高压摆喷防渗墙堤防相关分析及研究

张淑鹏，乔永梅

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 工程概况

总干渠渠堤存在不同程度的渗漏问题，主要由填方段渠堤新老接触不良造成，同时，高填方堤段、堤基属弱透水～较强透水地层，检查中发现堤脚多处存在渗漏，部分渗漏严重段产生明流，一旦失事，对下游村庄和田地有重大影响，因此，亟需对渠堤采取防渗加固处理措施。

此次防渗加固的项目为边坡防渗加固处理，根据现场调查结果和方案对比，采用高压摆喷防渗墙方式对渗漏量大或出逸点高的断面进行防渗加固，共16段。高压喷射灌浆采用摆喷折线型布置形式，灌浆材料为水泥粘土加膨润土，灌浆孔孔距1.25m，防渗墙体厚0.25m，摆角30°，墙体渗透系数K=1～9，成墙后的墙体抗压强度R28≥3.0MPa[1]。

2 总干渠防渗加固范围

2.1 总干渠防渗处理概况

2005年进行了总干渠边坡防渗一期加固，对渗漏严重段采用边坡护砌形式进行了防渗处理，共15段，总长4.44km。经现场勘察，一期加固后部分断面仍然存在渗漏，部分衬砌段起鼓破坏，现场可见明流。

2.2 总干渠防渗加固范围选择

1）根据现场调查并结合当地居民反馈，桩号2+243，10+410，15+180，33+550，37+000，37+520，37+995，39+540存在出逸点偏高或渗漏量大的情况。其中，桩号8+550，10+150，13+050，33+550及39+540堤段浸润线出逸点偏高，高于现状渠底高程0.77～4.74m，且该段附近均有田地和住户，迫切需要进行边坡防渗加固。

2）根据典型断面渗流计算结果，未进行防渗处理的围堤段均存在不同程度的背水坡水力坡降较大的问题。桩号2+243，2+790，10+150，10+140，31+050，33+550，37+000及37+520断面出逸比降较大，且超过允许比降，桩号10+410，37+000和37+520下游边坡在非常运用条件Ⅰ工况下，抗滑稳定计算不满足相关规范要求。

3）根据水文地质及边坡渗流状态的现场查勘情况，桩号2+720～2+820和13+000～13+100有断层，地质情况复杂，渗流异常；桩号8+000～8+700局部地面土层表面湿润，局部有水流逸出点；桩号4+800～5+100，10+000～10+500及37+300～37+700则是目前工程运行期中渗漏最明显的堤段。

综合以上几方面的因素，最终确定此次总干渠防渗处理共16段，合计3.55km，具体见表1。

表1 总干渠本次防渗处理统计表

渗流计算满足要求，但现场有明流，考虑为由于新旧土层界面处土质不均匀，已形成水流通道，根据地质现场钻探，4+990和33+550段发现土质空洞。

3 围堤防渗加固方案比选

1）方案1：上游粘土铺盖防渗[2,3]

在临水坡前铺筑粘土铺盖作为水平铺盖，以增加堤脚抗滑力，降低下游渗流出逸比降。设计水平压盖厚度为0.50m，铺设宽度为10.00m，渗透系数为3×10-6cm/s。此方案铺设施工简单，施工速度快，但由于水中抛填施工质量难以控制，如采用干地施工，则只能在渠道无水期施工，时间紧张；若选择其它时段，则施工期间无法供水，不能满足上下游的灌溉需要。

2）方案2：全断面铺塑防渗[2,3]

因渠道渗水量较大，沿渠道铺设复合土工膜防渗，形成整体防渗体系，此方案可解决渠道全断面防渗问题，同时可以彻底杜绝渠道的渗漏损失。但在施工期间也无法供水，影响灌溉，且单独使用复合土工膜易发生破损，施工质量不易保证。

3）方案3：混凝土防渗墙[2,3]

混凝土防渗墙是利用专用的造槽机械设备营造槽孔，并在槽孔内注满泥浆，然后用导管在注满泥浆的槽孔中浇筑混凝土并置换出泥浆，筑成墙体，混凝土墙厚0.40m。该方案施工工艺较为成熟，且具有截渗效果好、施工质量易于控制等优点，但施工速度较慢，造价较高[4]。

4）方案4：深层搅拌桩[2,3]

