水泥搅拌桩防渗墙在水屯营水库坝体防渗工程中的应用

许杰民 许臻真

（太原市水利技术推广服务站 山西太原030024）

1 水屯营水库工程概况

太原市清徐县水屯营水库（又名清泉西湖）位于清徐县城西部。水库修建的最初作用是积蓄清徐梁泉自流井的常年出流，兼有白石南河和泽鱼河的缓洪作用。1997年秋梁泉自流井断流，水库的补给水源改为从汾河二坝西干渠引水。

水屯营水库是一座地面式水库，于1964年建成，后于1978年及2004年相继进行了清淤扩建。大坝为均质土坝，最大坝高8m，正常蓄水位均高出周围地面，蓄水面积102.8万m2。大坝周长3910 m。总库容500万m3。是一座以供水为主，兼顾灌溉的小（Ⅰ）型水库，工程等级为Ⅳ等，主要建筑物大坝为四级建筑物。设计灌溉面积233hm2，每年工业供水量600万m3。

2 存在问题

水屯营水库于2010年完成了安全鉴定，水库大坝存在的主要问题是坝体土总体上质量较差，坝体填筑土的干密度较小，土体均匀性差；坝基的粉细砂层存在侧向渗水。

2.1 坝体土质量

依据本次勘察竖井44组土样的试验资料，可以看出，坝体土呈可塑～坚硬状态，孔隙比为0.601～0.946，属中等～高压缩性土。

坝体土的含水率19.8%～32.5%，总体上来看，一般情况下由上至下含水率有逐渐增大的趋势，接近地下水位时土体接近饱和状态，竖井底部孔壁上可见有水滴渗出，井底有渗水或在翌日时井底出现积水。

坝体土的干密度为1.41～1.71g/cm3，变化较大，在垂向上及横向上均无明显的变化规律可寻。总体来看，坝体土干密度偏低，密实度较小，干密度变化较大，且呈无规律性分布，说明坝体土碾压均匀性存在一定程度的差异性。按坝体干密度设计值1.60 g/cm3来考虑，其压实程度偏小，大坝坝体土的工程质量较差。

坝体土标准贯入试验锤击数为5～12击，锤击数数值大小差异较小，在垂直方向和水平方向上变化趋势略为偏大，说明坝体土的密实度变化较大，坝体土下部密实度较上部密实度要大些。

综上所述，从地质测绘成果及室内试验资料分析，总体上来看，坝体土质变化较大，均匀性较差，密实度较低，坝体土填筑质量欠佳。

2.2 坝基地质特性

水库地质勘查结果显示，水屯营水库坝基土层以低液限粉土和低液限黏土为主，透水性较小，但在东部坝基水平距离0+000～0+780 m地段，在西部坝基水平距离2+100～2+920 m及北部坝基水平距离2+920～3+900 m地段，总长度为2580 m，占大坝总长度的66.15%。坝基土层中分布有厚度0.4～1.4m的粉细砂层，其渗透性大，坝基渗透系数为4.9×10-4cm/s～1.5×10-6/cm/s，在坝基下游出溢形成出溢或抬高地下水位，因而水库在该坝基段会产生较大的渗漏量。经计算，坝基最大渗漏量达1050.7m3/d，折合水库年渗漏量为38.5万m3。

3 工程措施

水屯营水库是典型的地面式水库，坝体周长相对较长，四周多是村庄和耕地，由于水库大坝渗漏量大，周围耕地常年积水盐碱化，村庄房屋潮湿；由于水库已建多年，防渗墙已经达不到防渗效果，为确保水库大坝安全、减少施工工作量、方便施工，经综合论证，确定采用水泥搅拌桩防渗墙对大坝坝体及坝基进行防渗处理。

防渗墙中心线布置在坝轴线靠上游侧，防渗墙高12m，即从坝顶向下1m开始至坝基以下5m之间（高程763.50 m至751.50 m需要防渗），最小搭接墙厚0.3m，防渗墙设计要求达到渗透系数小于1×10-6cm/s，抗压强度大于0.3MPa。防渗墙平面布置图详见图1。水泥搅拌桩孔径0.44m，孔间距为3.22m，搭接段长度不能小于0.3m，防渗墙轴线位于坝轴线上游侧0.5m处。

图1 水泥搅拌桩平面布置图（尺寸单位：cm）

4 水泥搅拌桩施工

4.1 施工准备

清场备料：由于坝顶为硬化的混凝土路面，因此在施工前，根据设计的水泥搅拌桩防渗墙轴线开挖水泥路面，清除坝顶堆积物，作业面不得小于5m，当坝顶表面过软时应采取相应措施防止机械失稳，以保证搅拌桩的正常施工。同时将临近施工时备足水泥用量，施工机械就位。

