套孔旋挖黏土防滲墻在河道堤防防滲中的應用

侯 麗，張天琦，周 健

（南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京210022）

0 引 言

總結一系列堤防及水庫安全穩定分析結果，常見安全隱患為塌陷、漏洞、管涌、流土、散浸等問題，有的甚至還存在威脅堤后鐵路、村莊安全的可能性[1]。主要原因為老堤先天不足、壩身單薄、邊坡陡，同時河勢彎道也加劇了河坡沖刷，影響堤坡穩定。另外，在汛期當河水上漲到一定高度時，且持續時間又較長，堤身呈浸水飽和狀態，土體完全飽和后，抗剪強度低，堤身的自重增加，相應下滑力增大，滲流產生的滲透力進一步增加了土體的滑動力，汛期的降雨及水位變化是大堤失穩的誘發原因。因此河道消險工程具有工期短、場地小、險情急等特點。鑒于此，本文通過分析黏土防滲墻在施工過程中的受力變形趨勢，確定影響其防滲效果的主要因素。比較常見的防滲處理技術，提出一種基于套孔沖抓技術的改進套孔旋挖防滲墻施工技術，應用于工程實踐中，通過防滲墻監測手段證明其防滲效果有效，可為類似工程提供參考。

1 黏土防滲墻滲透及受力分析

防滲墻在成型前，被加固壩體或堤防存在的應力狀態稱為初始狀態，此時做防滲及應力分析時為穩定滲流狀態，滲透曲線也是根據擋水水位及地下水位形成的一條平滑下降曲線[2]。之后在防滲墻澆筑施工狀態時，其受力分析大致可分為以下三個階段：

（1）施工初期階段。河道為施工水位，但墻前-墻后水位差尚未形成，防滲墻僅受自重應力，無彎曲應力。

（2）施工中期階段。河道為施工水位，墻前-墻后水位差形成，防滲墻出現彎曲應力和變形。

（3）施工末期階段。河道上升到正常水位，墻前-墻后水位差進一步增加，防滲墻彎曲應力和變形也進一步增加。

在防滲墻施工過程中，周圍土體一般已經固結完成，不再發生沉降，故施工時防滲墻不用承擔周圍土體的自重荷載，并且墻前、墻后的土壓力及水壓力是基本平衡的。即防滲墻施工初期階段，其所受荷載僅為自重，一般不會出現彎曲應力。在進行應力變形分析時，需考慮壩體與防滲墻的固結沉降的非同時性，數值模擬計算中不能對壩體和防滲墻同時施加重力荷載，否則防滲墻因為剛度較大而承擔周圍土體的部分重量，造成計算結果失真。在施工中期階段，防滲墻混凝土固化而發揮防滲作用后，壩體的滲流狀態隨之發生改變，墻前浸潤線有所抬高、水壓力增加，墻后浸潤線降低、水壓力減小，造成防滲墻前后的水壓力不平衡而發生彎曲變形。在施工末期階段，墻前、墻后土體的變形將帶動防滲墻發生變形。故防滲墻的應力狀態與其施工方法、周圍土體特性關系最為密切，其施工速度是防滲墻能否產生較大彎曲應力的主要原因，施工工藝的選擇尤為重要。

2 防滲處理技術

2.1 常見防滲處理技術對比分析

目前南京地區塘壩防滲處理方式采用較多的為劈裂灌漿、充填灌漿、多頭小直徑水泥深攪樁防滲墻、高壓旋噴樁防滲墻及黏土沖抓錐防滲墻等。綜合對比它們的優缺點具體如下：

（1）劈裂灌漿。劈裂灌漿是利用水力劈裂原理，對存在隱患或質量不良的土堤在堤軸線上鉆孔、加壓灌注泥漿形成新的防滲墻體的加固方法。堤壩體沿壩軸線劈裂灌漿后，在泥漿自重和漿、壩互壓的作用下，固結而成為與壩體牢固結合的防滲墻體，堵截滲漏[3]。該方法在壩體防滲加固工程中雖已廣泛應用，但仍然存在復灌時間不確定、泥漿加固計算不精準、灌漿過壓等問題。

（2）充填灌漿。沿堤頂軸線偏河道一側布設多排灌漿孔，利用漿液自身壓力將漿液注入堤壩體內，充填已有的裂縫、洞穴等壩體隱患，以達到提高堤防防滲能力的一種方式方法。為了提高灌漿效率和效果，也可以在注漿孔口施加一定的泵壓力，通常灌漿壓力小于50 kPa。但灌漿過程中每次插管深度及漿液配合比受現場條件影響較大，出現壩頂冒漿及串孔風險，故對施工技術要求較高。

