水位变动区堤防工程重要技术参数探讨

刘开升

（辽宁江河水利水电工程建设监理有限公司福州分公司，福建福州 350001）

1 水位变动区吹填砂的相对密度取值问题

1.1 项目水文地质条件

工程区域沿线地表水系主要为闽江下游北港及其周边河道。地下水埋深一般在地表下1.60～9.50 m，主要由河水及大气降水补给。根据含水层性质、地下水埋藏条件，此区域的地下水含水层可分为：赋存于素填土、砂层中的地下水为孔隙性潜水；赋存于风化岩层中的地下水为基岩裂隙水。

此工程区建筑场地类别为Ⅱ类，根据地质测绘及钻孔的资料，结合原位测试及室内试验结果对本工程土层性质自上而下简要分为；杂填土；抛石；中细砂；卵石；砂土状强风化花岗岩；碎块状强风化花岗岩等。

1.2 问题提出

闽江下游北港堤防工程属2级，原设计要求砂的填筑标准为相对密实度不小于0.75。但由于历史上（20世纪中叶后）多次吹填，且闽江下游防洪堤几乎都处于闽江口潮汐水位变动区域（罗零高程约4～6 m），吹填砂施工时现场砂密实程度分布不均一，砂（无粘性土）的特征值变化较大。到2000 年前后要进行防洪标准提高及堤防工程施工时，此工程经多次现场试验检测实测，砂相对密实度很难全部满足大于0.75的要求。

参照有关规范规定，无粘性土填筑标准具体要求又不尽相同。如，《碾压式土石坝设计规范》中规定，相对密度不低于0.70～0.75，不分坝级别；《城市防洪工程设计规范》和《堤防工程设计规范》中规定，1、2级和高度超过6 m的3级堤防不应小于0.65，低于6 m的3级及3级以下堤防不应小于0.60。

砂密实度直接影响砂体及堤防工程的沉降、防渗墙桩（如旋喷桩）的凝固等状况，砂相对密度设计取值问题值得注意。

1.3 施工实践

表1所示是此工程C2标段回填砂相对密度试验成果。

表1 闽江下游堤防工程C2标段回填砂相对密度试验成果表

1.3.1 分析方法一（数值理论计算）

根据表1 数据，结合相邻标段类似工程施工现场实测，闽江下游北港水位变动区内的吹填砂的特征值基本上约为：填筑干容重rd=1.59～1.67，最大干容重rdmax=1.71～1.78，最小干容重rdmin=1.39～1.42。

依据有关规范规定，Dr=［emax-e］/［emax-emin］，其中e 为填筑孔隙比，emax为最大孔隙比，emin为最小孔隙比。

又e=rs/rd-1，其中rs为比重。即emax=rs/rdmin-1，emin=rs/rdmax-1。

所以，Dr=［（rd-rdmin）rdmax］/［（rdmax-rdmin）rd］。

将上述特征值代入上式，得出：Dr=0.67～0.74。

1.3.2 分析方法二（概率论分析）

对上述相对密度成果，采用概率论分析如下：相对密度平均值Dr=0.69；方差S2=［∑（Dri-Dr）2］/（n-1）=0.000 592 92，标准差S=0.024 35。

变异系数Cv=S/Dr=3.50（%）。

因只要求控制最小相对密度，故采用单边置信区间方法：f=n-1=15，则定性限值（单边）t0.01=2.602。所以，上置信界限为：μ＜Dr＋t0.01×S/√n=0.706；下置信界限为：μ＞Dr－t0.01×S/√n=0.675。

以上说明，平均相对密度的“真值”小于0.706 的概率是99%，即大于0.706 的概率只有1%；平均相对密度的“真值”大于0.675的概率是99%，而小于0.675的概率只有1%。

1.4 意见建议

①1、2 级堤防的砂相对密度，宜不小于0.67（或大于2/3）。②回填砂层的层厚不宜超过0.25 m，经高压灌水后，每层应错开0.50～1 m采用振动碾进行振实。③同一断面，砂层试验取样深度：高程（罗零）4 m（低潮水位）以下取一组；高程（罗零）4 m以上每0.50 m厚取一组（一个单元）。

