高压定喷灌浆截渗墙在环巢湖生态修复四期工程中的应用

张玉程

（上海市政工程设计研究总院（集团）第六设计院有限公司，安徽 合肥 230061）

1 概述

环巢湖生态修复四期工程共包含13个单项工程，庐北大圩堤防截渗工程即为其中之一。庐北大圩位于庐江县北部，东临巢湖，总面积136.9 km2，耕地面积0.92万hm2亩，是庐江县唯一的10万亩以上圩口。庐北大圩堤防截渗工程主要内容：杭埠河右堤堤防截渗，总长19.5 km，采用水泥土搅拌桩截渗墙；白石天河左堤堤防截渗，总长11.65 km，采用高喷灌浆截渗墙。本文主要针对白石天河左堤的高喷灌浆截渗墙进行探讨。

根据地勘报告，白石天河左堤，堤身为杂填土，渗透系数K=1.76×10-4cm/s，中等透水性，厚度约6.0 m～7.0m，局部存在建筑垃圾；堤基中透水层为②2层轻粉质壤土、砂壤土，渗透系数K=3.40×10-4cm/s，中等透水性，厚度约5.0 m，埋深约15.0 m。综合白石天河左堤的地质情况、截渗墙深度情况，造价较低的水泥土搅拌桩截渗墙不适用于该段堤防，本次设计拟采用高喷灌浆截渗墙。高喷灌浆截渗墙主要有旋喷、摆喷、定喷等3种形式，在满足工程安全性的前提下兼顾工程经济性，经综合比选后，设计采用高压定喷灌浆截渗墙。

2 高压定喷灌截渗墙设计

为保证成墙可靠，同时兼顾经济合理，高压定喷灌浆截渗墙的连接方式选择定喷折接，三管法（CJP工法）施工。

高压定喷灌浆截渗墙的设计，主要内容包括以下4方面内容：

（1）截渗墙厚度的计算；（2）定喷孔距的计算；（3）截渗墙贯入深度的计算；（4）截渗墙与现状穿堤建筑物的连接。

2.1 截渗墙厚度的计算

截渗墙厚度主要取决于墙体的渗透稳定性和结构应力等因素。渗透稳定性主要由允许水力比降控制，结构应力主要由强度指标控制。结构应力在大坝工程中应予以重视，在堤防工程中，因墙深不大且有土体的围压作用，截渗墙通常不会因为强度问题而破坏。

根据《深层搅拌法技术规范》（DL/T 5425-2018），截渗墙厚度D可按下式进行简化计算：

式中：H为截渗墙作用水头，按6.0 m全水头计；[J]为高喷凝结体的允许水力比降，查阅相关资料[J]基本为80～100，本次取[J]=100；η 为系数，可取 1.1～1.4，本次取 1.3。

经计算，D=1.3×6/100=0.08 m。结合工程经验，高压定喷凝结体，中部最薄，一般为10 cm左右，故墙厚可满足设计要求。

2.2 定喷孔距的计算

高压定喷灌浆折接时的孔距，可通过下式确定。

式中：L1为高压定喷灌浆折接时的孔距，m；L为高压定喷墙的有效长度，m，根据地质情况及施工方法，取2.4；α为喷射板墙与施工轴线的夹角，取15°；ΔL为高喷防渗板墙的搭接长度，m，根据相关规范，ΔL≥0.3 m。

经计算，孔距L1=2.03 m，结合本地区的工程经验，为保证搭接可靠，取孔距L1=1.40 m。

2.3 截渗墙贯入深度的计算

高压定喷灌浆截渗墙贯入深度（墙底进入相对不透水层的深度），可通过下式确定。

式中：d为截渗墙贯入深度，m；H为作用水头，m，取6.0 m；J为接触面允许渗透比降，取5～6；b为高压定喷灌浆截渗墙有效厚度，m，查阅相关资料结合现场工艺试验，取0.1。

经计算，贯入深度d=0.45 m，考虑施工方便，取贯入深度d=0.50 m。高压定喷灌浆截渗墙底穿过透水层（②2轻粉质壤土、砂壤土层）进入相对不透水层中（③1淤泥质重粉质壤土层或③2重粉质壤土层），不小于0.50 m，形成半封闭式截渗墙。

2.4 截渗墙与现状穿堤建筑物的连接

白石天河左堤沿线分布有多处穿堤涵闸，基本为钢筋砼箱涵结构。高压定喷灌浆截渗墙与现状穿堤涵闸之间，需采取有效措施，保证截渗墙与穿堤涵闸之间连接可靠，防止墙、涵之间的接触冲刷，形成集中渗漏通道，以保证截渗效果的连续性。

