套孔旋挖黏土防渗墙在河道堤防防渗中的应用

侯 丽，张天琦，周 健

（南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京210022）

0 引 言

总结一系列堤防及水库安全稳定分析结果，常见安全隐患为塌陷、漏洞、管涌、流土、散浸等问题，有的甚至还存在威胁堤后铁路、村庄安全的可能性[1]。主要原因为老堤先天不足、坝身单薄、边坡陡，同时河势弯道也加剧了河坡冲刷，影响堤坡稳定。另外，在汛期当河水上涨到一定高度时，且持续时间又较长，堤身呈浸水饱和状态，土体完全饱和后，抗剪强度低，堤身的自重增加，相应下滑力增大，渗流产生的渗透力进一步增加了土体的滑动力，汛期的降雨及水位变化是大堤失稳的诱发原因。因此河道消险工程具有工期短、场地小、险情急等特点。鉴于此，本文通过分析黏土防渗墙在施工过程中的受力变形趋势，确定影响其防渗效果的主要因素。比较常见的防渗处理技术，提出一种基于套孔冲抓技术的改进套孔旋挖防渗墙施工技术，应用于工程实践中，通过防渗墙监测手段证明其防渗效果有效，可为类似工程提供参考。

1 黏土防渗墙渗透及受力分析

防渗墙在成型前，被加固坝体或堤防存在的应力状态称为初始状态，此时做防渗及应力分析时为稳定渗流状态，渗透曲线也是根据挡水水位及地下水位形成的一条平滑下降曲线[2]。之后在防渗墙浇筑施工状态时，其受力分析大致可分为以下三个阶段：

（1）施工初期阶段。河道为施工水位，但墙前-墙后水位差尚未形成，防渗墙仅受自重应力，无弯曲应力。

（2）施工中期阶段。河道为施工水位，墙前-墙后水位差形成，防渗墙出现弯曲应力和变形。

（3）施工末期阶段。河道上升到正常水位，墙前-墙后水位差进一步增加，防渗墙弯曲应力和变形也进一步增加。

在防渗墙施工过程中，周围土体一般已经固结完成，不再发生沉降，故施工时防渗墙不用承担周围土体的自重荷载，并且墙前、墙后的土压力及水压力是基本平衡的。即防渗墙施工初期阶段，其所受荷载仅为自重，一般不会出现弯曲应力。在进行应力变形分析时，需考虑坝体与防渗墙的固结沉降的非同时性，数值模拟计算中不能对坝体和防渗墙同时施加重力荷载，否则防渗墙因为刚度较大而承担周围土体的部分重量，造成计算结果失真。在施工中期阶段，防渗墙混凝土固化而发挥防渗作用后，坝体的渗流状态随之发生改变，墙前浸润线有所抬高、水压力增加，墙后浸润线降低、水压力减小，造成防渗墙前后的水压力不平衡而发生弯曲变形。在施工末期阶段，墙前、墙后土体的变形将带动防渗墙发生变形。故防渗墙的应力状态与其施工方法、周围土体特性关系最为密切，其施工速度是防渗墙能否产生较大弯曲应力的主要原因，施工工艺的选择尤为重要。

2 防渗处理技术

2.1 常见防渗处理技术对比分析

目前南京地区塘坝防渗处理方式采用较多的为劈裂灌浆、充填灌浆、多头小直径水泥深搅桩防渗墙、高压旋喷桩防渗墙及黏土冲抓锥防渗墙等。综合对比它们的优缺点具体如下：

（1）劈裂灌浆。劈裂灌浆是利用水力劈裂原理，对存在隐患或质量不良的土堤在堤轴线上钻孔、加压灌注泥浆形成新的防渗墙体的加固方法。堤坝体沿坝轴线劈裂灌浆后，在泥浆自重和浆、坝互压的作用下，固结而成为与坝体牢固结合的防渗墙体，堵截渗漏[3]。该方法在坝体防渗加固工程中虽已广泛应用，但仍然存在复灌时间不确定、泥浆加固计算不精准、灌浆过压等问题。

（2）充填灌浆。沿堤顶轴线偏河道一侧布设多排灌浆孔，利用浆液自身压力将浆液注入堤坝体内，充填已有的裂缝、洞穴等坝体隐患，以达到提高堤防防渗能力的一种方式方法。为了提高灌浆效率和效果，也可以在注浆孔口施加一定的泵压力，通常灌浆压力小于50 kPa。但灌浆过程中每次插管深度及浆液配合比受现场条件影响较大，出现坝顶冒浆及串孔风险，故对施工技术要求较高。