（3）多頭小直徑深攪樁防滲墻。多頭小直徑深層水泥攪拌防滲墻是利用水泥類漿液與原土通過葉片強制攪拌形成墻體的技術。多頭小直徑攪拌樁機更能使各幅鉆孔安全搭接，形成一體的墻體，使排柱式水泥土地下墻的連續性、均勻性都有大幅度提高，墻體較規整，垂直偏差小。但該方法對土層地質條件要求比較嚴格，土體中存在空洞易造成防滲樁在該處斷裂。

（4）高壓懸噴樁防滲墻。高壓噴射灌漿是高壓噴射水、氣或漿液介質沖刷切割土體，并使漿液與土體顆粒摻混凝土結合形成防滲墻體[4-5]。施工場地要求較低，施工速度快，不受堤前水位影響。但該方法對施工精度要求高，造孔偏斜易使墻體開岔，施工質量不易控制。高壓旋噴成墻后，隨著堤防沉降，防滲墻與周圍土體產生裂縫分開，防滲效果不能保證。不同土層容漿量差異大，所形成的墻體防滲性能差異較大，工程投資大。

（5）黏土沖抓錐防滲墻。利用沖抓式打井機具在堤身內造孔，回填防滲性能好的黏土，分層夯實，形成一道連續的黏土防滲墻；同時在回填夯實時，對井壁土層擠壓，使井孔周圍土體密實，從而達到防滲加固的目的。其特點如下：機械設備簡單，施工方便；工程量小，造價低；防滲效果好，能下孔檢查；適應地層廣，深度可達60m以上。最大的缺點就是造孔速度慢，在工期短的工程應用上受到制約。

2.2 套孔旋挖防滲技術

鑒于傳統套孔沖抓技術造孔速度慢、工期較長，南京市水利規劃設計院在2015年調研外系統的有關施工工藝時，與施工單位一同對套孔沖抓施工方案進行了改進研究，提出套孔旋挖施工方案，并首次應用于浦口區萬壽河消險項目中，取得了良好的效果。改進施工工藝后有效加快了施工速度，且壓實效果好。2016~2017年，南京市水利規劃設計院又與施工、監理單位進一步合作，提出了新的工藝改進措施。改進后的套孔旋挖機械是一種綜合性鉆機械，其優點如下：機動性強，可快速轉場；鉆具種類多樣、輕巧，可快速裝卸；適應多種地層，且速度快，相比沖擊鉆成孔快約80%；對環境污染小，不需要循環取渣。套孔旋挖機械如圖1所示。

圖1 套孔旋挖施工機械示意圖

2.3 套孔旋挖施工工藝

施工前需要先將上斷面開挖整平，然后按設計放樣，確定每孔的中心軸。為滿足立架和施工要求，布孔中心線距壩坡不得小于2m，否則加寬。根據施工圖紙放樣，沖抓樁機需對準中心樁，造孔順序分二序間隔進行，即先完成一序孔，后完成二序孔。套孔要保證平整垂直，孔位允許偏差±3 cm。沖抓出的土方就近堆放于背水坡坡面處，可用于堤面整坡土料。回填前將井底浮土夯實，并保證井內無水；井內如有滲水，及時用水泵抽干。對井壁滲水，在滲水方向布置副井，用深井泵抽吸，攔截滲水，保證套井回填質量。填土夯實是提高抗滲強度、防止壩面裂開的重要環節。夯擊在落錘時，要保持幾秒的穩定時間，以免造成夯錘碰撞孔壁，降低夯擊功能。通過現場取樣，檢查回填土的夯實情況，測定夯實后的干密度和含水量。取樣不合格的需立即返工，并采取相應的處理措施。具體施工工藝流程及經驗參數如圖2所示。

圖2 套孔旋挖防滲墻施工工藝流程示意圖

2.4 套孔旋挖方案設計

2.4.1 鉆孔平面套接布置

設計常用雙排布孔，在二級平臺偏上游側按主、套相間布置，一主一套相交連接成墻。先打主孔①、③號，回填后再打套孔②號，回填后再打⑤號孔，回填后再打④號孔，依此順序，進行打孔回填。套孔即雙號孔為整圓，主孔即單號孔被套孔切割，呈對稱蝕圓。鉆孔平面套接布置如圖3所示。

