防渗墙施工技术在北湖联圩除险加固工程中的应用

卢志斌

(丰城市水利局丰东水资源开发利用中心,江西 宜春 331100)

0 引 言

圩堤除险加固工程是为了维护圩堤安全运行的重要措施,其能够保证圩堤的使用寿命得到延长,从而保护周围群众的生命与财产安全,在加固工程施工中,通常会运用到防渗墙施工技术,该项技术的具体操作中需严格把控施工要点,确保整体施工达到要求。

1 研究背景

本次研究工程为丰城市北湖联圩除险加固工程,主要位于赣江西岸清丰山溪的芗水和丰水之间,根据工程地质勘察结果来看,圩堤由于沿河而建,其各段包括了黏土、沙壤土夹壤土、粗砂夹黏土、细砂、粉砂以及砾砂等,土质极为复杂,且普遍具有强透水性、弱抗冲击性,致使堤身的防渗水效果较差,堤坡位置也很容易出现管涌、流土现象,易造成堤身失稳或是坍塌,因而有必要进行堤防的防渗除险加固。工程所在流域为清丰山溪,河水直接流进翻阳湖内,整个区域面积达到3700km2,现主要具有六条支流部分,包括丰水、芗水、槎水、槠山水、白土水以及秀富水等,临有吴石水文站,区域内水系具有复杂特征,下游河网呈现出纵横交错态势,中下游部分具有着平原圩区,河道弯曲较多,河槽则多是梯形或是浅槽形[1]。从现场勘测的数据信息来看,此次研究的北湖联圩堤身部分断面低矮且具有陡坡,堤身的土质也比较差,存在着较多类型渗水险情,河道岸坡也容易被风浪水流冲刷,导致堤身受到不利影响,容易发生破损,难以满足正常运行所需,出现安全隐患。因此需要尽快进行除险加固,由于主要问题是堤身渗水,故而建议采用防渗墙施工技术。该项技术具体包含了许多类型,根据防渗形式的不同可划分为黏土斜墙、土工膜斜墙、混凝土垂直墙、深层搅拌桩防渗墙等,然后实地考察圩堤的渗水部分河道情况,不建议采用黏土材料构筑防渗墙,而土工膜材料本身也容易发生破损问题,其他防渗墙施工技术的成本较高,故而采用深层搅拌桩防渗墙技术最为适宜,该项技术的防渗效果较好、投资较少且实践施工速度较快。

2 深层搅拌桩防渗墙施工技术

2.1 除险加固施工的总体方案

北湖联圩现都存在圩堤结构,为了尽可能在工程施工中减少移民情况和征地使用情况,便于后续运行和管理,在本次除险加固工程中,沿着当前的堤防设置,进一步实现圩堤培厚和加高处理,在施工时注意遵循少占地原则,并确保河道的行洪安全。圩堤可采用培厚加高处理形式,包括向河内形式、向圩内形式以及向两侧形式,而穿堤的许多建筑物都是成型已久,若进行变动难度较大,根据要求对局部进行调高处理。除险加固工程施工段整体为南北走向,位置是在丰水的左岸处,同时和已经治理段相交在丰水、芗水汇合位置,圩堤整体长度约为13.27km[3]。

2.2 圩堤除险加固工程的现存问题

针对该工程圩堤现状来看,其基本问题是堤坡较为陡峭以及实际高度无法满足防洪要求,而除此之外,其还存在着堤身渗水和迎流冲击的现实问题。首先是堤身渗水问题,具体是指丰水冯家老对岸的堤段部分在汛期来临时,受到高水位的冲击影响,导致堤身背水一侧出现散浸或是渗水的现象,有局部堤身还会出现明显的脱坡情况,根据相关堤防险情评级标准来看,其可被定义为二级,意味着险情较大。其次是迎流顶冲问题,多个丰水堤段都存在该问题,主要是位置在河道弯曲处的堤段,其容易被迎流冲顶,河水主流部分会对堤身造成直接的正面冲击,而堤坡位置也长时间被河水所浸泡,因此结构部分的土体较为松散软绵,很容易出现堤坡塌陷或是淘蚀的险情问题。尤其是在汛期时,较高的水位带来风浪冲刷力度更强,崩脱情况更是极易出现,甚至会出现决口问题,危害到河道堤防结构,影响到防洪的安全[4]。工程所在区域的洪水灾害具有长期性、历史性特点,且近年来的灾害频率逐渐提高,灾情也有加剧变化趋势,因此圩堤也成为了湖区重点开展防洪、除险加固的工程,其要发挥出保护圩内耕地环境、人民生命以及财产安全的作用。尽管目前圩堤防洪能力有了明显提高,但实际上保护耕地方面3333hm2以下部分存在着圩堤防洪标准偏低情况,导致防洪效力不足,安全隐患仍旧普遍存在。现今圩堤的防洪能力未达到标准,只能够达到5a一遇,堤基、堤身以及堤坡等也存在着各种类型险情,威胁到周围人民的生活,因此,对北湖联圩进行除险加固十分必要且迫切,重点要采用防渗墙加固模式。

2.3 堤身渗水的加固施工处理

上述分析的北湖联圩工程堤身渗水问题,主要是取决于其堤身内部和外部表土性质,根据有关资料显示,其表土组成多为壤土、粉质黏土以及砂壤土,实际填筑的质量也较为普通,甚至有局部堤身段中主要组成土为粉细砂,其抗渗性颇差,无法抵御水流冲击,进而产生渗水问题。通过对以往多年堤身险情的调查情况看,部分堤段都出现过程度不一的脱坡情况、塌陷情况,基于地质勘探工作的揭露分析得知,这些堤身实际填土的成分多是粉质黏土或者是砂壤土,亦或是壤土夹杂着粉细砂,使得填筑质量远远达不到要求,不具备良好的防渗能力,在汛期时,外部河水很容易经过这些透水性较强的砂性土进入到堤身内部,进而造成严重险情。基于原断面来进行堤身渗流以及渗透稳定性的复核工作,得出相关参数结果如表1所示。

