新疆叶尔羌河流域中游渠首水闸基础处理试验研究

祝峰军，李连喜

1 概 述

叶尔羌河中游渠首位于新疆维吾尔自治区的西南部、塔里木盆地的西缘。中游渠首是叶尔羌河第四级引水枢纽，由泄洪冲砂闸、进水闸、溢流堰、上下游导流堤等建筑物组成。总引水规模为175 m3／s，控制灌溉面积13．69万 hm2，属Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。

工程区内25 km范围内无断裂构造通过，枢纽区处于地震活动相对稳定的区域，建筑物主要受外围强烈地震活动的影响。地震动峰值加速度0．10 g，地震动反应谱特征周期0．45 s（对应地震基本烈度为Ⅶ度）。

工程区勘探深度内，地下水类型为第四系孔隙潜水，含水层为粉细砂层，埋藏深度1 m；水化学类型主要为HCO3－·SO42－－Ca2＋·Mg2＋型、SO42－·HCO3－－Ca2＋·Na＋型水，地下水矿化度在0．4～5．2 g／L之间，pH值在7．0～8．2之间，具弱碱性［2］。

针对新疆叶尔羌河流域中游渠首水闸基础处理问题，设计采用钢性 C20F150W6砼防渗墙、C20F150W6钢筋砼灌注桩、振冲碎石桩、高压旋喷等多种形式相结合的方式处理水闸地基［3］。为进一步论证设计的合理性及施工的可行性。本文针对粉细砂地层水闸地基基础处理进行了试验研究，进一步验证及确定了各种基础处理的技术指标，选择了合理的施工工艺及施工参数，从而为设计、施工提供了可靠依据，并起到了优化设计的作用。

2 试验研究的依据及质量标准

2．1 试验研究的依据

根据业主的委托要求及现行规程规范的规定，本次试验研究的主要依据有：①《新疆叶尔羌河流域中游渠首水闸基础处理试验研究任务书》及技术要求；②《水工混凝土施工规范》（DL／T 5144-2001）；③《水利水电工程砼防渗墙施工技术规范》（SL174- 96）；④《水工建筑物防渗工程高压喷射灌浆技术规范》；⑤《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）等。

2．2 钻孔灌注桩质量标准

钻孔灌注桩的质量标准：①桩径Φ800 mm、桩距900 mm，深度满足设计要求；②钻孔倾斜小于1%；③砼满足C20、F150、W6的设计要求。

2．3 高压旋喷桩质量标准

高压旋喷桩质量标准：①桩径≮600 mm，孔深满足设计要求；②孔斜率小于1．5%；③水泥固结体设计指标：a．水泥固结体28 d龄期无侧限抗压强度fcu≥8 000 kPa；b．水泥固结体28 d龄期抗拉强度ft≥1 600 kPa；c．水泥固结体抗渗指标需达到 W6（因水泥固结体强度较低，最终抗渗指标应由试验结果提供）；d．水泥固结体在达到上述3项指标的同时，提出变形模量、压缩系数、压缩模量值。

2．4 钢性砼防渗墙质量标准

钢性砼防渗墙质量标准：①墙体厚度600 mm，深度满足设计要求；②砼强度达到C20，F150，W6的设计要求；③墙体具有较好的均匀性和连续性（特别是一、二期槽段连接处）。

2．5 振冲碎石桩的质量标准

振冲碎石桩的质量标准：①振冲器功率采用75 kW大功率振冲器，桩径1．0 m，深度满足设计要求；②振冲挤密后桩间土相对密度≥0．75；③加密段长度为300～500 mm。

3 钻孔灌注桩工艺试验

3．1 需解决的问题

钻孔灌注桩已经是比较成熟的施工工艺，采用CZ－22或CZ－30型冲击钻成孔在同类地层中均有类似经验和数据供参考。本次试验研究主要解决3个问题：一是研究在粉细砂地层中采用成孔新工艺的可能性；二是在高比重泥浆条件下如何保证钢筋笼浮笼问题；三是采用合适的手段检测灌注桩的质量，重点检测断桩及夹泥等缺陷。