（3）多头小直径深搅桩防渗墙。多头小直径深层水泥搅拌防渗墙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。多头小直径搅拌桩机更能使各幅钻孔安全搭接，形成一体的墙体，使排柱式水泥土地下墙的连续性、均匀性都有大幅度提高，墙体较规整，垂直偏差小。但该方法对土层地质条件要求比较严格，土体中存在空洞易造成防渗桩在该处断裂。

（4）高压悬喷桩防渗墙。高压喷射灌浆是高压喷射水、气或浆液介质冲刷切割土体，并使浆液与土体颗粒掺混凝土结合形成防渗墙体[4-5]。施工场地要求较低，施工速度快，不受堤前水位影响。但该方法对施工精度要求高，造孔偏斜易使墙体开岔，施工质量不易控制。高压旋喷成墙后，随着堤防沉降，防渗墙与周围土体产生裂缝分开，防渗效果不能保证。不同土层容浆量差异大，所形成的墙体防渗性能差异较大，工程投资大。

（5）黏土冲抓锥防渗墙。利用冲抓式打井机具在堤身内造孔，回填防渗性能好的黏土，分层夯实，形成一道连续的黏土防渗墙；同时在回填夯实时，对井壁土层挤压，使井孔周围土体密实，从而达到防渗加固的目的。其特点如下：机械设备简单，施工方便；工程量小，造价低；防渗效果好，能下孔检查；适应地层广，深度可达60m以上。最大的缺点就是造孔速度慢，在工期短的工程应用上受到制约。

2.2 套孔旋挖防渗技术

鉴于传统套孔冲抓技术造孔速度慢、工期较长，南京市水利规划设计院在2015年调研外系统的有关施工工艺时，与施工单位一同对套孔冲抓施工方案进行了改进研究，提出套孔旋挖施工方案，并首次应用于浦口区万寿河消险项目中，取得了良好的效果。改进施工工艺后有效加快了施工速度，且压实效果好。2016~2017年，南京市水利规划设计院又与施工、监理单位进一步合作，提出了新的工艺改进措施。改进后的套孔旋挖机械是一种综合性钻机械，其优点如下：机动性强，可快速转场；钻具种类多样、轻巧，可快速装卸；适应多种地层，且速度快，相比冲击钻成孔快约80%；对环境污染小，不需要循环取渣。套孔旋挖机械如图1所示。

图1 套孔旋挖施工机械示意图

2.3 套孔旋挖施工工艺

施工前需要先将上断面开挖整平，然后按设计放样，确定每孔的中心轴。为满足立架和施工要求，布孔中心线距坝坡不得小于2m，否则加宽。根据施工图纸放样，冲抓桩机需对准中心桩，造孔顺序分二序间隔进行，即先完成一序孔，后完成二序孔。套孔要保证平整垂直，孔位允许偏差±3 cm。冲抓出的土方就近堆放于背水坡坡面处，可用于堤面整坡土料。回填前将井底浮土夯实，并保证井内无水；井内如有渗水，及时用水泵抽干。对井壁渗水，在渗水方向布置副井，用深井泵抽吸，拦截渗水，保证套井回填质量。填土夯实是提高抗渗强度、防止坝面裂开的重要环节。夯击在落锤时，要保持几秒的稳定时间，以免造成夯锤碰撞孔壁，降低夯击功能。通过现场取样，检查回填土的夯实情况，测定夯实后的干密度和含水量。取样不合格的需立即返工，并采取相应的处理措施。具体施工工艺流程及经验参数如图2所示。

图2 套孔旋挖防渗墙施工工艺流程示意图

2.4 套孔旋挖方案设计

2.4.1 钻孔平面套接布置

设计常用双排布孔，在二级平台偏上游侧按主、套相间布置，一主一套相交连接成墙。先打主孔①、③号，回填后再打套孔②号，回填后再打⑤号孔，回填后再打④号孔，依此顺序，进行打孔回填。套孔即双号孔为整圆，主孔即单号孔被套孔切割，呈对称蚀圆。钻孔平面套接布置如图3所示。

