水泥土防渗墙在堤防加固工程中的应用

王 勇

摘要:防渗墙技术是堤防加固的一项重要措施,取得了巨大的经济效益和社会效益。本文分析了水泥土防渗墙技术原理、施工工艺、施工质量控制,证明水泥土防渗墙技术在堤防加固工程中资的推广应用,应优先采用。

关键词:水泥土;防渗墙;堤防加固

1 前言

根据我国堤防加固工程实际情况,经过大量的实践和观测,摸索出了一套行之有效的堤防加固措施。积累了丰富的经验。如放淤固堤加固、防渗墙加固等,本文分析了我国堤防工程中存在的主要问题,并对水泥土防渗墙技术的应用与研究进行初步探讨。

2 我国堤防工程中存在的主要问题

2.1 堤基复杂

许多河流历史上决口改道频繁,造成大堤基础复杂多样,由于在堵口时将大量的秸料、木桩、砖石料物等埋于堤身下部,形成了强透水层,一旦遇洪水期高水位时,极易形成渗水通道,威胁堤防安全。

2.2 堤身质量差

许多堤防是在原民埝的基础上逐步加高培厚修筑的,受当时的技术、施备、经济和社会环境条件等多因素的限制。普遍存在用料不当、压实度不足等问题。根据堤身取样分析,干密度小于1.5t/m3的土样占总数的52%-81%。此外,还存在裂隙多、獾狐洞穴及空洞多的问题。

2.3 堤身断面单薄

许多河流随着河床的淤积抬高,两岸堤防随之加高后堤防断面更显得薄弱偏小。很多堤段不满足设计浸润线平均比降平工段1:8,有些堤段出逸点高于地面达4m以上。

2.4 渗流稳定不满足要求

在近年来的堤防加固工程设计中,进行了大量的渗流分析。结果表明:许多现状堤防最大渗透坡降一般为0.3-0.4,出逸高度一般为1.5-3m,根据堤基、堤身土质分析,其允许渗透坡降一般在0.25左右,难以满足堤身、堤基渗流稳定要求。因此,为了确保河流下游防洪安全,必须对堤防进行加固。

3 水泥土防渗墙技术原理

多头小直径深层搅拌防渗技术运用特制的多头小直径深层搅拌桩机把水泥浆喷人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目的。

3.1 水泥土的固化机理

土体中喷入水泥浆经搅拌使水泥和土发生一系列的物理-化学反应:①水泥的水解和水化反应;②离子交换与团粒化反应;③硬凝反应;④碳酸化反应。水化反应减少了软土中的含水量,增加颗粒之间的粘结力;离子交换与团粒化作用可以形成坚固的联合体;硬凝反应又能增加水泥土的强度和足够的水稳定性;碳酸化反应还能进一步提高水泥土的强度。

3.2 防渗墙成墙原理

防渗墙成墙方法是用双动力多头深层搅拌桩机,通过主机的双驱动力装置,带动主机的钻头,钻至设计深度,然后随搅拌随提升钻头至孔口,在上述钻进及提升的同时,注入水泥浆,水泥浆与原土充分拌和。连续并纵移桩机,多次重复上述过程,形成一道水泥土防渗墙。水泥土防渗墙具有整体性、连续性、稳定性、不透水性等优点,且可改善堤身的性能。由于施工中不需要开槽,其适用土层范围较广,如粘土、砂土、粉质粘土、淤泥,甚至有架空或洞穴地层,并可用于汛期施工。

4 防渗性能指标

设计时需要考虑的防渗指标主要有:渗透累敷(K)、破坏比降、抗压强度CRL、变形模量等。

4.1 渗透系数(K)

堤防防渗墙的目的主要是防止管涌等较严重的渗水,保证大堤安全。渗透系数达到10-5cm/s,已是微透水。这样的渗量很难破坏大堤。因此渗透系数不必要求过小,小于10-5cm/s即可。

4.2破坏比降

破坏比降反映了水泥土的抗渗能力。经过长江、淮河,松花江等多项工程取样试验,当水泥掺入比8%叫5%。28天龄期时,水泥土的破坏比降均大于300。到目前为止。笔者还没有得到真正破坏时的破坏比降。安徽省水科院曾做到500未能真正破坏,因此建议设计取用允许比降时不应太低。-般来说可取100以上。

