深层搅拌地下连续墙技术在小海子水库中的应用

郭 涛，脱云飞，张丽娟，朱晓婷

（1.甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃张掖734000；2.西南林业大学环境科学与工程学院，云南昆明650224）

深层搅拌地下连续墙技术在小海子水库中的应用

郭 涛1，脱云飞2，张丽娟2，朱晓婷2

（1.甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃张掖734000；2.西南林业大学环境科学与工程学院，云南昆明650224）

根据2009年小海子水库在实施溃口维修以后，仍然存在诸多病险问题，不能按设计能力蓄水运行的现状，为防止库坝决口事件的再次发生，需要对薄弱坝体进行除险加固处理，采用深层搅拌地下连续墙对坝体进行防渗处理，截断或延长地下水渗径，防止地下水渗流在坝体中形成管涌、流土等现象，进而破坏大坝稳定。该研究为水库大坝安全隐患、实施除险加固以及水库安全运行提供技术依据。

深层搅拌；地下连续墙；除险加固；小海子水库

引言

小海子水库为黑河中游旁注式平原洼地水库，位于甘肃省高台县南华镇小海子村以南，距高台县城15km。水库始建于1958年，由上、中、下库三部分组成，坝型为壤土均质坝，总长10.10km，最大坝高8.72m，水域面积5.40km2，最大水深6.32m，历经多次加高和扩容处理，设计总库容1048万m3，总灌溉面积10万亩。该水库2004年实施了水库除险加固后，2007年4月19日下库北坝桩号2+681处发生决口事故，根据水利部事故调查组鉴定认为:“小海子水库溃坝事故属非自然因素造成的渗流破坏，坝前坝后形成了渗漏通道，导致坝体沉降、坍塌，最终酿成决口垮坝。”2009年在实施溃口修以后，仍然存在诸多病险问题，不能按设计能力蓄水运行。为防止库坝决口事件的再次发生，需要对薄弱坝体进行除险加固处理，采用深层搅拌地下连续墙对坝体进行防渗处理，截断或延长地下水渗径，防止地下水渗流在坝体中形成管涌、流土等现象，进而破坏大坝稳定［1～5］。

1 水库工程地质及水文地质概况

（1）溃Z K 1号钻孔位于坝体上，钻孔揭示: 0～7.70m为土黄～浅紫色筑坝碾压的粉质壤土，7.70～9.90m为灰～浅紫色地基粉质粘土层，9.90～10.02m为青灰色粉细砂层；地下水埋深9.12m；

（2）溃Z K 2号钻孔位于坝后约30.0m的库外老阴沟（原泄水渠）处，钻孔揭示:0～1.60m为人工填筑的土黄色粉砂土，1.60～3.40m为灰、灰绿至灰黑色沟道淤积淤泥层，3.40～8.20m为冲洪积青灰色粉细砂层，地下水埋深2.20m。表明原泄水渠已将灰～浅紫色地基粉质粘土层切穿，沟道淤积淤泥层与下部粉细砂层直接接触，缺失粉质粘土防渗层。

（3）溃Z K 3号钻孔位于坝前约40.00m的库内，钻孔揭示:0～1.30m为风积土黄色粉砂土，1.30～3.90m为土黄～浅紫色粉质粘土层，3.90～4.70m为冲洪积灰～灰绿色轻粉质壤土，4.70～10.10m为青灰色粉细砂层；地下水埋深2.20m。

（4）溃Z K 4号钻孔位于坝前约80.00m的库区导流渠内，钻孔揭示:0～1.20m为人工填筑的土黄色粉砂土，1.20～2.00m为灰、灰绿～土黄色沟道淤积淤泥层，2.00～4.20m为灰～浅紫色粉质粘土层，4.20～8.20m为青灰色粉细砂层，地下水埋深1.50m。

图1 布置形式示意图

溃坝发生后，经查阅原勘察资料，决口及其东部坝基下地层结构为:地表1.50～2.00m厚度灰黄色湖沼相轻亚粘土夹粉细砂透镜体，坝基清基时已全部清除；下部2.50～3.00m厚度的浅砖红色粘土层完整而连续，可作为坝基下防渗层；深部是巨厚（钻孔揭露厚度大于10m）的粉细砂及砂砾石。原勘测坝线选定在老排水沟北侧，坝线只与原泄水渠相交，老排水沟被包在库区内。施工图设计阶段，由于耕地和排阴问题与小海子村村民无法达成一致，将桩号2+775～4+766.8段坝体向南改移了60.00～80.00m，使该段排水沟处于后坝脚，距离最远的34.00m，最近的8.60m，沟底高程在1362.37～1360.41m之间。坝线改移后，虽没有进一步补充勘探，但根据周边所作的钻孔、探坑等勘探资料，改移坝线除排水沟和泄水渠外，坝基下厚度2.50m左右的浅砖红色粘土层被认为是完整而连续的。

