水泥土搅拌防渗墙技术在汾河干流防洪工程中的应用.pdf

阐述了水泥土搅拌防渗墙的施工特点，对每一个技术参数进行了详细分析、计算，尤其是根据现场地质情况提出了规范中没有明确的技术参数，并通过试桩过程进行了论证。施工中按照工艺流程严格控制技术参数，通过质量检查对此次水泥土搅拌防渗墙的效果进行了评价，达到了设计要求及相关规范的质量标准，满足了工程安全运行的需要。关键词：水泥土；技术参数确定；工艺流程；质量检查中图分类号：TV543.8文献标识码：B1工程概况汾河干流河津段防洪能力提升工程 2022 年度施工 02 标，包含的施工项目有：对已有阳村排水泵站进行更新改造、在连伯村新建分洪闸一座等内容，由于新建分洪闸部位基础地基以粉细砂为主，含水率高，承载力差，设计要求对分洪闸铺盖和闸室段的基础进行振冲碎石桩形成复合地基，以解决地基原状土体液化，提高地基强度和承载力，减少地基变形，同时在闸室上游侧布置水泥土搅拌防渗墙进行防渗处理。水泥土搅拌防渗墙轴线长度 100 m，桩距 50 cm，孔径 60 cm，桩顶标高 368.10 m，桩底标高 350.10 m，有效桩长 18 m，防渗墙最大限度利用原土，搅拌无振动，对周围建筑物影响很小，同时将水泥作为固化剂，通过成桩机将土与水泥强制搅拌，使软土硬结成具有整体性和一定强度的水泥土增强体，提高地基土强度增大变形模量减少渗漏。2施工主要技术参数的确定为了保证除设计提供的桩径与桩距以外其他主要技术参数能满足本工程的需要，防渗墙施工前进行了3 根工艺性成桩试验，试验桩布置范围位于平行于防渗墙轴线外围 10 m 范围内（确保了不影响其他永久建筑的运行），每个桩距离约 30 m。收稿日期：2023-03-14修回日期：圆园圆3原03原30作者简介：刘召（1978-），男，2012 年毕业于河北工程大学，高级工程师。32023 年 5 月山西水利科技刘 召：水泥土搅拌防渗墙技术在汾河干流防洪工程中的应用试桩完成后，在相应的间隔时间段内，对试验桩进行了开挖和钻孔取芯检查，验证了主体工程施工中采用关键技术参数的可行性。通过测量成桩直径以及查看搅拌均匀程度等成型后的效果，并结合芯样抗压强度取值，均达到了设计要求以及相关规范的质量标准。2.1 土体天然湿密度、固化剂、天然含水率的确定2.1.1 土体天然湿密度确定防渗墙的固化剂主要是水泥，水泥的掺入量又以土体湿密度的大小为依据，两者成正比关系。根据分洪闸的闸址，在平行于防渗墙轴线下游侧不同部位不同桩号对土体的天然湿密度进行了抽查取样，取样部位分别位于设计防渗墙桩顶高程以下 1.0 m、3.0 m、4.0 m、4.5 m 处，通过检测，天然湿密度分别为 1.762 g/cm3、1.819 g/cm3、1.879 g/cm3、1.866 g/cm3。原状地层中加入的水泥越多，水泥土增强体强度就越大。考虑到水泥出厂重量误差、人类活动、外界自然环境等因素的影响，结合素土击实试验报告，本工程天然湿密度确定采用取样检测结果中最大值 1.879 g/cm3进行水泥掺入量计算。2.1.2 固化剂确定原状土层若为块状土体，相对于水泥土混合物凝结体的强度要求不是太高，施工中可以选用 32.5 级水泥，这样可以节约水泥，降低成本。本工程原状土以粉细砂为主，整体均匀，几乎没有块状加固体存在，确定固化剂选用强度等级 P.O42.5 普通硅酸盐水泥。