汲东干渠多头小直径水泥土防渗墙模拟试验与施工控制
安徽省淠史杭灌区管理总局吴光明安徽六安237300
【摘要】多头小直径水泥土防渗墙是一项新技术，汲东干渠除险加固采用该方法是淠史杭灌区工程除险加固中的第一次应用，为了获取精确的施工参数和质量控制方案，确保施工质量，汲东干渠除险加固开工前，在实地做了模拟试验，取得了第一手资料，本文主要简单介绍模拟试验及施工中几组数据的确定。经过实际检验，应用成功并取得良好效果，为灌区下一步的除险加固积累了经验。
【关键词】喷浆量防渗墙模拟试验施工控制
1.工程概况
汲东干渠是淠史杭灌区之一的史河灌区中三大干渠之一，渠道设计流量51.5m3/s，灌溉面积103.41万亩。1958年开挖，1962年投入运行发挥效益。填筑时清基不彻底，所用土料一般为切坡土和原地表残积土，土质较杂，又系人工施工，未能进行很好的压实，致使土方填筑质量较差，干密度最小的仅为1.39g/cm?，加之堤身单薄，边坡较陡，渠堤长有大量的杂草与树木，白蚁危害严重，致使渠道的高填方段存在不同程度的渗漏现象。险工险段较多，渠道多处存在散浸、渗漏、滑坡甚至流土现象，高水位运行时更是险情不断，已严重影响渠道运行安全。为了彻底消除隐患，在几处高填方渗漏严重堤段采用多头小直径深层水泥土防渗墙加固。
2.试验方案拟定
2.1存在的异常、特殊情况
根据现场实际情况和地质勘测报告，施工堤段有以下异常和特殊情况：（1）树根腐烂后或管涌散浸形成的渗漏通道；（2）蚁巢、管涌流土形成的局部空虚；（3）土层中存在砂砾石夹层带；（4）局部堤段有风化岩石；针对这些可能影响施工质量的情况，我们决定现场进行模拟试验，确定施工方案方案。
2.2试验方案拟定
2.2.1常规施工试验
通过工艺试验，确定和验证施工参数，指导施工作业。分两组4道单元墙。一组水泥掺量为12%，另一组水泥为设计掺量15%。
2.2.2模拟现场增加试验
为了准确指导施工，保证工程施工质量，在常规试验的基础上增加了以下试验：（1）模拟渗漏通道试验，试验通道用φ50mm的螺旋钻从堤坡水平钻进。为了更真实放映实际，采用了两组，一组为天然状态，一组在通道内灌水使土壤吸水饱和；（2）模拟局部空虚试验，在试验段就近开挖了一处长×宽×深=2.5m×2m×2m的土坑，坑内填进混有大量树叶、草茎的松土，在距坑底部300mm左右，一端开挖宽度为500mm的通口直接连通至墙体；另一端则用小通道连接至墙体；（3）模拟砂砾石层，在墙体范围内，用挖掘机开挖出长×宽×深=2.5m×3m×2m的土坑，在深度1.5～2m之间人工填筑砂砾石夯实，回填原土；（4）在风化软岩上钻孔试验。
2.3试验过程和结果
2.3.1常规试验
部分参数首先计算，通过验证后确定的，如：单位单元墙水泥掺量、喷降量等；另一部分现场根据设备试验确定的，如：每米的钻进、提升时间，到达设计底高程和提升到顶高程的附加喷浆时间，搅拌喷浆形式等。
1.试验过程。
第一、二段单元墙采用水泥掺和量12%，第三、四段采用水泥掺和量15%。一、三两段采用两搅一喷法（钻进喷浆）不附加时间，深度2.5米；二、四两段采用两搅两喷法，深度3米。附加喷浆时间以孔口不大量泛浆来控制。在试验过程中，我们对浆液比重、钻进、提升时间、附加喷浆时间和喷浆量进行记录。两搅一喷法为了保证喷浆量满足要求，需要用三档钻进，土层硬度不一样，钻进速度变化较大，浆液损失较多，不易控制。
墙体硬化后进行开挖检查，成墙在外观上两搅一喷法比较粗糙，墙体均匀性较两搅两喷法差，桩顶有松散土。强度、抗渗性通过试验室检测，掺和量不同的两种施工方法均能满足设计要求。
2.参数拟定。（1）单位长度单元墙水泥掺和量。水泥浆液设计1：1，水泥掺和率15%，水泥比重3.0。理论计算：1kg水和1kg水泥拌和，浆液重量2kg，体积1.33L，浆液比重1.50。实际用比重仪测定为1.50～1.52。
单位长度单元墙水泥掺和量计算：本工程选用3头直径380mm钻机，土壤天然容重1.43～1.57kg/L，含水率16%～28%，则：
