漿，避免其與軟土攪拌不足，并將攪拌機置于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下并下沉于土中到設計加固深度再次進行重新反復攪拌。第五步是成樁移位，如果攪拌樁成樁以后，就要移動機械到下一樁位繼續(xù)進行成樁操作，然后重復上述4步施工流程。

最后當成樁完畢以后，要對上述工作進行復攪成樁作業(yè)。在工藝選擇方面，如上文所述要首先考察最佳噴漿時間、地層軟硬程度以及攪拌頭工藝特征等。如果是較為簡單的施工過程可以采用鉆入時噴漿，但就目前的大多數(shù)水利工程而言其施工工藝都會選擇提升時噴漿，因為這更有利于樁體的成樁，同時它也避免了鉆入噴漿攪拌頭粘附過多水泥漿不利于清理現(xiàn)象的出現(xiàn)。另外，在地基地層加固過程中采用了軟硬交替樁體設計和變摻量復雜技術，這種分段式的、不同噴漿工藝可以在一定程度上強化噴漿的提升速度與次數(shù)，而選用變量泵來實現(xiàn)該施工工藝則再合適不過。

2 清豐山1標防洪工程水泥深層攪拌樁防滲墻施工技術應用

2.1 工程概況與設計指標

江西省鄱陽湖區(qū)二期防洪工程清豐山1標工程位于清豐山左堤，南昌縣廣福鎮(zhèn)境內(nèi)，具體從南昌縣上官塘村為起點，到崗前渡槽為止。堤線全長5.60 km，堤身深層攪拌防滲樁樁號為4+050～5+000。它的防滲墻沿線地質(zhì)結(jié)構(gòu)從上至下分別為素填土表層（層厚度為4.90～6.20 m），粘土下層（層厚度為1.30～2.90 m），淤泥質(zhì)粘土底層。它的主要設計參數(shù)如下：首先水泥的攝入量在8%～12%范圍，水灰比為0.80～2.00；單軸抗壓厚度為R28≥0.80 MPa；滲透系數(shù)為K≤1×10-6cm/s；墻體破壞滲透比降為J≥200；最后成墻厚度應該至少在18 cm以上。

2.2 基于水泥深層攪拌樁的防滲墻施工

由于水泥深層攪拌樁本來就是一種新型防滲技術，所以它目前被廣泛應用到水利工程施工當中，它具有以下3點優(yōu)勢：第一，它利用到了工程原土體，并同時運用普通硅酸鹽水泥進行成墻施工，且這種施工技術在截滲效果方面非常突出，能夠延長水壩防滲墻的壽命；第二，它的成墻造價相比于同類技術性價比更高；第三，它避免了水壩防滲墻由于開槽所引發(fā)的塌孔問題、地基結(jié)合搭接不良問題等等。文章為清豐山1標工程所采用的是懸掛式防滲墻以及多層地基防滲墻施工工藝，它的工藝流程圖如圖1。

圖1 工藝流程示意圖

基于圖1工藝流程，結(jié)合清豐山左堤堤身結(jié)構(gòu)，為該防洪工程設計了兩套防滲墻布設方案：以雙層地基為主的懸掛式防滲墻以及多層地基防滲墻。首先是懸掛式防滲墻，考慮到清豐山1標工程水壩壩基沖積層具有較厚的透水層覆蓋，如果為其建造封閉防滲墻，一方面工程投資量大，另一方面施工難度也不低，很難以保證項目施工質(zhì)量，所以考慮為這種厚型透水地基選擇懸掛式防滲墻。從技術上來講，懸掛式防滲墻比封閉式防滲墻在防滲效果方面略差，所以要注意它的墻體背水側(cè)坡要保持在50%以上在水面以上，適當增加滲徑，保證堤身浸潤線與滲徑基本重合為最佳，此時的水壩堤身滲漏量也能被控制到最低。最后，在防滲墻處還應該插入2 m以上的不透水層。