4.3抗压强度限(R)

水泥土抗压强度在防渗工程中不是控制指标,在设计时不必过于苛求,但由于其是反映水泥土特性的重要指标,因此在应用中不可忽视。水泥土强度随被加固土质的不同有较大差异。经过多项工程实践表明:在水泥掺人比12%时,水泥土90天抗压强度,砂土中可达到3.0Mpa以上,粘性土中可达1.0Mpa以上,淤泥质土中可在0.5Mpa以上,一般均大于老粘土的强度。

4.4变形模量(E)

堤防防渗墙往往很长,而且土层变化大,要求墙体适应变形的能力强,因此希望变形模量尽量小,土质。水泥掺人量以及搅拌的均匀程度。对变形模量影响很大,笔者曾测定过少量水泥土样晶的变形模量,其值为当A×102-A×104Mpa(1104Mpa时其结果并不令人满意。经分析,变形模量随抗压强度的提高丽增大,一般为抗压强度的100-500倍。

考虑到堤防防渗水头不高(一般不超10m),墙体长一般都在1.0km以上,高水位持续时间短(一般不超过一个月),且置于堤身或堤脚土层中等特点,建议设计要求的渗透系敷不必过小,允许比降取用不必太保守,抗压强度不宜过大,变形模量应尽量降低。

5 施工质量控制

5.1 输浆量

在了解了水泥土防渗墙的加固机理以后,输浆量的控制应较容易解决。理论上讲应使水泥浆充分填充土层中的孔隙。在水泥浆、被搅拌土体。土体中水充分拌和达到液态形成水泥土浆时,整个桩柱自上而下应是密实的。因此,输浆量的控制标准应是孔口微微翻浆。

关于输浆量的计量。由于堤防土层的不均匀性加上水泥土浆的可流动性,采取随施工深度计量喷浆量的办法是不可取的。按设计渗人量,采用流量仪,随深度平均分配控制辖浆量,一方面使孔隙率大的地方吃浆严重不足,达不到加固效果;另一方面在孔隙率小的地方多输浆,造成较大浪费,因此在堤防防渗工程中,尤其是堤身防渗工程,输浆量计量应以总量计量,不应随深度计量。

5.2垂直度的控制

垂直度是防渗墙施工中必须严格控制的一个重要参数,影响垂直度的因素有,(1)设备本身缺陷,钻杆弯曲,甚至机架本身的不垂直等。经多项工程实践,一般土层,排除特殊因素,对所施工水泥土墙开挖检测垂直度,统计发现,施工深度l0m以内,垂直度偏差均在0.5%以内。多数集中在0.3%,施工深度15m的墙。其垂直度偏差在0.8%以内,多数集中在0.5%,多头小直径深层搅拌截渗桩机由于是非一次成墙设备,多头之间无固定约束。施工中随施工深度增加产生钻杆漂移的可能性加大,但由于其钻杆刚度的作用,只要不超过一定深度,垂直度还是可以保证。因此建议目前的施工机械其施工深度不宜超过15m。据了解,国产一次成墙深层搅拌桩机厦即将问世,相信新机型将有效解决垂直度偏差问题,同时还可使加固深度大大增加,旧土层中障碍物。由于钻杆具有相当大的刚度。在土层基本均质时-般不会发生钻杆漂移现象。但当土层中存在较大石块或其它较硬异物时,障碍物的导向作用将会使钻杆发生较大偏斜,尤其是土层上部障碍物引起的偏斜,因此施工前应沿施工轴线开挖较深的导向沟,以清除浅层石缺等障碍物,(3)操作时误差。桩机上应有调平装置,在施工前应严格使桩机水平。施工过程中仍应检查桩机是否水平,由于施工时机械振动,著遇施工面上层松软。可能会出现新的不水平。因此施工中的调平也很重要。

6结束语

水泥土防渗墙技术具有工艺简单、造价相对较低、施工速度快、成墙效果好等特点,该技术成墙过程对堤防无任何破坏,并且对堤防疏松土体有明显改善,防渗效果明显。