g＝3π×r2×γ×15%×L×k×1000
式中：g——单位长度单元墙水泥掺和量（kg）；
r——钻机钻叶半径（m）；
γ——土壤天然容重，取1.50kg/L
L——单位长度，取1m
k——浆液损失系数，在1.03～1.08之间，本工程取1.05。
g＝3×3.14×0.192×1.50×15%×1×1.05×1000=80.34kg
（2）单位长度单元墙的浆液量：v=80.34+80.34&pide;3=107.12L
（3）单位长度单元墙时间：二档钻进，3.5～4min/m，三档提杆，2.5～3min/m。附加喷浆时间：1～1.5min，单位长度单元墙的总时间T=（5～6min）×h+（1～1.5min）
式中h——单元墙的设计高度（m）。
（4）供浆泵供浆量：q=107.12&pide;（5～6min）=（18～21.4L）/min
2.3.2模拟特殊部位的试验情况
（1）渗漏通道试验有浆液从通道口流出，在搅拌喷浆时流出较快，钻杆退出后基本无浆液出流。通道为饱和土的流出的浆液大约是天然土通道的2～3倍。凝固后开挖检查，小直径通道没有对墙体造成有蜂窝、空洞和断桩破坏，通道内被凝固的浆液填充饱满。渗漏小通道只是对水泥土的水泥含量有一定影响。
（2）模拟局部空虚试验，大通道连通端在进钻时孔口不泛浆，在钻杆提升时孔口微微泛浆，墙体凝固过程中未发现水泥土防渗墙沉陷现象；小通道连通端没有明显的异常现象。开挖检查水泥土沿大通道渗进松土坑1.4m左右，小通道在0.9m左右，连接部位墙体与通道的分界不明显。没有对墙体产生破坏，只是对水泥土的水泥掺和量产生一定偏差。
（3）砂砾石夹层试验，钻机在砂砾层速度减慢，钻进和提升过程未出现明显异常。开挖检查只是浆液渗入夹层比填土层多0.4m左右，墙身和砂砾无明显分界。
（4）分化软岩上钻孔钻机速度下降明显，进钻速度只有常规的1/2～1/3，大量的浆液溢出孔口。开挖检查墙体完好，强度大，外型规则美观，墙石之间有明显的分界线。
3.施工方案确定
3.1产生异常的原因分析
渗漏通道、松土坑试验浆液渗漏主要原因是供浆泵的压力较大，浆液刚从钻杆中喷出没有与泥土充分拌和，流动性大，容易沿缝隙、通道渗漏，进入一定量的浆液和水泥土如果没有溢出口，通道也会自行被封堵，因此小渗漏通道在施工过程中不需要特殊处理。风化软岩石主要是进钻速度慢，岩石吸水率小，连续喷浆将大于浆液的入渗量，大量浆液外溢，因此主要按照钻进深度控制喷浆总量。
3.2施工方案拟定
3.2.1一般部位施工方案
为了保证成墙质量及外观，结合试验结果，决定采用两搅两喷施工法，要求钻进至设计底高程时停钻继续喷浆40～60s，钻杆提升至设计定高程时停钻继续喷浆20～30s后提出钻杆。
3.2.2特殊部位处理和方案
（1）为了保证浆液不流失和水泥掺和率，对渗漏通道出流口进行简单封堵。在检查到出流口后，人工将其周围1m的土挖除，封堵出流孔后回填夯实开挖坑。
（2）施工时多观测记录，发现孔口不泛浆吃浆量大的钻孔，在钻位多增加一两个循环，保持钻进和提杆孔口都泛浆。
（3）钻入岩石层，适当减少喷浆量，只要保持钻孔口微微冒浆即可。
（4）由于本次施工堤段长，共三段3.15km，而原先地质勘测孔为200～300m一处，不能满足施工要求，因此要求补探地质结构，探孔距离在50m以内。
4.施工控制
4.1制作控制参数表
由于地质勘测探孔约50m一处，各孔要求的防渗深度不是常数，按相邻孔深内插确定各单元墙的深度。这样可以利用电子表格进行计算，所有单元墙的施工控制参数、工程量都一一显示，见下表。
序号
桩号
深度（m）
垂直度允许偏差（mm）
喷浆时间（min）
喷浆量（L）
水泥用量（kg）
用水量（L）
工程量（m2）
备注
1
0+00～0+0.9
11.5
34.5
70
1232
924
924
(h1+h2)×0.5×s=564.34
该段相邻两孔的设计底高程h1、h2分别为11.50m和10.85m。高差（－0.65）m。孔距50.5m，单元墙长度0.9m，本段需要56道单元墙。
