超深砂性基础拦河围堰防渗技术*

李 莹，张 倩，徐 娟，薛虹宇

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引言

围堰是水利工程建设中重要的临时挡水结构物，其安全性与稳定性直接关系到主体工程能否顺利进行[1]。渗透破坏是导致围堰失事的主要原因，因此，在水利工程建设中做好围堰防渗至关重要。防渗墙作为一种重要的防渗结构形式，其防渗效果明显，施工方法成熟，已被广泛应用于各类围堰防渗工程中[2]。例如，三峡二期下游围堰混凝土防渗墙[3-4]、沙湾水电站一期围堰塑性混凝土防渗墙[5]、前坪水库高喷防渗墙[6]、阿海水电站围堰防渗墙[7]等。

高压喷射灌浆是用高压水或高压浆液形成高速喷射流束来冲击、切割、破碎底层土体，并以水泥基质浆液填充、掺混其中，形成渗透系数小又有一定强度的桩柱或板墙状的凝结体，用以提高地基防渗的施工技术[8]。高压旋喷桩防渗墙结构是较常用且技术成熟的一种防渗墙形式。

1 工程概况

1.1 水闸、船闸工程概况

北支江上游水闸、船闸工程包括：上游水闸、上游船闸、工程范围内的堤防工程及上下游围堰等临时工程。

上游水闸上下游方向总长约90m，依次由10m长1m厚合金钢钢网兜防冲槽、20m长0.6m厚C20钢筋混凝土铺盖、30m长6～3m厚C30水闸底板、20m长0.6m厚C20下游钢筋混凝土护坦、10m长1m厚合金网兜防冲槽等组成。水闸左右总长225m，左岸与防护堤相接，右岸与船闸上闸首相邻。闸室段为水闸工程的主体，闸室为平底开敞式结构，由闸底板、闸墩、工作闸门等组成。水闸分3孔，每孔净宽60.0m，闸底板顺水流方向长30.0m，闸底板顶面高程1.100～-2.400m，闸底板高程-4.900～-5.400m，闸墩顶高程为6.700m。采用底轴驱动式翻板闸门，尺寸为60.0m×4.9m(宽×高)，最大挡水高程6.000m。

根据初步设计选定闸址的枢纽总体布置，通航建筑物为一线单级船闸，布置在枢纽右岸，左邻泄洪建筑物，右邻岸侧堤防的亲水平台。船闸主要建筑物包括上下闸首、闸室和上下游引航道5部分，根据船闸规模、等级和过闸方式等要求，船闸主体建筑物及上下游引航道总长342.0m，闸室净跨16m，闸室底板顶面高程0.900m。

1.2 工程地质条件

根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，富阳区Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度为Ⅵ度，抗震设计分组为第1组。场地土类型为中软土，覆盖层厚度<50m，综合判定该场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0.35s。水闸、船闸位置场地上部土层以稍密的粉砂、淤泥质土、软弱黏性土组成，上部荷载相对较大，下部地基土不具备天然地基条件，为此采用灌注桩基础。

2 围堰结构方案

本工程导流建筑物级别为4级，上游围堰按上堵坝上游断面5年一遇洪水位8.900m设计，顶高程取10.000m；下游围堰按5年一遇洪水位8.630m设计，围堰顶高程取9.200m。上游围堰采用上堵坝作为围堰挡水，同时上堵坝上游侧及改线道路布置高压旋喷防渗墙以增强防渗性；上游围堰全长402m，顶高程10.000m，改线道路顶宽8m，上下游坡比1∶1.8～1∶2.0。下游围堰采用充砂管袋围堰挡水，同时布置高压旋喷防渗墙，左岸与已建的补水泵站出口挡墙衔接，右岸与东洲岛岸坡相连；下游围堰全长437m，顶高程9.200m，顶宽6m，上下游坡比1∶1.8～1∶2.0，河道中间区域塘泥达2.9m，考虑围堰稳定，围堰中心100m底宽适当加宽3m；围堰合计约13.16万m3，其中充砂管袋约10.70万m3，填芯砂1.79万m3，黏土0.67万m3。