3．2 现场工艺试验

根据任务要求及目的，结合现场实际情况和室内试验成果，灌注桩试验共布置4孔，孔径Φ800 mm，孔深20 m。

3．2．1 护壁泥浆

根据室内试验成果，护壁泥浆推荐两种，分别采用乌恰县和巴楚县黏土，因运距及黏土品质的不同，采用乌恰县黏土泥浆造价较高。考虑到灌注桩对泥浆要求相对可以较低，故1孔采用乌恰县黏土泥浆，3孔采用巴楚县黏土泥浆进行对比试验，以达到尽可能降低工程造价的目的。泥浆采用高速搅拌机（转速不低于 2 000 r／min）拌制，BW250／50型泥浆泵入孔，人工挖坑沉淀回收。

3．2．2 成孔工艺

根据以往类似工程的经验及设备现状，成孔工艺采用两种：一种为传统的冲击钻成孔工艺；另一种为旋挖钻机成孔工艺。两种成孔工艺分别实施2孔进行对比试验。主要设备为 CZ－30型冲击钻、SM870液压抓斗配R815旋挖钻机。

3．2．3 钢筋笼下设

钢筋笼按设计要求在钢筋加工厂统一制作，下设前严格检查钢筋品种规格、尺寸、焊接、绑扎等质量指标，确保符合设计要求。为保证钢筋笼在孔内的保护层符合设计要求，笼外每2 m焊接一环形钢筋，确保钢筋笼的砼保护层厚度及垂直度。钢筋笼下设前清孔换浆必须符合设计及规范要求，下设时采用吊车整体吊装，必须分段吊装时，接口须采用焊接，焊接接头错开1 000 mm以上。下设过程中如发生浮笼现象，采用分段配重的形式施工。钢筋笼下设完毕后，及时在孔口固定，防止浮笼，并尽快浇筑砼。

3．2．4 质量检测

除孔位偏差、孔底沉积、灌注桩尺寸、孔斜率、砼强度等常规质量指标外，影响灌注桩的主要质量缺陷是夹泥及断桩，因此进行质量检测是必不可少的。根据以往工程经验，在下设钢筋笼时，预埋3根钢管，采用物探声波方法（单孔及对穿）进行质量检测。

3．3 推荐工艺参数

3．3．1 护壁泥浆配合比

从试验结果来看，采用乌恰县黏土泥浆优于巴楚县黏土泥浆，但效果不是非常明显，从经济的角度出发，优先推荐巴楚县黏土泥浆，具体配合比及指标如下：黏土（巴楚县）583．3 kg／m3、膨润土（盐湖膨润土厂）50 kg／m3，泥浆比重1．3 g／cm3、泥浆黏度 29 s。

3．3．2 成孔工艺

从试验结果来看，采用冲击钻成孔和旋挖钻机成孔在技术角度上均可行，但工效差别较大，采用旋挖钻机成孔的工效是冲击钻成孔工效的5～10倍。旋挖钻机直接成本也明显低于冲击钻成本，但因旋挖钻机设备价值高（约1 000万元）和进出场费用大（单趟约10万元），分摊成本相对较高。鉴于以上情况，如灌注桩工程量较大（2 000 m以上）优先采用旋挖钻机成孔工艺，对保证工期非常有利，反之则可考虑冲击钻成孔工艺。

3．3．3 钢筋笼下设

根据试验结果，钢筋笼下设宜采用全孔一次下设，注意采取控制保护层厚度的措施，并应提前预备配重措施。

3．3．4 质量检测手段

从物探检测数据来看，采用预埋3根钢管进行单孔和对穿声波测试的办法可有效检测灌注桩的质量，尤其是对夹泥、断桩等缺陷可进行明确判断。在施工期可考虑增加至5根钢管，可提高资料的可靠性。

4 高压旋喷桩工艺试验

4．1 需解决的问题

高压旋喷桩已经是比较成熟的施工工艺，在类似地层的水库除险加固工程中已有较广泛的应用。本次试验研究主要是合理确定施工工艺参数及检验设计的各项指标。

4．2 现场工艺试验

根据任务要求及目的，结合现场实际情况和室内试验成果，高压选喷桩试验共布置3个方案，方案一布置3个Ⅰ序孔、2个Ⅱ序孔，Ⅰ序孔间距1．6 m、Ⅱ序孔在Ⅰ序孔中加密，孔深15 m。方案二、三相应将Ⅰ序孔间距调整为1．4 m、1．2 m。

根据以往类似工程的经验和设计要求及设备现状，采用双重管喷射工艺，分两序施工。施工工艺流程为：施工准备→钻机就位→跟管钻进成孔→下入PVC管→起拔套管→下入喷射管→制浆→高压喷射灌浆→冲洗器具→钻机移位→回填注浆→转入下一钻孔。钻孔采用风动冲击器跟管钻进成孔，双重管自下而上喷射作业，严格控制注浆流量、风量、压力、转速、提升速度等施工参数。