结合工程实践经验，本次设计，截渗墙与穿堤涵闸之间拟采用高压旋喷灌浆的形式进行连接。高压旋喷灌浆，设计孔径1.0 m，孔距0.6 m，桩底进入相对不透水层中0.5 m，采用双排套接形式，共2排，每排3根，单个穿堤涵闸左右侧合计12根，旋喷桩轴线与现状穿堤涵闸轴线平行，与截渗墙轴线垂直。

2.5 截渗墙设计施工方案

为提高防渗效率，截渗墙宜布置在迎水侧，由于白石天河左堤堤顶防汛道路已实施，为避免截渗墙施工对防汛道路的破坏，本次设计截渗墙沿迎水侧土路肩中心线布置。设计截渗墙顶高程平20年一遇设计洪水位，截渗墙底穿过透水层（②2轻粉质壤土、砂壤土层）进入相对不透水层中（③1淤泥质重粉质壤土层或③2重粉质壤土层），不小于0.50 m，形成半封闭式截渗墙。

图1 堤防截渗方案典型断面图

高压定喷灌浆截渗墙，孔距1.40 m，与施工轴线夹角为15°，分两序孔进行施工，先喷灌一序孔，后喷灌二序孔，相邻孔作业时间间隔控制在12 h～72 h范围内。

图2 高压定喷截渗墙孔位布置示意图

高压定喷灌浆截渗墙，设计工艺参数见表1。

表1 高压定喷灌浆截渗墙设计工艺参数表

3 高压定喷灌浆截渗墙截渗效果分析

高压定喷灌浆截渗墙的截渗效果，可通过对采用截渗墙前后的堤防渗透稳定相关指标的变化来体现。渗透稳定分析采用河海大学编制的“AutoBANK”软件进行计算，该程序采用有限元方法求解二维渗流控制方程，目前国内普遍使用，具有较高的精度和较好的适用性，认可度较高。计算采用二维有限元方法并绘制流网，然后对渗流稳定要求的各个参数进行计算。

根据地勘资料，白石天河左堤各地层渗透性试验参数见表2。

表2 堤防各地层渗透性参数表

3.1 未采用截渗墙时堤防渗流稳定分析

选取代表性断面，对白石天河左堤未采取截渗措施的现状堤防进行渗流稳定计算，计算成果见表3。根据计算结果，现状断面②2层（轻粉质壤土、砂壤土）顶覆盖层垂直比降较大，超过允许垂直比降（0.49，地勘报告中该土层的允许垂直比降建议值），部分断面出逸点距地面较高，为1.5 m左右。2016年汛期白石天河左堤险情多为堤身渗漏、背水侧堤身滑坡、堤身散浸等，根据现场调查可知，造成此类险情的主要原因是长时间高水位情况下，背水侧堤坡出逸点过高。

表3 未采用截渗墙时堤防渗流计算成果表

3.2 采用截渗墙后堤防渗流稳定分析

选取代表性断面，对白石天河左堤采用高压定喷灌浆截渗墙后的堤防进行渗流稳定计算，计算成果见表4。根据计算结果，②2层（轻粉质壤土、砂壤土）顶覆盖层垂直比降为0.30左右，小于允许垂直比降（0.49，地勘报告中该土层的允许垂直比降建议值），出逸点距地面高度0.50 m左右。

表4 采用高压定喷灌浆截渗墙后渗流计算成果表

选取代表性断面，对白石天河左堤采用高压定喷灌浆截渗墙前后相关参数的变化列表进行对比，见表5。由表中数据可知，②2层（轻粉质壤土、砂壤土）顶超静水头减少0.4 m～0.6 m左右；垂直比降降低0.5左右；出逸点高程降低1.0 m左右，截渗效果明显。

表5 采用高压定喷灌浆截渗墙前后对比表

4 结论与建议

通过上述分析可知，高压定喷灌浆截渗墙在降低渗流比降方面有显著作用，可以有效减少堤后覆盖层的垂直比降，降低下游浸润线高度及出逸点高程，从而减少堤身散浸范围，提高堤坡渗流稳定安全。

结合设计参数，白石天河左堤堤防截渗工程在正式实施之前进行了高压定喷灌浆工艺试验。工艺试验完成14天后进行浅部开挖，28天后进行钻芯取样，试样送室内试验。浅部开挖显示，单孔连续墙有效长度≥2.5 m，延伸长度≥3.8 m，墙厚≥0.1 m，墙体连续性好，外观均匀、平整，未发现明显蜂窝和孔洞等质量缺陷，外观质量满足要求。室内试验结果显示，渗透系数K≤1×10-6cm/s，90天龄期抗压强度fcu90在 3.48 MPa～5.61 MPa之间，相关参数均满足设计要求。

高压定喷灌浆截渗墙既满足工程安全性，又兼顾工程经济性，其用于堤防加固设计中是合适的。庐北大圩堤防截渗工程于2017年6月开工建设并于2018年初完工，经过了2018年汛期考验，目前运行良好，为庐北大圩的防洪保安提供重要支撑。