水泥搅拌桩在水工施工中的应用

□杨 斌（江西省水利水电建设有限公司）

水泥搅拌桩在水工施工中的应用

□杨 斌（江西省水利水电建设有限公司）

水利水电施工工程建设，渗流问题一直是一大技术困扰，引起的坝体、坝基渗透破坏不但会造成水库水资源大量的损失浪费，也会引发水坝背水侧沼泽化与农田地下水位升高等现象，严重影响农业正常生产。为此，文章希望探讨一下水泥深层搅拌桩防渗的技术机理、工艺流程以及与其相关的防渗墙技术。最后以江西省鄱阳湖区二期防洪工程清丰山1标工程为实例背景，并为其设计水泥深层搅拌桩防渗墙工程方案。

水泥搅拌桩；水利工程；防渗墙；技术机理

0 前言

水泥深层搅拌桩技术在水利工程中非常常见，基于设计的防渗墙技术可以通过多头小直径深层搅拌机来实现原土搅拌与水泥土浆喷射，而且对地层的适应性更强，所设计的防渗墙在墙体质量上也有所保证，目前在全国各地水利工程中已经取得了较好的经济效益与社会效益。

1 深层搅拌桩技术的相关机理

1.1 技术机理

深层搅拌桩首创于20世纪60年代的日本，主要被应用于建筑物的地基加固与补强方面，例如：粘性土、砂类土、黄土与人工填土等地层都可以用来实施水泥深层搅拌桩工艺，起到加固饱和粘性土地基、增加软土地基承载能力、降低沉降量、提高边坡稳定性的作用。深层搅拌一般采用水泥或石灰作为主要固化剂，另外再配合木质素磺酸钙、石膏等等外加剂，利用深层搅拌机注入软土来实现搅拌过程，并等待软土与固化剂之间发生物理化学反应，从而改变软土固有性状，慢慢固结硬化。此时具有一定强度、水稳定性与整体性的水泥土就会形成，这样就改变了软基原有的软弱性质，使建筑物更加稳定。

1.2 水泥深层搅拌桩施工的工艺流程

目前国内常见的深层搅拌桩施工工艺主要有两种：提升时喷浆与贯入时喷浆，具体采用哪一种要根据地基地层的软硬程度与搅拌头工艺特征来决定。并且按照地基土力学指标与设计要求标准来确定是否要进行喷浆。下文主要介绍一下水泥搅拌桩的具体施工工艺流程。

第一步是桩机就位，利用绞车或起重机械来移动深层搅拌机到达指定桩位，并借助定位卡来确保搅拌机与桩位对中，其中桩位的对中误差要严格控制在50 mm以内。第二步要进行水泥浆的制备与预揽下沉工作。当深层搅拌机冷却水循环逐渐稳定以后，就可以启动搅拌机，把起重机钢丝绳放松使搅拌机能够向地层切土位置下沉。如果搅拌钻头的下沉速度过慢，就要利用输水系统向地基贯入清水，这样可以促进钻头切土钻进速率。第三步是提升搅拌喷浆，这是在启动灰浆泵以后将水泥浆完全压入到软土中，实施旋转喷浆双管齐下。同时也要按照设计要求来保持搅拌机的提升速度。第四步是重复上下搅拌操作过程，如果深层搅拌机在提升设计中专门加固深度与顶面高程，则要排空集料头中的水泥浆，避免其与软土搅拌不足，并将搅拌机置于旋转状态下并下沉于土中到设计加固深度再次进行重新反复搅拌。第五步是成桩移位，如果搅拌桩成桩以后，就要移动机械到下一桩位继续进行成桩操作，然后重复上述4步施工流程。

最后当成桩完毕以后，要对上述工作进行复搅成桩作业。在工艺选择方面，如上文所述要首先考察最佳喷浆时间、地层软硬程度以及搅拌头工艺特征等。如果是较为简单的施工过程可以采用钻入时喷浆，但就目前的大多数水利工程而言其施工工艺都会选择提升时喷浆，因为这更有利于桩体的成桩，同时它也避免了钻入喷浆搅拌头粘附过多水泥浆不利于清理现象的出现。另外，在地基地层加固过程中采用了软硬交替桩体设计和变掺量复杂技术，这种分段式的、不同喷浆工艺可以在一定程度上强化喷浆的提升速度与次数，而选用变量泵来实现该施工工艺则再合适不过。

2 清丰山1标防洪工程水泥深层搅拌桩防渗墙施工技术应用

2.1 工程概况与设计指标

江西省鄱阳湖区二期防洪工程清丰山1标工程位于清丰山左堤，南昌县广福镇境内，具体从南昌县上官塘村为起点，到岗前渡槽为止。堤线全长5.60 km，堤身深层搅拌防渗桩桩号为4+050～5+000。它的防渗墙沿线地质结构从上至下分别为素填土表层（层厚度为4.90～6.20 m），粘土下层（层厚度为1.30～2.90 m），淤泥质粘土底层。它的主要设计参数如下：首先水泥的摄入量在8%～12%范围，水灰比为0.80～2.00；单轴抗压厚度为R28≥0.80 MPa；渗透系数为K≤1×10-6cm/s；墙体破坏渗透比降为J≥200；最后成墙厚度应该至少在18 cm以上。