4．3 质量检验

根据工程地质条件和现场实际条件，质量检验采用人工开挖、围井注水、钻孔取芯、注水试验、标准贯入试验、重力触探等方法，检验结果是否达到设计要求。

4．4 推荐工艺参数

根据现场工艺试验及质量检验的结果，推荐工艺参数或成果如下：高压旋喷桩宜采用双重管工艺；施工参数为Ⅰ序孔间距1 200 mm。Ⅱ序孔居中加密、喷射管提升速度6 cm／min、高喷水压25～35 MPa、流量 80 L／min、空气压力0．5～0．7 MPa、风量1．1～2．0 m3／min、水泥浆压力0．8～1．0 MPa、注浆比重1．6～1．7 g／cm3、回浆比重1．2 g／cm3。

5 振冲碎石桩工艺试验

5．1 试验的缘由

振冲碎石桩的原理是在振冲器的重复水平振动和侧向挤压作用下破坏土体结构，使土体由松变密，提高地基的承载力，使土体的相对密度得到提高，达到土体由液化土转变为不液化土的目的。同时碎石等属于强透水体，具有排水功能，能有效地消散地震等震动引起的孔隙水压力，从而使液化现象大为减轻［4］。振冲法处理设计目前还处在半理论半经验状态，因此对大型、重要或场地复杂的工程，在正式施工前应通过现场试验确定其处理效果，验证和改进设计，使设计和施工可靠合理。

5．2 现场工艺试验

根据任务要求及目的，结合现场实际情况和室内试验成果，振冲碎石桩试验共布置18孔，桩径为Φ1 000 mm、孔深 20 m。桩距分别采用2．0 m、2．5 m、3．0 m、3．5 m、4．0 m、4．5 m 6种。

振冲碎石桩施工一般包括造孔、清孔、填料、加密4个工序。造孔采用75 kW振冲器，造孔水压控制在0．8 MPa左右，最大速度不超过2 m／min。造孔结束后按要求进行清孔，符合要求后开始填料，采用连续填料，严格控制填料数量和速度。加密是振冲法处理地基的关键环节，主要控制指标是填料量、加密电流、留振时间、加密段长度等。加密时从孔底开始，逐段向上，中间不得漏振。加密结束时先停止振冲器运行，后停止水冲［5］。

5．3 推荐工艺参数

5．3．1 桩距的确定

通过标准贯入试验检验桩间土体的各项力学指标。从试验结果来看，2．0～3．5 m桩距的各项指标均符合设计要求，4．0 m、4．5 m间距的局部地段出现检测结果不符合设计要求的情况，故推荐桩距采用2．5～3．5 m，具体在实施过程中，结合生产性试验进行合理调整。

5．3．2 施工参数

根据试验结果，振冲碎石桩推荐施工参数为造孔水压0．8 MPa、加密水压0．4 MPa、加密电流 90～120 A、留振时间10～15 s、加密段长30～50 cm，在具体实施时应进一步做好现场生产性试验。

6 钢筋砼防渗墙工艺试验

6．1 需解决的问题

砼防渗墙施工工艺比较成熟，但在新疆粉细砂地层中应用尚属首次，有必要经过工艺试验进行验证，并取得可靠的技术参数用以指导施工。本次试验研究主要解决3个关键技术问题：一是易坍塌粉细砂地层的护壁泥浆配合比；二是成槽工艺，应进行

不同成槽工艺的对比试验；三是接头孔工艺，对不同工艺进行比较，选择最优的接头处理方法。

6．2 现场工艺试验

根据任务要求及目的，结合现场实际情况和室内试验成果，钢筋砼防渗墙试验共布置4个“T”型槽段，其中2个槽段长度为6．0 m、2个为8．0 m，形成“Ⅱ”型围井，墙厚600 mm、墙深12 m。

6．2．1 护壁泥浆

考虑到粉细砂地层对泥浆要求较高，故2个6．0 m的槽段采用巴楚县黏土泥浆、2个8．0 m槽段采用乌恰县黏土泥浆进行对比试验。膨润土选用钻井液用膨润土，浆液主要以比重和漏斗黏度进行控制，比重控制指标1．15～1．3 g／cm3，黏度控制在 25～35 s。需增大比重时适量加入重晶石粉，为降低含沙量可适量加入纯碱，为提高黏度和减少泥浆的失水量可适量添加改性淀粉。采用高速搅拌机（转速不低于2 000 r／min）制浆，搅拌时间不少于10 min。