该闽江下游北港堤防工程按照上述修正砂的相对密度等技术参数后，经多次质量检验检测均能满足施工、设计及运行使用要求，目前堤防工程运行良好。

2 单排单管高压旋喷桩的孔距、孔径取值问题

2.1 高压旋喷桩防渗墙施工

高压旋喷桩防渗墙是指通过钻机钻杆的旋转、提升，高压水泥浆由水平方向的喷嘴喷出形成喷射流，以此切割土体并与土拌合构筑水泥土竖向增强体的防渗墙。按照设计要求和有关技术规范规定，采用喷射孔与高压注浆泵的距离不大于50 m，高管法高压水泥浆的压力为20～40 MPa，流量大于40 L/min，提升速度为0.10～0.20 m/min。水泥浆液的水灰比为1∶1.0～1.5。工程采用42.5强度等级的普通硅酸盐水泥作为高压喷射注浆的基本浆液，其旋喷用浆量和提升速度均采用自动装置做好记录。

2.2 问题提出

此工程地下防渗墙采用单管高压旋喷桩，原设计为单排单桩直径0.60 m，孔距0.60 m。理论上两桩（圆柱体）相切，没有考虑其搭接厚度，显得不太合理。那么，在水位变动区内，其孔距（L）、孔径（D）与搭接厚度（h）的关系又是如何。

2.3 施工实践

虽然受水位变动区域内不利水流环境影响，由于施工时旋喷桩高压喷射产生的实际切割地层范围往往大于有效受力作用范围，并因地基地层土质、施工机械设备、施工工艺技术等相关因素的可能利好影响，桩直径0.60 m、孔距0.60 m 的桩间搭接厚度，实际上也存在，但搭接厚度很薄。

在此工程施工条件正常情况下，经多次施工现场实测，其桩间搭接厚度几乎都在0.08 m 以下（均未超过0.10 m）。在肉眼不可见的地下情况下，如此薄的厚度，其连续性存疑且不可靠，很难承受相关荷载（压力），特别是来自上方的堤身压力和周围的水体渗透力。

理论上，假如设计桩直径为D，两桩间距为L，见图1。

图1 相邻两桩的平面布置示意图

则两桩之间咬接（搭接）厚度：h=√［D2-（D/2+L/2）2］。

所以，若设计D=0.60 m，L=0.55 m，代入上式，得出：h=0.17 m。

同时，根据多项工程实践及实测检验资料表明，为保证工程质量，单管高压旋喷桩咬接（搭接）厚度应大于0.10～0.25 m。

此工程单管高压旋喷桩施工完成后，根据工程要求和实践经验采用开挖检查进行质量检验。如表2 所示是闽江下游堤防工程某些标段选取有代表性的几组实测搭接厚度情况。

表2 闽江下游堤防工程高压旋喷桩实测搭接厚度情况表

从以上数据可以看出，设计桩直径D=0.60 m，孔距L=0.55 m，则L/D=0.92，其搭接厚度满足要求，也是合理可行的。

经多项工程实例总结，单管高压旋喷桩施工时，如果采用单排单桩形式，其孔距（L）、孔径（D）与搭接厚度（h）的关系可以归纳为：通常情况下，取L≤0.94D，则其搭接厚度h≈0.33D。地基条件有利高喷射流时，取L≤0.97D，则其搭接厚度h≈0.20D。地基条件不利高喷射流时，取L≤0.91D，则其搭接厚度h≈0.40D。

2.4 建议

经以上分析，在闽江下游河道水位变动区域内进行防渗墙高压旋喷桩（单排单管）施工时，除应通过试桩确定有关施工技术参数外，还宜同时考虑采用以下参数数据：①单排单管高压旋喷桩的设计孔距宜为：L≤mD，m 通常可取0.92～0.94。②设计选取桩径（D）时，应参照桩设计深度内的高喷射流最难切割的土层时形成的桩直径。这个参数的数据可以通过现场试验或试桩能够比较准确地测出。③在新填筑的砂基中进行旋喷桩施工，应在地基条件（沉降等）基本稳定后进行，其压实干容重宜达到1.55～1.65 t/m3。

3 结语

受潮汐影响，福州市城区的闽江河道基本上处于水位变动区域，采用砂土填筑类防洪堤的无粘性填筑材料（砂）密度及防渗墙（旋喷桩）技术参数的选取至关重要。结合闽江下游北港堤防工程实例，讨论了填筑类防洪堤工程建设中，水位变动区的堤身填筑砂的相对密度和防渗墙的高压旋喷桩有关施工技术参数的取值问题。