深层搅拌水泥土防渗墙在小海子水库除险加固工程中的应用

【摘要】在我国的西北地区，受地理环境及地质条件的限制，对深层搅拌防渗墙施工工艺的科学研究和实际运用相对较少。在高台县小海子水库下库北坝处理时，笔者有幸参与了深层搅拌防渗墙施工，对施工全过程进行了详细的描述。

【关键词】水库；深层搅拌法；防渗墙；质量检测

引言

深层搅拌法是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深部将软土和固化剂强制拌和，促使混合体内发生一系列的物理～化学反应后，形成具有整体性、稳定性和一定强度的水泥加固土，从而改善了基础的物理力学性能，提高了地基承载力，达到加固软土地基的目的。根据结构的要求，加固体可布置成柱状、壁状和块状三种不同的加固形式。深层搅拌机按搅拌头的数量，分为单头、双头和多头等不同类型。搅拌轴一般由内、外双层管组成，外管下端安装有搅拌头，上端与立架的起吊设备相连，并由电动机带动旋转，内管供输送水泥浆等介质。

1、工程概况

高台县小海子水库位于甘肃省张掖市高台县南华镇小海子村，为一座旁注式平原洼地水库。水库始建于1958年，历经数次续建、修复、加固加高处理后，形成现在的上、中、下三个库，水库总库容为1048.1万m3，为中型Ⅲ等工程，承担着友联灌区的南华、骆驼城、巷道、宣化、黑泉等5个乡（镇）、48个行政村、2个国营农场共计10万亩农田及林草地的灌溉调蓄任务。下库北坝长4803m，坝顶宽度5m，坝顶高程1370.5m，最大坝高8.67m，上游坝坡为1：2.25，下游坝坡为1：2，坝体为壤土填筑均质坝。本次加固的重点是下库北坝，利用深层搅拌法施工工艺，在坝体内形成一道悬挂式防渗墙，将坝体与坝基连成统一的防渗体，有效延长渗径，减少渗水通道和渗透破坏。

2、加固方案选择

根据下库北坝坝体渗流数据分析，在正常蓄水位下，坝体部分铺盖缺失，坝后排水沟普遍离坡脚较近，并经过屡次的挖深，排水沟已切入粉质粘土层面以下1.5～2.1m，以下0.5～1.5m左右的粉质粘土层结构疏松、薄弱，将会逐渐发展成为渗流出口；下库大坝填筑质量差，坝体平均压实度0.93，平均渗透系数为5.09×10-4cm/s，易溶盐含量平均值为4.43%，均难于满足规范要求，存在坝体、坝基渗漏安全隐患；下游坝坡存在鼓起疏松、返碱泛白，坝顶及坝坡存在纵向裂缝及兽穴。

为了解决上述问题，当地水行政主管部门、流域管理部门及设计单位拟定了多种加固处理方案，包括高压喷射灌浆、旋喷桩连续墙、深层搅拌防渗墙、用土工膜延长上游铺盖等方案。综合分析比较后，确定对下库北坝段坝体、坝基采用深层搅拌地下连续防渗墙处理，处理方案工程造价低，工期短，处理效果可以满足坝体防渗要求，还能有效降低冲刷破坏。

深层搅拌地下连续防渗墙布置在下库北坝坝顶轴线处，长度为4803m，墙体轴线距坝顶上游边缘距离2.5m。大坝坝顶高程为1370.80，防渗墙顶部高程为1369.2，鉴于各段坝基粘土层层厚不同，并根据渗流分析结果确定，在桩号0+000～1+200段防渗墙自坝底起深入粘土层以下2m，在桩号1+200～4+803段防渗墙自坝底起深入粉砂层以下2m。

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，每一单元墙体有效长度为910mm。同一单元内桩体间搭接宽度不小于120mm，单元与单元桩体间的搭接宽度不小于170mm，理论最小墙体厚度为306.18mm，即最小墙体（搭接部位）厚度不小于300mm。