多头小直径深层搅拌法是利用水泥作为固化剂，运用特制的多头小直径深层搅拌机械把水泥浆喷入土体，并掺搅成桩，使多个圆柱互相套接形成水泥土墙，达到截渗目的。强度大于0.3MPa，渗透破坏比降大于200。优点：形成的水泥土墙体厚度均匀连续，接头少，墙体弹模低，适应变形能力强，工程效果好；施工时不需要开槽，可避免其它截渗方法因开槽出现的塌孔、土层中有孔洞无法夯实等问题；施工工艺简单，使用人力较少，施工工效高，可缩短建设工期；适用土层范围较广，包括粘土、砂土、粉质粘土，以及含砾直径小于0.05m的砂砾层、淤泥，甚至有土体架空或空洞也可施工。缺点：深层搅拌桩用作防渗帷幕时，靠水泥的水解和水化等一系列物理反应形成微透水性墙体，作用复杂且硬化速度慢；其渗透系数随土层的不同而变化较大。

5）方案5：高压喷射灌浆防渗墙[2,3]

利用射流作用切割掺搅地层，同时灌入水泥浆或复合浆液形成凝结体，改变原地层的结构和组成，以达到加固地基和防渗的目的。优点：形成的防渗墙体连续，墙体弹模低，适应变形能力强，工程效果好；施工时不需开槽，只需在土层中钻一个孔径为50mm或300mm的小孔，便可在土中喷射成直径为0.40～4.00m的固结体，可避免其它截渗方法因开槽出现的塌孔、土层中有孔洞无法夯实等问题；该技术施工简单，使用人力少，施工工效高，而且工程造价低；适应土层范围较广，粘土、粉质粘土、砂土、淤泥等皆可施工，其加固深度已达60.00m；既可用于新建工程，也可用于已建工程，不损坏周围建筑物结构且不影响运营。

此次设计防渗处理范围与深度时更加注重深层透水层的防渗处理，同时加强施工期间质量控制与施工地质，进一步优化渗流监测设计，从而保障高压摆喷防渗墙的防渗效果。

4 渠堤高压灌浆防渗加固设计

4.1 高压摆喷防渗墙技术参数

高压喷射灌浆采用摆喷折线型布置形式，为防止塌孔和保障清孔质量，灌浆材料采用水泥粘土加膨润土，水压为35～38MPa，流量为70～80L/min；气压采用0.6～1.2MPa，流量为70～80L/min；水泥粘土浆采用P.O42.5水泥浆，水灰比为1∶1，粘土用量占水泥比重为10%（粘质含量大于50%），膨润土用量占水泥比重为6%；浆液比重根据送浆和回浆而不同，其中，送浆浆设比重采用1.6～1.7g/cm3，回浆浆液比重应大于等于1.2g/cm3。钻头在黏土及砂层提升速度宜控制在10～12cm/min，卵石层宜控制在8～10cm/min，具体施工工艺参数应根据现场试验情况具体确定。

4.2 防渗墙轴线选择

根据高压旋喷台车尺寸布置要求，高喷台车尺寸为长7.00m×宽5.00m，当摆喷方向1作为防渗墙轴线时，在垂直渠道轴线方向上钻孔距离与占地边缘的距离分别为1.00m和5.00m；当摆喷方向2作为防渗墙轴线时，在垂直渠堤轴线方向上钻孔距离与占地边缘的距离均为2.5m。堤身主要由粉质黏土组成，为人工填筑土，结构较密实，沿线地势平缓，堤脚多为碎石混合土，根据高喷台车在渠堤上的摆放情况，拟定了3种防渗轴线方案：方案1防渗轴线贴近渠顶道路左岸布置，钻孔位于道路左侧，对堤顶路破坏较为严重，高喷台车施工需临时征用路边2.00m范围内林地，工程可比投资3827万元；方案2防渗轴线位于渠顶道路右岸处，钻孔位于道路一侧填土区，对堤顶路破坏较轻，高喷台车施工需临时征用路边2.00m范围内林地，工程可比投资3804万元；方案3防渗轴线位于渠顶道路中央布置，钻孔位于道路中央，对堤顶路破坏严重，工程施工占用林地，不需征用路边林地、减少水土流失，工程可比投资3796万元。

在同样保证防渗加固效果的前提下，防渗轴线位于围堤堤顶路中央，具有高喷台车布置方便、施工干扰小、不需临时征用路边林地、减少水土流失、工程投资费用相对较少等优点。根据技术经济比较，此阶段围堤防渗轴线推荐选用方案3。

4.3 防渗墙深度选择

4.3.1 方案比选

1）方案一：截断下伏深层透水层（碎石混合土层）

根据地勘成果，堤身及其下层的人工填土、碎石混合土渗透系数为5×10-4～2×10-1cm/s，其下以粉质粘土为主，部分断面为泥质粉砂岩和砾岩（全风化），渗透系数为3.0×10-6cm/s，为微透水层，为提高防渗墙防渗效果，防渗墙体截断下伏深层碎石混合土层。