水库所处地质地貌单元决定了地下水的赋存形式为平原松散岩类孔隙水，地下水总的流向自东南向西北，依地下水的埋藏条件可分为潜水和承压水两类。潜水带为表层第四系全新统湖沼相堆积的粉细砂或淤泥质砂壤土，厚度0～2.20m，潜水位埋深0～1.50m不等，渗透系数K值为1.00m/d～ 20.00m/d不等。水库处在承压水分布范围内，承压水有多个含水层，主要是上层第一个承压含水层，其顶板即为埋深0.50～2.50m厚度4.10～2.20m的土黄色或浅砖红色粉质粘土或粘土层，含水层即为下部的砂层，厚度20.00m左右，渗透系数K约15.00～40.00m/d，承压水头高于隔水顶板0.50～1.00m。决口段水文地质条件与区域水文地质条件基本一致，除浅表层孔隙性潜水外，主要存在的是下部砂层的承压水。在钻孔勘探资料中，初见水位大都在粘土层或轻粉质壤土的底板附近，但稳定水位不同程度地高于粘土层或轻粉质壤土底板［6～8］。因此，该坝基水文地质条件极其特殊，并且较为复杂。

2 深层搅拌地下连续墙设计与施工

2.1 地下连续墙设计

工程区内普遍分布土黄色或浅砖红色粉质粘土或粘土隔水层，但厚度不均，局部变薄，因冲沟水流冲蚀，隔水层缺失。在大坝修筑时，少数地段处理不到位，局部地方填筑质量欠缺，大坝出现渗水现象，长期的渗透破坏，危及大坝安全。为解决大坝安全问题，在大坝中设置深层搅拌地下连续墙一道，截断大坝地下水渗流通道，对坝基采取悬挂式防渗方案，延长地下水渗径，降低水力坡降，保障大坝安全［9～11］。深层搅拌地下连续墙布置在改移新筑大坝坝顶，轴线距坝顶上游边缘（防浪墙）距离不小于2.50m（图1），深层搅拌地下连续墙轴线长度约4.80km，墙底深度暂定12.00m，工程量约5.80m2。

深层搅拌地下连续墙厚度根据水泥土允许水力比降确定，但最小厚度不宜小于150mm。深层搅拌地下连续墙厚度计算如下。

式中:S—有效墙厚，m；△H—墙体两侧水头差，m，本工程为5.30m；［J］—水泥土允许比降，可取破坏比降的1/3～1/2；水泥土试验得到的破坏比降一般为200～600，［J］取值80。ηj—系数，可取1.10～1.40，取值1.20。

计算深层搅拌地下连续墙有效墙厚为80mm，即可满足破坏比降要求，按照最小墙厚和考虑预留安全度，按照最小墙厚为300mm取值。

深层搅拌地下连续墙施工设备，是通过强大动力设备带动多个钻头，在地下一次形成多根水泥土搅拌桩桩体，通过搅拌轴和钻头连锁装置，确保桩体互相切割和搭接，形成地下连续薄墙，发挥止水、截渗作用。深层搅拌地下连续墙施工选用三头设备，装配3根搅拌轴，轴间距320mm，搅拌头直径440mm，一次形成深层搅拌地下连续墙单元墙长度960mm。深层搅拌地下连续墙单元内相邻桩体搭接120mm，最小墙厚301.99mm，考虑桩位偏差和倾斜等偏差，单元墙之间首尾桩搭接170mm，单元墙有效长度910mm（图2）。深层搅拌地下连续墙墙顶最小墙厚347.42mm，考虑桩位偏移，墙顶最小墙厚339.41mm，墙底最小墙厚306.18mm，满足最小墙厚要求满足墙厚要求。

图2 单元成墙搭接示意图

深层搅拌地下连续墙固化剂水泥，强度等级不低于32.50级通用硅酸盐水泥，水泥掺入比12～18%（为安全起见，取高值，暂定18%），加固土体平均容重1.80g/cm3，水泥掺入量130kg/m2，水灰比为1.00～1.80（水泥掺入量及水灰比根据室内试验及现场试验最终确定）。深层搅拌地下连续墙水泥土抗压强度不小于0.50Mpa，弹性模量不大于1000Mpa，渗透系数A×10-6cm/s（1≤A＜10），渗透破坏比降不小于200。