3、施工准备

3.1先导孔

工程施工前，根据设计要求完成先导孔的钻孔施工，复核地质勘察资料的准确性，确定深层搅拌防渗墙底部高程、水泥掺入量和水灰比等参数。先导孔采用150型地质钻机施工，孔间距50m，共布置96个先导孔。先导孔的深度应深入相对隔水层不小于5.0m，或深入设计的防渗墙底高程之下不小于5.0m。

3.2成墙试验

根据设计要求，在坝体附近选择一处同等地质条件的空旷区进行成墙试验，验证深层搅拌防渗墙施工工藝的适用性，确定适合本工程地质条件的水灰比、浆液比重、提升速度、旋转速度等施工参数，为工程施工做好准备。试验过程中各项技术指标控制如下：

3.2.1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。

3.2.2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%。

3.2.3搅拌头控制：搅拌头的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，超出偏差范围及时进行更换。

3.2.4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。

3.2.5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，灰浆搅拌机应不间断搅动，若停止则时间不得超过4小时，且浆液不得离析，否则作废浆处理。

3.2.6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拌，使在下沉和提升过程中孔口始终微微翻浆。

3.2.7速度控制：下沉和提升速度符合施工工艺要求，根据地层情况控制下沉速度，一般在0.8～1.2m/min，提升速度控制一般控制在0.8～1.5 m/min范围内，提升速度要和输浆量匹配且输浆连续。

4、深层搅拌防渗墙施工

4.1施工工艺

4.1.1桩机定位：深层搅拌桩机移至指定桩位，对中、调平、校正塔架垂直度，进行设备的地面试运转，检查管路、线路、仪表等完好情况。

4.1.2制备浆液：按试验室指定的水灰比进行浆液的制备。水泥采用P.SMR 42.5中抗硫水泥，配制时准确计量，搅拌均匀，搅拌完成后存入储浆桶内待用。当气温在10℃以上时，浆液存放时间不得超过3h；当气温在10℃以下时，不超过4h；浆液存放时控制浆体温度在5～40℃范圍内。

4.1.3搅拌下沉：启动搅拌桩机，使主机动力装置带动钻杆转动，开启灌浆泵和记录仪，按确定的下沉速度搅拌下沉至设计要求的高程。

4.1.4搅拌提升：桩机搅拌下沉至设计要求墙底高程后，在墙底搅拌，待孔口返浆正常时，按确定的速度提升至设计要求的墙顶高程，停浆面高于墙顶高程30～50cm为宜。

4.1.5桩机纵移：完成上一个单元墙的施工后，桩机沿墙轴线方向纵移，每次纵移长度91cm。桩机移位到下一个单元墙的位置后，人工用放样标尺复核桩位，无误时即可开始本单元墙的施工，如此往复形成连续的水泥土地下防渗墙。

4.2特殊情况处理

4.2.1因故停工：停工时间较短恢复施工时，能下沉到原施工停浆面0.5m以下，可重新搅拌提升；若停工时间较长恢复施工后，无法下沉至停浆面以下0.5m时，采用下一单元墙处理时，在上一单元墙的一侧或两侧同时布置搭接施工。若停工时间超过24小时且无法用搅拌搭接法处理时，采用高喷灌浆自下而上喷浆至停浆面以上50cm。

4.2.2接头处理：前一作业面的单元墙与后续作业面单元墙搭接处间隔时间很长，无法进行搭接时，下一单元墙施工前与已施工完的单元墙预留一定距离（70-90cm），然后采用高压摆喷灌浆，按设计墙底和墙顶高程进行搭接处理。

4.2.3断桩处理：施工中出现断桩时，导致原桩位无法进行复搅下沉施工，可采用相应处理办法，即在对应断桩处进行钻孔，采用高压旋喷灌浆处理。处理高程范围为断桩底高程以上0.5m处到断桩设计墙底高程以下0.5m，同时，沿深搅墙轴线桩间净距平移30mm，进行下一根深搅单元墙施工，待水泥土搅拌墙有一定强度后，在30mm处用钻机钻孔至断桩底高程，然后采用水泥砂浆进行全孔灌浆。深搅墙断桩处的高喷施工按正常高喷布孔施工。