3 围堰断面设计

3.1 上游围堰

现状上堵坝段围堰分为一期充砂管袋和二期单棱体充砂管袋围堰，一期管袋围堰主要为防渗处理提供施工平台，平台高程为8.000m，待防渗处理完成后进行二期管袋围堰施工。地方交通改道围堰采用双棱体围堰，上、下侧管袋棱体中心采用吹填砂进行回填，内、外两侧设置坡比1∶0.5，1∶1.8～1∶2.0 充砂管袋，围堰底面增设120kN/m土工格栅1道；围堰底层设2层通袋。此段围堰兼地方交通改道，需考虑安全防护栏，围堰顶宽为8m，管袋顶先铺无纺土工布、30cm塘渣，再铺设20cm厚5%水泥稳定碎石基层、6cm AC-16沥青混凝土和4cm AC-10沥青混凝土面层。

3.2 下游围堰

采用双棱体充砂管袋围堰，考虑下游围堰稳定性，底层采用通袋, 通袋底面设置1层120kN/m土工格栅，内、外两侧设置坡比1∶0.5，1∶1.8～1∶2.0充砂管袋，管袋之间采用吹填砂进行充填，围堰顶面考虑通车，堰顶宽6m，下游围堰左岸延伸至场外道路；两侧设栏杆，管袋顶面铺无纺土工布、20cm厚5%水泥稳定碎石基层和20cm厚C20混凝土。根据地质资料，塘泥厚度0.5～2.9m，较厚塘泥主要分布在河床中间区域；围堰底面增设120kN/m土工格栅1道；围堰底层设2层通袋，如图1所示。

图1 下游围堰典型断面

4 围堰稳定性分析

围堰稳定性分析采取极限平衡法中的简化毕肖普法，分别对上游围堰上堵坝段、上游围堰改线道路段、下游围堰进行局部稳定性计算、整体稳定性计算、基坑降水期稳定性计算及挡水侧水位骤降期稳定性计算。

4.1 局部稳定性计算

根据拟定的计算参数、计算工况等条件，分析计算上游围堰上堵坝段、上游围堰改线道路段及下游围堰边坡最小安全系数，如表1所示。安全系数满足施工期≥1.15、稳定渗流期≥1.25的要求。

表1 边坡稳定性计算结果(局部滑动)

4.2 整体稳定性计算

当考虑堰体整体稳定性时，对滑弧的入口进行控制，使其出现在堰体的顶部附近或堰体另一侧，再对滑弧出入点进行搜索后，得到堰坡的整体稳定安全系数，如表2所示。安全系数满足施工期≥1.15、稳定渗流期≥1.25的要求。

表2 边坡稳定性计算结果(整体滑动)

4.3 基坑降水期稳定性计算

水位骤降为稳定性计算中的危险工况，主要是残存的孔隙水压力形成较高的浸润线向边坡渗流所致，本次对围堰基坑降水平均按1.0m/d的速率从设计水位降至基坑底高程的极端状况进行了验算。最小安全系数出现在水位最低时，对于上游围堰上堵坝段，主要对边坡的整体稳定性产生影响，最小安全系数为1.391；对于上游围堰改线道路段，主要对边坡的局部稳定性产生影响，最小安全系数为1.325；对于下游围堰，主要对边坡的整体稳定性产生影响，最小安全系数为1.196。三者均大于规范规定的最小安全系数1.15。

4.4 挡水侧水位骤降期稳定性计算

对围堰挡水侧水位骤降平均按1.0m/d的速率从设计水位8.900m降至4.000m的极端状况进行验算。最小安全系数出现在水位最低时，上游围堰上堵坝段边坡的最小安全系数为2.103，上游围堰改线道路段边坡的最小安全系数为1.638，下游围堰边坡的最小安全系数为2.241。因此，上、下游围堰的最小安全系数均大于规范规定的最小安全系数1.15。