表1 施工前下游堤身渗流渗透情况的相关参数

根据上表结果可以看出,该段圩堤当下情况为下游堤坡实际出逸点颇高,这也和外部河水处于高水位条件时,背水一侧散浸以及渗水问题出现的现象相吻合。而实际下游堤坡渗透比降要比允许比降值更大,这表明了该坝坡实际渗流稳定值和相关设计不相符,无法满足实际要求,下游堤基的渗透比降也要比允许比降更大,这也表明坝基渗流和设计值不相符,无法满足其要求,因此需尽快做好防渗处理。

基于应用防渗墙施工技术,本次工程堤身所采取的防渗措施为设置防渗墙结构,具体形式包括深层搅拌桩防渗墙、迎水侧黏土斜墙防渗、混凝土垂直防渗墙以及迎水侧土工膜斜墙防渗等几种。在现场进行了实地踏勘工作,发现北湖联圩的渗水堤身段河道周围基本不存在滩地,因而本次施工不适合采用黏土斜墙防渗形式,还有一种防渗墙结构为射水造强,但其实际造价偏高,不如使用深层搅拌桩更为经济,且从质量上来看,其土工膜也很容易老化且出现破损情况,因此,结合科学的防渗研究理论,本次对堤身渗水段部分设置的防渗方案主要利用以多头小孔径为标准的深层搅拌桩防渗墙结构,主要围绕以下3点开展施工。

1)合理计算并控制防渗墙结构的厚度,在除险加固工程中,防渗墙墙体厚度会决定其对堤身的防渗作用效果,为了保证标准,需要基于《堤防工程设计规范》文件中的有关要求,开展墙体结构厚度参数的计算,具体采用的计算公式为:

(1)

式中:D为设计防渗墙的墙体厚度,m;△H为则是堤防上下游之间的水头差值,m;J允则表示为设计墙体的材料允许比降值,由于本次施工采用的防渗墙形式为深层搅拌桩墙,因此基于该类墙已有加固经验,此处J允取值为60,上下游之间的水头差则取值为6m,计算获得墙体结构厚度为0.1m,再基于相关工程实际施工的科学经验,决定设置深层搅拌桩防渗墙的最终厚度为0.3m,实际施工中注意误差和材料质量控制。

2)遵循墙体施工的技术要求,设置防渗墙的轴线位置与堤身顶的边线控制桩之间距离为2m,依据先导孔的实际成果图纸来进一步确定防渗墙墙深,推动施工的整个过程中可对墙深随时进行调整,目的是为了确保墙底到达粉黏土隔水层的深1m处位置。防渗墙的宽度设置值最小为30cm,切要确保整个墙体结构连续、完整,因此,对于相邻近的桩体之间搭接长度要控制在16.7cm以上,临近的两桩体中心之间距离也≤91.30cm。墙体水泥材料选择为普通硅酸盐水泥,其实际强度等级应当>425,保证材料具有新鲜度且不存在结块现象,水泥掺水的比值应>15%,且其水灰比应控制在0.7～1.2范围内。在进行墙体搭接施工时,应当确保具体桩位偏差≤1cm,整个墙体的垂直度应当控制<0.5%,以防倾斜严重影响效果,实际深度的偏差值应当<2cm。墙体使用的水泥土强度值P应≥1.0MPa,确保渗透系数K≤10-6cm/s,其渗透破坏比降应>200。

3)在墙体防渗施工完成后开展渗透稳定复核工作,基于实际设计断面开展渗流与渗透稳定情况复核,其结果如表2所示。

表2 施工后下游堤身渗流渗透情况的相关参数

从结果的数据来看,施工后堤身基本可以满足防渗要求。

3 深层搅拌桩防渗墙施工技术在除险加固工程中的应用成效

在采用了深层搅拌桩防渗墙施工技术开展圩堤除险加固处理施工之后,其堤身渗流渗透情况明显变弱,提高了防渗效果,为了验证加固后能够达到要求,还需辅以渗流计算,判断其渗透的稳定性。此次渗流计算主要是利用了理正岩土工程计算分析软件,基于有限元的计算方法,其二维渗流计算公式为:

(2)

式中:Kx为x向到y向的渗透系数,H则表示渗流场中某点的渗压水头值,m。基于相关参数的计算结果来看,堤身的允许值和出逸点高度都符合要求,尤其是堤身背水一侧的坡面和堤基渗透稳定都处于安全状态,坡面出逸点高度也相对较低,说明采用该项防渗墙施工技术的除险加固效果能够满足需求。

4 总 结

本次研究丰城市北湖联圩除险加固工程中主要是应用了深层搅拌桩防渗墙施工技术,通过实践来看,该项技术有利于处理软土地基、淤泥质土以及堤身渗水较强的圩堤,其处理之后可以良好成桩,提高了堤身、堤基以及堤坡的抗渗性能,效果较为显著,相较于其他技术来说,其能够最大限度上利用原土,降低材料成本,具有稳定性强、安全性较好等优势,此外,实际进行加固除险施工时还具有无污染、无噪音以及占地面积小等优点。在具体施工时,还需严格把控技术要点,控制好墙身厚度与各项参数。