图3 套孔旋挖黏土防渗墙钻孔平面套接布置图（单位：mm）

2.4.2 有效厚度、孔距的确定

黏土防渗墙厚度T按下式计算：

式中：H为作用于防渗墙的设计水头；J为黏土防渗墙允许水力坡降，按有关资料[J]取10。

3 堤防消险工程应用

3.1 万寿河堤防消险工程

万寿河星甸段左岸堤防加固工程起点为斩龙桥（K0+000），终点为万寿河与滁河交汇口（K1+800），该段堤防全长1.8 km。堤身填土土质不甚均匀，粉土等少黏性土局部分布较多。堤身干重度局部偏小，现场试验测出渗透系数大，达中等至强透水性。受强降雨和上游来水影响，堤防迎水坡出现十多处塌陷（掉天洞），背水坡出现30余处管涌、流土等险情。在采用套孔冲抓方案实施了400m后，该类土层采用套孔冲抓技术为40min/m（进尺），施工进度过慢。经各方协商后改为套孔旋挖方案，为6.7min/m（进尺），4台机械同时施工。该段堤防设计洪水位为13.70～13.20m，作用于防渗墙的最大设计水头H=13.70-7.00=6.70（m），黏土防渗墙有效厚度应不小于0.67m，设计防渗墙有效厚度为1.45m，孔距为0.92m，孔深为5.2~6.0m。典型设计断面如图4所示。经施工后防渗墙质量检测，均满足设计要求。

图4 万寿河堤防加固典型断面设计图（单位：mm）

3.2 朝阳圩堤防消险工程

南京市高淳区堤防消险工程中朝阳圩多处堤防渗漏，该段堤防堤身填土土质不甚均匀，粉土等少黏性土局部分布较多。堤身干重度局部偏小，渗透性达中等透水，堤防填筑质量总体较差，汛期堤身发生多处渗漏险情。该类土层采用套孔冲抓技术为43 min/m（进尺），采用套孔旋挖技术为4min/m（进尺）。故该工程设计采用套孔旋挖黏土防渗墙防渗处理，整治长度约7 400m，2台机械同时施工。此次设计防渗墙有效厚度为1.45m，孔距为0.92m，孔深为5.5~9.3m。经施工后防渗墙质量检测均满足设计要求，检测结果见表1、表2。

表1 高淳堤防消险项目防渗墙变水头渗透试验检测结果

表2 高淳堤防消险项目防渗墙物理特性检测结果

3.3 胥河胜利圩堤防消险工程

固城镇胥河胜利圩位于芜申运河左侧，此次出险段桩号为K0+000~K0+898、K1+188~K1+390，全长约1 100m，为老堤。汛期迎水坡发生滑坡、塌陷，背水坡渗水。根据出险特点、堤身粉质黏土土质及堤身处理经验，综合比较套孔冲抓黏土防渗墙及套孔旋挖黏土防渗墙两种加固处理方案。该类土层采用套孔冲抓技术为45min/m（进尺），采用套孔旋挖技术为5min/m（进尺）。且套孔旋挖方案投资最小；施工场地要求较低，机械设备简单，进场、施工方便；堤防附近土料储量较大，且土质相对较好，为粉质黏土，满足施工需要；防渗效果好，便于检查；枯水季节施工，降低受堤前水位影响；回填质量要求较高，经土工试验后使用，同时保证夯实质量。最终采用套孔旋挖加固方案，4台机械同时施工。该段堤防设计洪水位为13.00m，作用于防渗墙的最大设计水头H=13.00-8.00=5.00（m），黏土防渗墙有效厚度应不小于0.50m，此次设计防渗墙有效厚度为1.45m，孔距为0.92 m，孔深为6.5m。典型设计断面如图5所示。经施工后防渗墙质量检测，均满足设计要求。

图5 固城镇胜利圩堤防加固典型断面设计图（单位：mm）

4 结 语

对于堤防消险类工程的渗漏问题，根据以往施工经验，万寿河堤防消险工程原本设计采用套孔冲抓处理技术，2个月施工仅完成400m，速度太慢，进而改为套孔旋挖处理技术施工，后期用约3个月就完成了剩下的1 400m。朝阳圩堤防消险工程若用套孔冲抓技术施工需要约71个月完成，而用套孔旋挖技术施工则需约6.6个月。胥河胜利圩堤防消险工程若用套孔冲抓技术施工需要10个月完成，采用套孔旋挖技术施工则需约2.5个月。且以上工程中防渗墙质量检测均满足设计要求，采用套孔旋挖技术对堤防进行防渗加固，能够在保证防渗墙质量的前提下有效缩短工期。