2.2 施工技术要求

（1）先导孔

工程施工前，沿设计深层搅拌地下连续墙施工轴线施工先导孔，进行施工地质勘察，确定最终深层搅拌地下连续墙底线，确定水泥掺入量和水灰比等有关参数。先导孔可采用150型地质钻机施工，孔间距50m，一般地，先导孔深度进入相对隔水层不小于5.0m，或深入设计的深层搅拌地下连续墙底线之下不小于5.0m。

（2）成墙试验

施工前进行成墙试验，确定适合本工程地质条件的水灰比、提升速度和旋转速度等的施工参数，为工程的正式施工做好准备。

（3）施工技术要求

①孔位控制:为确保搭接长度、墙体厚度及整体性，放一条平行于设计地下连续墙体轴线的辅助线，根据桩孔距、搭接要求，制作孔位放样定位标尺，设备按定位标尺移位，使桩位偏差不大于10mm，满足设计要求；②墙体垂直度控制:施工前，用经纬仪校正设备塔架的垂直度，并在设备底盘上的三根连通管上做好刻度标记，确保施工时墙体垂直偏差不大于0.3%；③搅拌头控制:搅拌头直径不小于设计要求，施工时搅拌头直径偏差不大于10mm，定期进行检查，超出偏差范围进行更换；④深度控制:设备安装深度仪，严格按照施工图纸要求控制下钻深度、喷浆面停浆面，确保地下连续墙深度达到设计要求；⑤浆液控制:严格按照批准的水灰比配制水泥浆，水泥浆液应随配随用，灰浆搅拌机同时不断搅动，停置时间不超过4h，制备好的浆液不得离析，否则作为废浆处理；⑥输浆控制:输浆时精确记录输浆量，并使浆液泵送连续；应保证水泥浆液浓度并使之与搅起的泥土充分搅匀，使在钻进和提升过程中孔口始终微微翻浆；⑦喷浆钻进和提升的速度符合施工工艺要求，根据地层情况控制钻进速度，一般在0.80m/min～1.20m/min，提升速度一般控制在0.80m/min～1.50m/min范围内，提升速度要和输浆量相匹配且输浆连续；⑧在成墙过程中遇有故障而停止喷浆时，再次喷浆接桩，其喷浆重叠长度不小于0.50m；相交单元墙施工时间控制在24h内，否则对该单元墙进行喷水空钻留出榫头，恢复施工时可加大该单元墙的水泥掺入量。

2.3 特殊情况处理

（1）地下障碍物处理:地下如果有树根、建筑垃圾、块石、卵石等地下障碍物，可采用人工或小型挖机清除表层和浅层杂物，回填好土，并压实后，再进行深层搅拌法施工。如清除处理深度过大，采用清除办法不经济、不安全，采用绕行、高压喷射和深层搅拌地下连续墙相结合等工法进行施工。

（2）与建筑物和其他结构体搭接处理:在放水闸、输水洞等构筑物附近，深层搅拌地下连续墙施工至构筑物边缘最近距离不大于3.0m，采用三管法高压旋喷或摆喷截渗墙进行衔接施工，高喷截渗墙与深层搅拌地下连续墙轴线搭接不小于1.0m。

3 结论

深层搅拌是利用水泥类浆液与原土通过叶片强制搅拌形成墙体的技术。多头小直径深层搅拌桩机的问世，使各幅钻孔更能安全搭接形成连成一体的墙体，使排柱式水泥土地下墙的连续性、均匀性都有大幅度提高。从现场检测结果看:墙体搭接均匀、连续整齐、美观、墙体垂直偏差小，满足搭接要求。该工法适用于黏土、粉质黏土、淤泥质土以及密实度中等以下砂层，且施工进度和质量不受地下水位影响。从浆液搅拌混合后形成“复合土”的物理性质分析，这种复合土属于“柔性”物质，从防渗墙的开挖过程还可以看到，防渗墙与原地基土无明显分界面，即“复合土”与周边土胶结良好。因而，目前低矮的垂直防渗处理，在墙身不大于18.00m的条件下优先选用深层搅拌地下连续墙。

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表3 试件长径比换算系数

4 结语

工程施工实践表明，只要按照设计流程规范施工，完全能够保证混凝土衬砌施工的质量。河道工程作为输水的保障性设施，生命之源的通道，我们应严格施工质量检测，规范施工行为，保证工程的正常运行。

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1672-2469（2015）10-0095-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.30

国家自然科学基金项目（51279157），云南省教育厅项目，云南省高校优势特色重点学科（生态学）建设项目资助，西南林业大学水土保持与荒漠化重点学科建设项目。

作者介绍:郭 涛（1977年—），男，工程师。