2.1.3 天然含水率确定通过对取样部位土体天然含水率检测，4 个部位样本的天然含水率分别为 40%、42%、45%、46%，均超过技术规范所要求不小于 30%的要求，可以保证水泥充分水化反应，进一步验证了采用水泥土搅拌桩浆液搅拌湿法施工在本工程实施防渗的可行性。2.2 水泥掺入比的确定水泥重量掺入比的计算基数为天然湿密度。一般情况下，水泥搅拌桩水泥掺量为天然土重的5%耀20%，由于本工程以粉细砂为主，结合多年类似工程施工经验，根据试桩开挖观察、成型效果测量、抗压强度取值，在既能满足砂性土水泥掺量不小于 12%，又能保证施工质量、节约水泥、降低工程成本的前提下，确定本工程水泥土增强体的水泥掺入比为天然土重的15%。2.3 注浆量的确定在满足单个桩长内所注浆液量达到规定水泥掺入量标准的同时，需将单个桩长总注浆量在注浆搅拌钻进和注浆搅拌提升两个关键工序上进行合理的分配。分配的原则是：注浆搅拌钻进时注浆量满足浆液能达到搅拌头出口且能保证成股状流动；注浆搅拌提升因原状土已被钻进搅拌过程中扰动成为更为松散地层，提升时应加大注浆量，可以保证重复搅拌时水泥土搅拌更加均匀，增强体强度进一步提高。注浆量的分配在有关技术规范中没有明确规定，结合类似工程施工经验，根据现场土体湿密度、地质情况、施工机械以及试桩的成桩效果进行了确定。2.3.1 注浆搅拌钻进注浆量确定本工程选用 250/50 多缸柱塞式无级电机调速灌浆泵，灌浆泵额定最大工作压力 5 MPa，最大排量250 L/min；选用单头深层搅拌桩机，导向架高度 22 m，满足一次性钻孔 19.5 m 的要求。浆液先通过灌浆泵和高压软胶管输送至导向架顶部，再通过掘进钻杆内嵌套的铁质输浆管利用重力落差到达出浆口。因导向架高度 22 m，所以浆液到达导向架顶部的自重压力相当于 0.22 MPa。根据本工程成桩机械的选型，注浆量通过各种组合方式调试，确定的调试结果如下：在灌浆泵工作压力0.45 MPa、无级调速电机转速 80 r/min 下，搅拌头出浆口浆液均匀成股状流出，分别进行了 5 min、10 min 和15 min，累计 30 min 的流量观测，通过查看灌浆自动记录仪传输的数据，结合测量搅拌桶内浆液流出量的校核验证，出浆量分别为 75 L、150 L、225 L。通过以上数据，确定注浆搅拌钻进注浆量为 15 L/min。2.3.2 注浆搅拌提升注浆量确定单个桩长总注浆量施工前已根据土体天然湿密度以及水泥掺入量基本确定，原则上注浆搅拌提升注浆量应为单个桩长总注浆量减去注浆搅拌钻进时的注浆量。因原状土已被钻进搅拌过程中扰动成为更为松散的水泥土地层，为了保证全桩复搅提升时水泥土搅拌更加均匀，进一步提高增强体强度，考虑到水泥出厂重量误差、人类活动、外界自然环境等因素的影响，3 个试桩在满足应有提升注浆量的前提下，适当的加大了提升注浆量，分别按照 75 L/min、80 L/min、85 L/min 的注浆量进行了控制，通过查看试桩成型外观效果，水泥土增强体搅拌均匀，光泽度高，桩体表面风干后仍成深灰色，桩体试块 28 d 抗压强度平均值 3.66 MPa，说明在不浪费水泥的情况下，质量满足设计要求。确定本工程注浆搅拌提升注浆量为 80 L/min。4山西水利科技第 2 期（总第 228 期）2.4 水泥浆水灰比、重度的确定本工程采用湿法施工，从取得原状土样本来看，地层天然含水率平均值 43.25%，如选用较大水灰比，浆液浓度低，在钻进和提升搅拌中遇水会被进一步稀释，影响水泥土增强体强度；如选用较小水灰比，浆液浓度大，会造成水泥的不必要浪费。