2.2 基于水泥深层搅拌桩的防渗墙施工

由于水泥深层搅拌桩本来就是一种新型防渗技术，所以它目前被广泛应用到水利工程施工当中，它具有以下3点优势：第一，它利用到了工程原土体，并同时运用普通硅酸盐水泥进行成墙施工，且这种施工技术在截渗效果方面非常突出，能够延长水坝防渗墙的寿命；第二，它的成墙造价相比于同类技术性价比更高；第三，它避免了水坝防渗墙由于开槽所引发的塌孔问题、地基结合搭接不良问题等等。文章为清丰山1标工程所采用的是悬挂式防渗墙以及多层地基防渗墙施工工艺，它的工艺流程图如图1。

图1 工艺流程示意图

基于图1工艺流程，结合清丰山左堤堤身结构，为该防洪工程设计了两套防渗墙布设方案：以双层地基为主的悬挂式防渗墙以及多层地基防渗墙。首先是悬挂式防渗墙，考虑到清丰山1标工程水坝坝基冲积层具有较厚的透水层覆盖，如果为其建造封闭防渗墙，一方面工程投资量大，另一方面施工难度也不低，很难以保证项目施工质量，所以考虑为这种厚型透水地基选择悬挂式防渗墙。从技术上来讲，悬挂式防渗墙比封闭式防渗墙在防渗效果方面略差，所以要注意它的墙体背水侧坡要保持在50%以上在水面以上，适当增加渗径，保证堤身浸润线与渗径基本重合为最佳，此时的水坝堤身渗漏量也能被控制到最低。最后，在防渗墙处还应该插入2 m以上的不透水层。

再者就是以多层地基为主的防渗墙设计，因为该工程水坝在地基方面透水层与弱透水层是互层关系，其中弱透水层连续程度、厚度均较大，渗透系数较小，所以要为其实施以半封闭为主的防渗墙结构设计施工。该防渗墙选择在堤顶下方设置，因为这样可以避免水库水从坡脚附近越过防渗墙直接流入地基强透水层，造成防渗墙防渗功能丧失。另外还要在临水侧实施人工铺盖，使防渗墙地基能与防渗坝体连接为一体。从设计成本角度来看，这种设计方法在造价消耗方面低廉，所以应该将其作为该项目的防渗墙建设首选方案[2]。

2.3 水泥深层搅拌桩的相关设计

在为清丰山左堤水坝进行防渗墙设计施工时，主要要考虑两点内容，防渗墙的渗透系数取值以及防渗墙厚度确定。

2.3.1 水泥深层搅拌桩防渗墙的渗透系数取值研究

该工程中对防渗心墙、斜墙的防渗系数都提出了要求，要求二者的防渗系数必须小于坝体材料渗透系数的1/100，所以该工程中防渗墙的防渗效果就直接由墙体地基土的相对渗透性来最终决定。考虑到同等材料在防渗墙所表现出的不同透水性以及不同地基防渗效果，所以在该工程中试验其地基透水层渗透系数如果达到防渗墙的100倍，就认定它的防渗效果较小不符合标准；达到1 000倍时，则防渗墙侧坡脚的覆盖层承受水头压力从堤防总水头的60%降到30%，如果是10 000倍，则这一数字改变为20%，所以该工程中防渗墙的渗透系数合理取值范围应该控制在1/1 000～1/10 000。在设计方面，为该工程地基强透水层所设计的是基于水泥深层搅拌桩技术的垂直防渗墙，它的渗透系数＜1×10-6cm/s，此时就可以基本满足防渗需求。

2.3.2 水泥深层搅拌桩防渗墙的厚度设计研究

常理来看是防渗墙的厚度决定了防渗效果的优劣，不过考虑到清丰山左堤水坝的防渗墙在渗透系数上与强透水层渗透系数相差1 000倍，所以在该工程中决定防渗效果的不是墙体厚度，而是强透水层中渗流的阻碍作用，当防渗墙渗透功能达到稳定时，它的墙体厚度就应该定位在那一设计厚度。因此对该工程中防渗墙的厚度计算为：

其中：H代表防渗墙前后方位的水头差，J则是防渗墙的允许渗透坡降。满足上述公式要求，该工程的防渗墙厚度就可以基本确定[3]。

3 总结

文章主要针对水泥深层搅拌桩技术机理与防渗墙施工技术进行了研究，并以江西省鄱阳湖区二期防洪工程清丰山1标工程为实例背景为其提出了适合于其特点的防渗墙设计形式——水泥深层搅拌桩防渗墙。从文章研究可以得出两个结论，水泥深层搅拌桩防渗墙在防渗效果上表现良好，其渗漏量至少降低70%左右，同时也能实现对坝体渗透变形破坏的预防，降低水坝下游的浸没影响。其次由于该工程中防渗墙地基属于深厚型透水地基，所以针对它的地基特点采用了多层地基为主的防渗墙以及悬挂式防渗墙，这两种防渗墙在实际应用中对渗径控制效果较好，可以大幅度降低渗漏量，而在造价方面也相当经济，为该水坝日后的稳定运行奠定了扎实基础。

（责任编辑：韦诗佳）

TU 753

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1673-8853（2016）11-0031-02

2016-10-11