圖3 套孔旋挖黏土防滲墻鉆孔平面套接布置圖（單位：mm）

2.4.2 有效厚度、孔距的確定

黏土防滲墻厚度T按下式計算：

式中：H為作用于防滲墻的設計水頭；J為黏土防滲墻允許水力坡降，按有關資料[J]取10。

3 堤防消險工程應用

3.1 萬壽河堤防消險工程

萬壽河星甸段左岸堤防加固工程起點為斬龍橋（K0+000），終點為萬壽河與滁河交匯口（K1+800），該段堤防全長1.8 km。堤身填土土質不甚均勻，粉土等少黏性土局部分布較多。堤身干重度局部偏小，現場試驗測出滲透系數大，達中等至強透水性。受強降雨和上游來水影響，堤防迎水坡出現十多處塌陷（掉天洞），背水坡出現30余處管涌、流土等險情。在采用套孔沖抓方案實施了400m后，該類土層采用套孔沖抓技術為40min/m（進尺），施工進度過慢。經各方協商后改為套孔旋挖方案，為6.7min/m（進尺），4臺機械同時施工。該段堤防設計洪水位為13.70～13.20m，作用于防滲墻的最大設計水頭H=13.70-7.00=6.70（m），黏土防滲墻有效厚度應不小于0.67m，設計防滲墻有效厚度為1.45m，孔距為0.92m，孔深為5.2~6.0m。典型設計斷面如圖4所示。經施工后防滲墻質量檢測，均滿足設計要求。

圖4 萬壽河堤防加固典型斷面設計圖（單位：mm）

3.2 朝陽圩堤防消險工程

南京市高淳區堤防消險工程中朝陽圩多處堤防滲漏，該段堤防堤身填土土質不甚均勻，粉土等少黏性土局部分布較多。堤身干重度局部偏小，滲透性達中等透水，堤防填筑質量總體較差，汛期堤身發生多處滲漏險情。該類土層采用套孔沖抓技術為43 min/m（進尺），采用套孔旋挖技術為4min/m（進尺）。故該工程設計采用套孔旋挖黏土防滲墻防滲處理，整治長度約7 400m，2臺機械同時施工。此次設計防滲墻有效厚度為1.45m，孔距為0.92m，孔深為5.5~9.3m。經施工后防滲墻質量檢測均滿足設計要求，檢測結果見表1、表2。

表1 高淳堤防消險項目防滲墻變水頭滲透試驗檢測結果

表2 高淳堤防消險項目防滲墻物理特性檢測結果

3.3 胥河勝利圩堤防消險工程

固城鎮胥河勝利圩位于蕪申運河左側，此次出險段樁號為K0+000~K0+898、K1+188~K1+390，全長約1 100m，為老堤。汛期迎水坡發生滑坡、塌陷，背水坡滲水。根據出險特點、堤身粉質黏土土質及堤身處理經驗，綜合比較套孔沖抓黏土防滲墻及套孔旋挖黏土防滲墻兩種加固處理方案。該類土層采用套孔沖抓技術為45min/m（進尺），采用套孔旋挖技術為5min/m（進尺）。且套孔旋挖方案投資最小；施工場地要求較低，機械設備簡單，進場、施工方便；堤防附近土料儲量較大，且土質相對較好，為粉質黏土，滿足施工需要；防滲效果好，便于檢查；枯水季節施工，降低受堤前水位影響；回填質量要求較高，經土工試驗后使用，同時保證夯實質量。最終采用套孔旋挖加固方案，4臺機械同時施工。該段堤防設計洪水位為13.00m，作用于防滲墻的最大設計水頭H=13.00-8.00=5.00（m），黏土防滲墻有效厚度應不小于0.50m，此次設計防滲墻有效厚度為1.45m，孔距為0.92 m，孔深為6.5m。典型設計斷面如圖5所示。經施工后防滲墻質量檢測，均滿足設計要求。

圖5 固城鎮勝利圩堤防加固典型斷面設計圖（單位：mm）

4 結 語

對于堤防消險類工程的滲漏問題，根據以往施工經驗，萬壽河堤防消險工程原本設計采用套孔沖抓處理技術，2個月施工僅完成400m，速度太慢，進而改為套孔旋挖處理技術施工，后期用約3個月就完成了剩下的1 400m。朝陽圩堤防消險工程若用套孔沖抓技術施工需要約71個月完成，而用套孔旋挖技術施工則需約6.6個月。胥河勝利圩堤防消險工程若用套孔沖抓技術施工需要10個月完成，采用套孔旋挖技術施工則需約2.5個月。且以上工程中防滲墻質量檢測均滿足設計要求，采用套孔旋挖技術對堤防進行防滲加固，能夠在保證防滲墻質量的前提下有效縮短工期。