2.4.1 水灰比的确定3 个试桩分别用水灰比 2颐1、1颐1、0.5颐1 进行了浆液调配，开挖后通过观察风干后的桩体外观无明显色差变化，对桩顶以下 4 m 处进行了试块取样，抗压强度最小值为 3.36 MPa。在既保质量又节约水泥的前提下，确定水泥浆水灰比为 1颐1。2.4.2 重度的确定水泥的比重按3计算，按水灰比 1颐1的比例配制1m3的浆液，通过计算水泥浆重度为 1 500 kN/m3。2.5 搅拌桩截面积的确定搅拌桩按照设计要求桩间距 50 cm、桩径 60 cm 进行布孔，桩与桩搭接 10 cm，搭接部位墙体最薄处厚度33 cm，满足设计最小墙厚不小于 30 cm 的要求。通过计算桩体半径 30 cm，确定搅拌桩截面积为0.282 6 m2。2.6 搅拌头喷浆提升速度的确定成桩质量的好坏直径关系到防渗墙的防渗效果，为了保证桩体水泥土搅拌的均匀性，施工过程中应严格控制喷浆提升速度。喷浆提升速度按照公式（1）进行计算：V=（酌d伊Q）/（F伊酌伊aw伊（1+ac）（1）式中：ac水泥浆水灰比，1颐1；aw水泥掺入比，15%；F搅拌桩的截面积，0.282 6 m2；Q灰浆泵的排量，0.080 m3/min（注浆搅拌提升注浆量）；酌土的重度，1 879 kN/m3；酌d水泥浆重度，1 500 kN/m3。通过以上数据确定喷浆提升速度V为 0.75m/min。2.7 搅拌头喷浆钻进速度的确定水泥土搅拌桩钻进速度有关技术规范中没有明确规定，但是提升速度确定以后，为钻进速度提供了参考性依据。如钻进速度低于提升速度，施工用时长效率低，人材机等施工成本会相应增加，如钻进速度高于提升速度较多，搅拌轴转速无法与之匹配，达不到每点搅拌次数要求，同时钻进与注浆量不匹配，使得原状土与浆液搅拌不是特别均匀。3个试桩分别按照提升速度的1.1倍、1.2 倍、1.3 倍进行了钻进，结合本工程地层、试桩成型效果、提升速度、以及类似工程施工经验，确定搅拌头喷浆钻进速度为提升速度的1.2倍（不得超过1.00m/min），即 0.90 m/min。2.8 每遍搅拌次数的确定搅拌桩施工过程中，原状土与浆液搅拌次数越多，水泥土拌和的越均匀，其增强体强度就越高，但搅拌次数过多施工效率就会降低。根据施工经验以及相关技术规范要求，在搅拌加固土体范围内任一点水泥土经过20 次的拌合，水泥土强度可以达到较高值。每遍搅拌次数按照公式（2）进行计算：N=（h伊EZ伊n伊（cos茁）/V（2）式中：h直尺测量搅拌叶片的宽度，0.12 m；EZ观测搅拌叶片的总枚数，6 片；n读表搅拌头的回转数，26 rev/min；茁角度测量搅拌叶片与搅拌轴的垂直夹角，15 度；v搅拌头的提升速度，0.75 m/min。通过以上数据确定每遍搅拌次数N为 24 次，按现有参数配置，每个点均大于 20 次的拌和要求。通过分析、研究，确定本工程施工技术参数见表 1。表 1水泥土搅拌防渗墙施工技术参数表3水泥土搅拌防渗墙施工本工程防渗墙采用两搅两喷法从防渗墙轴线一端向另一端逐孔套接方式进行施工。工艺流程为：清场备料寅开沟铺板寅定桩位寅桩机就位寅制备浆液寅注浆搅拌钻进寅注浆搅拌提升寅成桩移机寅质量检查。