2）方案二：截断部分下伏浅层透水层（碎石混合土）

由于最大堤高为6.2m，而堤基相对透水层深12.70～20.00m，部分透水层未打穿，堤高相对较低，为节省投资、降低工程造价，防渗墙体采用悬挂型式，在堤身稳定满足相关规范要求下，截断部分浅层碎石混合土。

此次治理防渗段中，有多处仅为新旧土结合面薄弱问题导致的渗流，仅加固土体漏洞即可，不必打穿碎石混合土层。从经济性考虑，方案二较优，故先对方案二进行渗流稳定计算，若满足要求，不再考虑截断透水层，可减少人力、物力的投入和资金的浪费。

4.3.2 防渗墙设计高程的确定

为保障施工质量，分为2道工序孔进行间隔施工，施工工序见图1。

图1 高压摆喷防渗墙施工工序图

此次防渗设计段堤顶高程高出渠道设计水位2.00～5.00m，从工程经济性考虑，高压摆喷防渗墙作为防渗体，直接浇筑到堤顶，耗时、耗力，且超过渠道设计水位以上部分并无防渗要求，造成资源浪费。因此，将高压摆喷防渗墙分为两部分进行施工，即水泥粘土加膨润土和水泥粘土两部分，分别用于渠道防渗和堤顶路恢复。

水泥粘土加膨润土高压摆喷防渗墙的设计顶高程为渠道设计水位以上0.50m，水泥粘土高压摆喷防渗墙设计顶高程为现状堤顶路高程，设计底高程应同时满足渠道迎水侧、背水侧渗流稳定要求；渠道迎水侧、背水侧现状渠底高程最小值以下1.5m或深入不透水层以下1.5m；新旧接触不良断面穿透土质空洞以下1.5m，封堵该层内接触截面潜在的水力连通通道，保障防渗效果。

4.3.3 加固后渠堤渗流安全及边坡稳定计算

1）渗流安全复核

目前渠道正常运行，设计灌溉流量为160m3/s，底宽21.00～30.00m，现状为梯形断面，设计水深为5.10m，此次主要分析设计水位条件下的渗流情况。防渗加固前、后断面渗流计算成果对比见表2。

表2 渗加固前后断面渗流计算成果对比表

由表2可知，按照方案二进行防渗加固后，各断面逸出点高程均有明显降低，渗透比降和渗流量均满足相关规范要求，针对部分渗流较大且背水坡逸出点处坡面较陡的断面，可在逸出点采用干砌石进行防冲护砌，以防止产生滑坡。

2）稳定安全复核

此次抗滑稳定计算采用河海大学编制的Autobank7.7，即将土体划分为0.5m图条，采用瑞典圆弧滑动进行计算，对桩号10+410，37+000和37+520断面进行复核。边坡抗滑稳定计算安全系数成果见表3。

由表3计算结果可知，防渗加固后，断面抗滑稳定计算满足相关规范要求。

表3 边坡抗滑稳定计算成果表

4.3.4 最终深度确定

从水文地质条件来看，桩号2+790，4+990，8+110，8+550及39+430，含水层局部透镜体发育，地下水力连通条件复杂，碎石混合土层存在水力连通情况，为保证防渗墙整体防渗性能，防渗墙宜将碎石混合土层截断，如果该土层未打穿或埋深较深，则在满足迎水坡、背水坡渗流稳定计算基础上，采用悬挂型式，设计墙底深入堤岸两侧底高程较低位置以下1.5m。桩号2+243，10+150，31+050及33+550渗透坡降超过允许值且逸出点高程较高，根据渗流稳定计算并满足相关规范要求，设计墙底应深入设计渠底及现状外堤脚地面高程中较低位置以下1.5m，且应穿透土层漏洞以下1.5m（遇到土层漏洞时，应先填充灌浆至密实，再实施防渗墙相关工作）。桩号37+995，39+540，13+050及15+180渗流量较大，应根据渗流稳定计算并满足相关规范要求，减小渗流量，确定防渗墙设计底高程。

综上所述，最终防渗墙的设计结果见表4。

表4 渠堤防渗墙处理深度

5 结语

高压摆喷防渗墙在堤防防渗加固及抢险加固工程中起着重要的作用，材料的选择、施工工艺参数和防渗墙深度的控制对墙体防渗效果十分重要。因此，为了防渗可靠、保证质量，应严格控制施工质量。经过相关计算，进一步证明，若成孔终孔标准、终灌标准和特殊情况处理，以及成墙指标达到相关规范要求，可有效降低渗透坡降、减小渗漏量，达到预期补强加固灌浆效果。随着高压摆喷技术的日渐成熟，将会在堤防渗漏加固工程中被广泛应用。