6．2．2 成槽工艺

目前防渗墙成槽工艺主要有：钻劈法、“两钻一抓”法、纯抓法等。本次成槽工艺分别采用：CZ－30型冲击钻钻劈法（槽段长6．0 m）；BH60液压抓斗纯抓法（槽段长6．0 m）；CZ－30型冲击钻配合 BH60液压抓斗“两钻一抓”法（槽段长8．0 m）；R815旋挖钻机配合液压抓斗“两钻一抓”法（槽段长8．0 m）。从技术、工效、成本、质量等各方面综合评价，推荐最优成槽工艺。

6．2．3 接头孔工艺

防渗墙施工工艺一般采用两序槽段施工，Ⅰ，Ⅱ期槽段接头的处理至关重要，直接影响防渗墙的整体性。目前常用的接头孔工艺有：套打一钻、预埋接头管、抓凿处理等。根据本项目的实际情况，接头孔工艺试验采用套打一钻及预埋接头管2种，择优推荐接头孔工艺。

6．3 推荐工艺参数

6．3．1 护壁泥浆配合比

从试验结果来看，采用乌恰县黏土泥浆明显优于巴楚县黏土泥浆，优先推荐乌恰县黏土泥浆，具体配合比及指标如下：黏土（乌恰县）666．7 kg／m3、膨润土 60 kg／m3、纯碱掺量0．3% ～0．4%（黏土重量）、改性淀粉掺量0．1% ～0．2%（黏土重量）、根据泥浆比重情况酌量掺加重晶石，泥浆比重1．32 g／cm3、泥浆黏度32 s、含沙量≯3%。

6．3．2 成槽工艺

从试验结果来看，4种成槽工法在技术上均可行。结合本项目的实际情况，综合考虑质量、工期、成本、施工条件等各方面因素，“两钻一抓”工法最优，作为首选推荐工艺。考虑到本项目防渗墙工作量大，施工期只有一个枯水期，施工场地相对狭窄，应优先考虑R815旋挖钻机成主孔；纯抓法成槽工艺可作为备选工法，该工法的优点是工效高于＂两钻一抓＂，不足之处是泥浆耗量较大，局部地段存在坍塌现象；钻劈工法建议不予采用，其原因是工效低，本项目施工强度大、场地狭窄，根本不具备大数量冲击钻同时施工的条件。槽段长度6．0～8．0 m是合适的，在具体的施工中，可根据实际情况进行适当调整，但最大槽段长不宜超过10．0 m［6］。

6．3．3 接头孔工艺

根据试验结果，2种接头孔工艺技术上均可行，从经济、工效等角度考虑优先推荐接头管工艺，套打一钻工艺可作为备选方案，在实际施工中也可采用其他可行工法，但应进行生产性试验。

7 结 语

本文针对叶尔羌河流域中游渠首水闸粉细砂地层基础综合处理问题，通过室内及现场试验，对钻孔灌注桩、高压旋喷桩、振冲碎石桩及钢筋混凝土防渗等工程措施施工技术问题、施工工艺进行了试验，并推荐了相应的施工工艺及技术参数。试验成果达到了预期的目的，为设计优化和施工提供了可靠的参考数据。目前该项目一期围堰范围内的基础处理项目已全部完成，施工参数经实践检验是合适的。通过该项目的顺利实施，为粉细砂地层中与地震液化、地基承载力较低、渗透稳定等相关问题的基础处理积累了经验，为以后开发利用叶尔羌河流奠定了基础。

［1］ JGJ79—2002，建筑地基处理技术规范［S］．

［2］ GB50021—2001，岩土工程勘察规范［S］．

［3］ 任江龙．新疆叶尔羌河流域中游渠首水闸基础处理试验研究任务书［R］．乌鲁木齐：水利水电勘测设计研究院，2007．

［4］ 赵明华．土力学与基础工程［M］．湖北：武汉工业大学出版社，2003．

［5］ 《基础工程施工》编写组．基础工程施工手册［M］．北京：中国计划出版社，2002．

［6］ SL174—96，水利水电工程砼防渗墙施工技术规范［S］．