测量放线：根据大坝上已经测定的控制点以及提供的坐标基准点，按照设计图纸要求测放墙体施工轴线，并用竹签标记。桩间距和孔径严格按照设计要求设置，确保墙体搭接满足设计要求。

安装调试：测量放线完成后支撑移动车和主机就位，在适当的位置架设桩架，同时安装制浆、注浆设备，确保上述设备安装完成后，接通水路、电路，运转调试。

开挖储留沟铺设垫板：根据设计施工图纸要求开挖储留沟并在沟内铺设垫板，储留沟可以保证钻机钻进过程中所需水泥的余浆储放量和回浆补给量，垫板用来均衡主机对坝体的压力防止应力集中，主机失稳，储留沟长度应超前主机作业10 m。

4.2 钻机就位

本次采用的钻机是DSMM-5Ⅲ18三头水泥搅拌桩机。

桩位测放检验合格后，钻机就位。根据3根搅拌轴轴间的中心距离，在墙体中心的标线上划定每幅间套接的位置，偏差不能超过5cm。采用水平管法、吊垂线法和镶嵌水准泡法控制钻杆的垂直度，确保钻杆偏斜率不超过0.5%，墙体垂直偏差不能超过0.3%。定时检修钻头叶片磨损情况，确保桩径满足设计要求。钻头钻进速度及最终掘进深度可以通过桩架导柱上划分标尺来控制，挖掘深度偏差不超过设计深度的0.2m。

4.3 预搅下沉及制浆

钻机就位后，首先钻机下沉，下沉过程应匀速进行，钻进搅拌速度控制在0.5～1m/min。钻进过程中随时检测搅拌轴的垂直度，以保证搅拌桩的偏倾率不超过0.5%。当钻头钻至桩底设计高程时，停止下沉。根据不同土质，水泥浆液的配制按照设计要求和技术指标的要求配置。本工程中水泥掺入量为12%，水灰比选用1：0.60，并随配随用；浆液不能发生离析，用比重计量测控制浆液的质量。放浆前搅拌30 s再用泵把配制好的水泥浆输送到储浆罐，可以防止灰浆离析。

4.4 提升喷浆

预搅下沉至设计桩底高程后，必须在桩底持续喷搅数秒后再回转提升钻杆，再以1～1.5m/min的速度边提升边喷浆，提升喷浆量为整根桩注浆量的30%，以保证墙体底部质量。当钻杆提升至设计桩顶高程时，停止提升，继续喷浆数秒。

4.5 下沉喷浆

为确保墙体强度均匀，采用下沉喷浆，ν下沉≤1m/min，直到桩底。下沉过程中若发生断浆，须从断浆面以上0.5m处开始复喷。喷浆过程中为防止水泥掺入量不均需经常搅动积料斗的浆液。断浆面需作好记录。

4.6 复搅提升

当下沉喷浆完成后，钻具均匀提升ν提升≈1m/min，到达设计桩顶高程时停止提升并持续搅拌10 s后再将钻具提出孔口。一孔水泥搅拌桩的施工完成，重复上述过程便可完成水泥搅拌桩防渗墙的施工。

5 工程效果

水屯营水库除险加固工程于2012年4月1日开工，同年6月30日完工，工程竣工后水库防渗取得了预期效果：

1）水库周边村庄的浸渍问题得到了有效遏制，房屋潮湿问题得到改善；

2）田间浸水消失，改善了农业生产条件，粮食产量得到提高；

3）减小了水库渗漏量，供水效益得到提高；

4）提高了大坝结构安全稳定性，有效地降低了土石坝坝体浸润曲线。

总之，平原地面式水库（及人工湖）采用水泥搅拌桩对土石坝坝体及坝基进行防渗处理，是一种行之有效的措施，水库的经济效益和社会效益实现了双赢，为低坝及常年蓄水的土石坝除险加固工程提供了参考经验。

6 建议

水泥搅拌桩在水屯营水库防渗工程中成功的应用，为土石坝防渗提供了施工方法，为小型地表水库的水泥搅拌桩防渗墙防渗措施提供了参考依据。以下是针对水泥搅拌桩防渗墙施工提出的建议：

1）在钻头钻进过程中为防止喷浆嘴堵塞需经常检查喷浆管路是否畅通；

2）喷桨完成后为保证水泥掺入量达到设计要求、墙体强度满足设计要求应及时计算每孔耗灰量，要特别重视墙体下部的耗灰量；

3）控制好钻杆的垂直度达到设计要求，保证墙体搭接、墙体连续性满足设计要求；

4）钻孔过程中孔间距略小于设计孔间距，钻具叶片磨损情况应经常检查，防止墙体搭接厚度不满足设计要求；

5）墙体水泥掺入量均匀密实是影响墙体质量的关键因素，因此在搅拌、下沉、提升时，应严格控制其速度。