5 围堰防渗技术

围堰堤身形成后即开始高压旋喷防渗墙施工。高压旋喷防渗墙采用旋喷套接，确保防渗效果。高压旋喷孔距为0.7m，采用双重管法施工，高压旋喷施工工艺流程如图2所示。

图2 高压旋喷施工工艺流程

5.1 主要施工技术

防渗墙围堰采取高压旋喷施工，具体根据现场实际情况与试验确定，高压旋喷灌浆钻喷施工分两序进行，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，相邻孔施工间隔时间≥24h。

为确保高压旋喷质量，正式施工前选择地质条件相似的试验段或先导孔按设计参数进行高压旋喷试验，根据现场实际情况，对地质地层信息进行确认，调整确定施工参数。

1)钻孔 由于围堰为充砂管袋结构，造孔时易出现塌孔、埋钻等事故，喷浆时易发生埋管、堵孔，在钻孔时采用SJW-60型全液压工程钻机，冲击回转跟管钻进施工。

2)下喷管 钻孔到设计深度后，拔出钻杆，放入喷射管至设计深度。下喷管前要在地面进行低压射水试验，检查喷嘴是否畅通。

3)高压旋喷作业 下喷管结束后，立即开动搅拌机，拌制浆液，通过管道送入孔内开始高压旋喷灌浆，待回浆呈水泥色时开始提升。在提升喷射过程中，现场技术人员按设计要求随时掌握并记录好喷射全过程，直到高压旋喷结束，中间如出现故障停喷，要及时进行处理，并在记录表上记下故障原因，处理时间>20min时，要将喷管下伸0.5m，若故障时间过长，处理时无法下伸则需在周边补设高压旋喷孔进行补喷，以保证墙体质量。

4)冲洗 高压旋喷结束后，对水泥搅拌机、送浆管路及喷管及时进行清洗，防止水泥凝固。

5)静压灌浆 喷射结束后，注入部分纯水泥浆，再利用下一个孔的回浆及时向孔内注入浆液，直至不再下沉为止。

5.2 高压旋喷主要技术参数

双重管法高压旋喷灌浆，全孔一次性由下至上连续施工，搭接成连续墙的防渗形式，选用的主要技术参数如表3所示。

表3 施工技术参数

5.3 高压旋喷施工质量保证措施

高压旋喷台车就位并对准孔口后，为直观检查高压系统的完好性及是否能满足使用要求，首先应进行地面试喷。同时，通过调整液压转盘的角度，使高压喷射流对准设计轴线方向。喷射方向和角度应经过质检员校核。喷管钻下至指定深度后，拌制水泥浆液，即可供浆、供风、供水开喷。待各压力参数和流量参数均达到设计要求，且孔口已返出浆液时，即可按既定提升速度进行喷射灌浆。

高压旋喷整孔一次性成型，不允许无故中途停喷，如遇故障停喷时，应立即处理，在排除故障恢复喷射时，如排除故障时间>20min，必须将喷管插入浆液≥0.5m深度方可重新喷射。在高压旋喷灌浆过程中，出现压力骤降或骤增、孔口回浆密度和回浆量异常，甚至不返浆等情况时，应查明原因后及时处理。高压旋喷灌浆结束后，充分利用孔口回浆或水泥浆液对已完成孔进行及时回灌，直至浆液面不下降为止。施工中监控浆液流量、灌浆压力等各项参数，同时对浆液材料用量、异常情况及处理等做好记录。喷射过程中要严格按下列要求控制施工质量：①提升速度误差≤5mm/min；②转速误差≤0.5r/min。

6 结语

在北支江上游水闸、船闸工程中，根据工程地质条件确定采用砂性基础围堰。该工程具有设计洪水位高，地质条件复杂等特点，围堰结构采用充砂管袋护面填芯砂结构，围堰防渗采用双重管高压旋喷桩防渗墙结构。根据工程特点，确定了围堰的结构设计方案，对上、下游围堰断面进行设计，并对围堰稳定性进行了分析。该砂性基础拦河围堰工程中高压旋喷防渗墙的主要施工方法及技术参数，对类似工程有一定参考价值。