2
0+0.9～0+1.8
11.49
34.5
69.9
1231
923
923
3
0+1.8～0+2.7
11.47
34.4
69.8
1229
922
922
4
0+2.7～0+3.6
11.46
34.4
69.8
1228
921
921
5
0+3.6～0+4.5
11.45
34.3
69.7
1227
920
920
6
0+4.5～0+5.4
11.44
34.3
69.6
1225
919
919
7
0+5.4～0+6.3
11.42
34.3
69.5
1223
918
918
8
0+6.3～0+7.2
11.41
34.2
69.5
1222
917
917
9
0+7.2～0+8.1
11.4
34.2
69.4
1221
916
916
10
0+8.1～0+9.0
11.38
34.2
69.3
1219
915
915
……
56
0+49.5～0+50.4
10.85
32.6
66.1
1162
872
872
……
4.2施工控制
4.2.1垂直度控制
机座上有互相垂直的水平管，可以大致控制机座的水平；再通过观测悬挂在钻杆塔架上的锤球（互相垂直的两个方向个悬挂一个）进行调整，如图1所示。由于垂直度用相对值表示，为0.3%，垂线长为定长12m，故两个游标偏离中心线36mm。施工过程以垂线偏离度来确定确定是否调整。
4.2.2搅拌叶片最小半径。
搅拌叶片磨损后，使搭接厚度减小，成墙后不能达到设计要求，因此每一单元墙在定位时要对叶片进行检测，叶片半径小于规定值后，立即更换。最小半径确定计算见图2：
图2单元墙各参数示意图
图中：D——钻头直径，380mm；d——最小成墙厚度，233mm（设计224mm）；
L1——墙整体长度，1060mm；L2——单元墙有效长度900mm。
叶片最小半径的确定：r2=1502+1122
可得rmin=187.2mm
4.2.3机械故障。
机械故障检修超过2小时，该单元墙需要返工；在两小时以内的，则将钻杆先从已钻高程提升500mm然后再钻进。
5.质量检查
5.1开挖检查
施工部位达到28后，采用开挖检查，开挖了三处长4～5m，深2～3m的检查坑，复核防渗墙轴线、测量桩直径、观察桩身坚硬程度与均匀性。经检查：墙体外型比较规则，外观质量好，无蜂窝、孔洞，防渗墙桩与桩之间、单元墙体与单元墙体搭接连续；墙厚满足设计要求，最小墙厚不小于225mm；防渗墙体整体性强。
5.2取芯检测和深度探测。
本工程共取芯三组，经检验符合设计要求。探地雷达现场探测深度，也满足设计深度要求。
5.3实际运行。
本工程在2009年4月底完工，2009年5月汲东干渠引水，流量为50m3/s，水位达到61.00m（达到设计水位，比最高防洪水位低1.5m），连续20天运行，采用水泥土防渗墙加固堤段渗基本无渗漏，防渗效果良好。
6.结语
多头小直径水泥土防渗墙的施工方法简单，防渗效果好，造价低，一般在70～75元/m2。为了更能体现这种新技术的优越性能，第一需要详细的地质勘测图；第二要求现场通过试验确定水泥掺和量，避免浪费；第三由于塔架高，施工中要做好机械的稳定和防雷，在大风和打雷停止施工，避免对施工人员的人身造成伤害。
作者简介
吴光明，男1972年出生，工程师，从事水利工程运行管理和施工管理工作，现任淠史杭灌区管理总局红石嘴管理处副主任。
参考文献：
1．淠史杭灌区续建配套与节水改造工程汲东干渠（霍邱段）除险加固工程招标文件，淠史杭水利水电工程设计院编。
2．汲东干渠（霍邱段）除险加固工程多头小直径防渗墙试验报告。淠史杭监理中心、汲东干渠除险加固工程建管处编。
4．《地基与基础工程施工及验收规范》GBJ202-83；
5．《软土地基深层搅拌加固法技术规程》YBJ225-91；
6．《建筑桩基础技术规范》JGJ94-94；
7．《建筑地基处理技术规范》JGJ79-91；
8．《基桩低应变动力检测规程》JGJ／T93-95。
9．《渠道防渗工程技术规范》SL18-2004