名称施工技术参数土体天然湿密度1.879 g/cm3固化剂P.O42.5 普通硅酸盐水泥水泥掺入比天然土重的 15%注浆搅拌钻进注浆量15 L/min注浆搅拌提升注浆量80 L/min水泥浆水灰比1颐1搅拌头喷浆钻进速度0.90 m/min搅拌头喷浆提升速度0.75 m/min每遍搅拌次数24 次桩径桩距（设计提供）桩径 60 cm、桩距 50 cm垂直度偏差、桩位对中偏差（规范要求）约0.5%、约20 mm刘 召：水泥土搅拌防渗墙技术在汾河干流防洪工程中的应用52023 年 5 月山西水利科技3.1 清场备料施工前清除了平行于防渗墙轴线下游 10 m 范围的障碍物，并对场地进行了平整压实，基本确保整个施工面为一个高程 369.5 m，方便对桩顶标高和桩底标高进行控制，同时按每两天一循环备足了水泥用量。3.2 开沟铺板开挖泥浆沟以解决钻进和提升过程中从孔口返出水泥土的储存。泥浆沟平行于防渗墙轴线布置，长度与防渗墙轴线一致，位置位于靠近防渗墙轴线且距离防渗墙轴线下游 2 m 范围以外，宽度和深度满足要求即可。在钻机液压伸降腿底部铺设钢板，以均衡钻机对基础表面的压力，保证在钻提过程中钻机稳定。3.3 定桩位按照设计提供的桩距 50 cm、孔径 60 cm 和坐标点在防渗墙轴线上精确定位布孔，在每个桩中心位置插入直径 1 cm 长度 40 cm 的笔直木棍，长度深入基础面以下 35 cm 外露 5 cm，以确保桩位不易扰动。在施工范围以外布置一个高程控制桩，每天对当日计划完成的桩位进行复核。3.4 桩机就位本工程选用 PH-5D 旋喷搅拌桩机。桩机就位前，在防渗墙轴线两端及中心各布一孔，总计 3 个孔，在无注浆的情况下较快的钻进，以再次探清基础深层部位是否有障碍物，提前采取相应措施。对安装调式好的桩机按设计桩位移机就位，桩位对中偏差控制在允许范围内。用吊线锤法调整导向架的垂直，再用导向架的垂直保证钻杆的垂直度。在导向架上划分标尺，在底盘部位安装刻度盘，通过读数间的相互校核，以保证搅拌桩的孔深和每个成桩高程达到设计要求。3.5 制备浆液3.5.1 原材料1）水泥：本工程选用袋装 PO42.5 普通硅酸盐水泥。2）水：水从水井抽取，水质符合有关质量要求。3.5.2 浆液配制浆液水灰比 1颐1，通过双桶 1000L 强制高速搅拌机搅拌。拌制好的浆液随拌随用防止离析。浆液用量、浆液密度、灌浆压力等参数通过传感器监测，灌浆自动记录仪自动记录，发现参数有误时，立即调整。3.6 注浆搅拌钻进3.6.1 注浆注浆选用定量无级变速、额定灌浆压力不小于5.0 MPa 的注浆泵输送浆液，保证浆液在钻进和提升过程中定量不间断供应。3.6.2 钻进启动搅拌桩机，并徐徐下降搅拌头与基土接触，按规定的参数送浆，当浆液到达搅拌头出浆口且成股状流速均匀后，开始注浆钻进，在桩顶高程以上 50 cm处，先注浆搅拌约 30 s，待浆液与桩端土充分搅拌后，再按规定的钻进速度向下注浆搅拌，直至设计桩底高程。同时在钻进与提升过程中随时监测钻杆的垂直度。3.7 注浆搅拌提升搅拌钻进至桩底高程后，搅拌头开始反向回转，还是只注浆搅拌约 30 s，在浆液与桩端土充分搅拌后，再按规定的参数提升搅拌头，以确保全桩长上下至少重复搅拌一次。搅拌法施工到设计桩顶高程时，因上覆土压力较小，搅拌质量相对薄弱，所以提升停搅高程不低于设计桩顶高程 50 cm。开挖基坑时，为保证水泥土不被碰撞损坏，设计桩顶以上的水泥土采用人工挖除。3.8 成桩移机搅拌提升完成后，按同样流程进行下一个相邻孔的施工，两个相邻孔搅拌成桩时间不超过 12 h。3.9 质量检查3.9.1 开挖检查防渗墙全部完工 7d 后，采用开挖桩头进行了检查，开挖深度超过设计桩顶高程以下 50 cm。