再者就是以多層地基為主的防滲墻設計，因為該工程水壩在地基方面透水層與弱透水層是互層關系，其中弱透水層連續(xù)程度、厚度均較大，滲透系數(shù)較小，所以要為其實施以半封閉為主的防滲墻結(jié)構(gòu)設計施工。該防滲墻選擇在堤頂下方設置，因為這樣可以避免水庫水從坡腳附近越過防滲墻直接流入地基強透水層，造成防滲墻防滲功能喪失。另外還要在臨水側(cè)實施人工鋪蓋，使防滲墻地基能與防滲壩體連接為一體。從設計成本角度來看，這種設計方法在造價消耗方面低廉，所以應該將其作為該項目的防滲墻建設首選方案[2]。

2.3 水泥深層攪拌樁的相關設計

在為清豐山左堤水壩進行防滲墻設計施工時，主要要考慮兩點內(nèi)容，防滲墻的滲透系數(shù)取值以及防滲墻厚度確定。

2.3.1 水泥深層攪拌樁防滲墻的滲透系數(shù)取值研究

該工程中對防滲心墻、斜墻的防滲系數(shù)都提出了要求，要求二者的防滲系數(shù)必須小于壩體材料滲透系數(shù)的1/100，所以該工程中防滲墻的防滲效果就直接由墻體地基土的相對滲透性來最終決定。考慮到同等材料在防滲墻所表現(xiàn)出的不同透水性以及不同地基防滲效果，所以在該工程中試驗其地基透水層滲透系數(shù)如果達到防滲墻的100倍，就認定它的防滲效果較小不符合標準；達到1 000倍時，則防滲墻側(cè)坡腳的覆蓋層承受水頭壓力從堤防總水頭的60%降到30%，如果是10 000倍，則這一數(shù)字改變?yōu)?0%，所以該工程中防滲墻的滲透系數(shù)合理取值范圍應該控制在1/1 000～1/10 000。在設計方面，為該工程地基強透水層所設計的是基于水泥深層攪拌樁技術的垂直防滲墻，它的滲透系數(shù)＜1×10-6cm/s，此時就可以基本滿足防滲需求。

2.3.2 水泥深層攪拌樁防滲墻的厚度設計研究

常理來看是防滲墻的厚度決定了防滲效果的優(yōu)劣，不過考慮到清豐山左堤水壩的防滲墻在滲透系數(shù)上與強透水層滲透系數(shù)相差1 000倍，所以在該工程中決定防滲效果的不是墻體厚度，而是強透水層中滲流的阻礙作用，當防滲墻滲透功能達到穩(wěn)定時，它的墻體厚度就應該定位在那一設計厚度。因此對該工程中防滲墻的厚度計算為：

其中：H代表防滲墻前后方位的水頭差，J則是防滲墻的允許滲透坡降。滿足上述公式要求，該工程的防滲墻厚度就可以基本確定[3]。

3 總結(jié)

文章主要針對水泥深層攪拌樁技術機理與防滲墻施工技術進行了研究，并以江西省鄱陽湖區(qū)二期防洪工程清豐山1標工程為實例背景為其提出了適合于其特點的防滲墻設計形式——水泥深層攪拌樁防滲墻。從文章研究可以得出兩個結(jié)論，水泥深層攪拌樁防滲墻在防滲效果上表現(xiàn)良好，其滲漏量至少降低70%左右，同時也能實現(xiàn)對壩體滲透變形破壞的預防，降低水壩下游的浸沒影響。其次由于該工程中防滲墻地基屬于深厚型透水地基，所以針對它的地基特點采用了多層地基為主的防滲墻以及懸掛式防滲墻，這兩種防滲墻在實際應用中對滲徑控制效果較好，可以大幅度降低滲漏量，而在造價方面也相當經(jīng)濟，為該水壩日后的穩(wěn)定運行奠定了扎實基礎。

（責任編輯：韋詩佳）

TU 753

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1673-8853（2016）11-0031-02

2016-10-11