4.2.4遇障碍物的处理：施工中，如遇到地下障碍物（埋石等）无法下沉时，障碍物埋深较浅时，直接挖出后回填继续施工，障碍物埋深较深时，在遇障碍物处进行钻孔高压旋喷灌浆处理，处理高程范围为遇障碍物处高程以上0.5m处至水泥土防渗墙设计底高程段。

5、施工质量检测

高台县小海子水库加固施工完成后，为了有效检验防渗墙的完整性和连续性，根据项目质量评定及施工验收规范的要求，建设单位、施工单位共同委托第三方检测单位完成本项目的施工质量检测。检测单位按照委托事项，编制了检测方案，经现场监理工程师批复后，对本项目的施工质量进行了全面检测工作。

工程质量的检测采用开挖检测法、钻孔取芯检测法、探地雷达无损检测法等多种方法进行，检测区域根据检测方法的不同，均衡布置在施工坝段。检测数量按施工数量5%控制，质量检测在防渗墙达到28d龄期后进行。

5.1开挖检测法

开挖检测对坝体会具有一定的破坏性，因此开挖检查布置了共5处。开挖前查询原始施工记录，将开挖段尽量布置在施工中出现停浆、复搅及搭接处理等特殊情况的地段。开挖采用小型挖掘机辅以人工进行，开挖深度控制在坝顶以下2.5m以内，尽量减少对坝体的人为伤害。

5.2探地雷达无损检测法

探地雷达是一种具有高分辨率的物探探测技术，广泛应用在深度小于30m工程勘察领域，可对地下浅部埋藏的目标体进行检测。水泥土防渗墙与周围介质存在一定的物性差异，这就为适用探地雷达探查防渗墙的连续性提供了良好的条件。探地雷达检测共分段布置了8处，每处的检测长度为50m。

5.3钻孔取芯法检测是直接检测深层搅拌桩的桩身完整性最为直观和最为真实的手段。通过钻孔取芯将水泥土芯样完整地取出地面，直观鉴定桩身的均匀性、颜色及桩长是否达到设计值，并对芯样可以送试验室检测无侧限抗压强度、渗透系数等性能指标。取芯钻孔共布置了10个，均匀布置在0+500～3+500段的坝体上。

通过多种方法的综合检测，工程质量最终确定为合格。综合检测评定认为，地下防渗墙的搭接宽度、墙体有效宽度均匀一致，墙体质量较好，不存在内部空洞、孔隙等质量问题，钻孔取芯基本完整，单元桩与单元桩间搭接良好，部分单元桩的孔斜超出控制值，但仍在符合质量范围内；墙底界面明显，界面（桩底）深度满足设计要求，个别桩体存在不密实现象，但不影响正常使用。防渗墙样品试验室检测数据表明，墙体渗透系数在4.51×10-7～9.03×10-7cm/s间，抗压强度在0.36～0.51Mpa间，满足设计要求。

6、结束语

小海子水库下库北坝经过深层搅拌水泥土防渗墙处理后，坝基的防渗性能显著提高，据水库管理站日常观测数据显示，坝后的地下水位明显下降，排水阴沟的水流量明显减少，防渗墙的施工，有效地消除了坝体与坝基间的渗漏通道，延长了坝基的渗径。通过近一年来的观察，原来在坝外侧坡脚生长旺盛的白杨树、红柳等植物，由于地下水位的下降，出现了树木枯萎死亡现象，并且范围持续扩大。相关的数据及现象同时验证，深层搅拌水泥土防渗墙在高台县小海子水库除险加固工程中是成功的。

参考文献：

[1]党安强， 黄宜更， 苏汉民. 多头小直径深层搅拌桩水泥土截渗墙技术在东平湖水库围坝除险加固工程中的应用[J]. 山东水利科技论坛， 2006（00）： 199-201.

[2]刘日海. 水泥土深层搅拌桩在塘马水库加固工程中的应用[J]. 西部探矿工程， 2006（10）： 67-68.

作者简介：汪生琪，出生于1974年9月，男，汉，青海省湟中县，职称：工程师，学历：本科。主要研究方向：水电工程施工管理。