通过检查墙体，桩与桩搭接成型效果良好，搅拌均匀，风干后成深灰色，搭接厚度最小 35 cm，桩中心最小桩径 66 cm，满足设计要求。3.9.2 水泥土强度水泥土强度随龄期的增长而增大，考虑到防渗墙上部建筑物尽早开工，以确保分洪闸总工期实现等因素，结合相关规范并结合工程实际，选用 28 d 龄期作为标准龄期。达到龄期后，在墙体侧部采用双管单动钻具进行了取芯，测得试块最小无限侧抗压强度为 3.68 MPa，满足设计要求。3.9.3 渗透系数在墙体上进行了注水试验，测得渗透系数为 5.86伊10-8cm/s，满足设计渗透系数不大于 1伊10-6cm/s 的要求。4质量控制要点1）通过对施工人员知识培训和技术交底，提高其工作责任心，同时加强施工全过程管刘 召：水泥土搅拌防渗墙技术在汾河干流防洪工程中的应用（下转第 10 页）62023 年 5 月山西水利科技理，对每个技术参数严格控制，保证工程质量。2）施工中保持搅拌桩机底盘的水平和导向架的竖直，保证墙体垂直度满足要求。3）搅拌头叶片每天进行一次外径测量，如不满足要求及时进行焊补或更换。4）施工因故停搅使成桩工艺中断，钻进时将搅拌头提升至停搅点以上 50 cm 处，提升时将搅拌头下沉至停搅点以下 50 cm 处，排除故障后正常施工。若停搅超过 3 h，拆卸管路进行清洗。5）因防渗墙水泥土终凝时间约为 24 h，所以相邻桩的施工时间间隔不宜超过 12 h。如遇到无法搭接时，可采用局部补桩或注浆等补强措施进行处理。6）防渗墙桩顶开挖后，如发现桩位、桩数、桩顶质量存在缺陷，采取有效补强措施进行处理。围堰边坡稳定计算结果见表 4，滑弧位置见图 6。表 4围堰边坡稳定计算结果表根据稳定计算结果可知，在各工况下，围堰边坡抗滑稳定安全系数均大于规范允许的最小值，围堰边坡稳定满足要求。图 6围堰边坡滑弧位置图3导流建筑物的施工3.1 围堰填筑堰基淤泥采用抓斗挖泥船清除，清除至基岩面后，进行草袋土平台的填筑。围堰水中填筑由两岸逐渐向中间缓慢推土入水，逐步扩大填筑范围。形成完整堰体后，适当减缓水上堰体的填筑速度，堰体经过一段时间围堰沉降平衡、稳定后，对基坑内水进行试抽，水位明显下降，观测到基本无渗水后，阻水体基本满足使用要求。随后对基坑内水抽排，进行背水黏土采用分层填筑，压实度 0.95。围堰填筑土料及填筑要求均应按碾压土石坝施工规范进行。3.2 堰体高喷防渗墙采用旋喷二管法施工，桩径 0.8 m，孔距 0.6 m；高喷防渗墙顶部超设计洪水位 1 m，底部伸入基岩 1 m。3.3 施工要点目前国内没有水中填筑草袋土的相关规范，水中抛填草袋土的抛填量及抛填时间是草袋土阻水体能否满足要求的关键。前序草袋土抛填量至后续草袋土抛填量的允许浸润时间段及其相对应的草袋土抛填量，可通过试验模拟施工扰动确定。填筑过程中应加强堰体沉降速度的监测，确保堰基流塑变形与堰体沉降平衡、稳定，基坑抽水速度必须严格控制，防止水位骤降引起堰坡滑坡坍塌。进水塔施工完成后，进行引渠水下岩石爆破及拆除围堰。堰顶 5 m 范围内围堰拆除采用拉铲或者长臂挖掘机直接挖装。堰顶 5 m 以下围堰拆除结合引渠水下岩石爆破进行。4结语水中填筑围堰增加了施工难度，合理地选择围堰结构不仅可以减少投资，而且可以加快施工进度。通过对不同型式围堰的分析，最终确定采用土石围堰，利用填筑草袋土先形成阻水平台，然后在阻水平台背水面回填黏土堰体，围堰采用灌注高喷防渗墙进行稳定和防渗处理。该设计思路对类似工程围堰的设计和防渗具有指导性的意义。计算工况围堰上游边坡抗滑稳定安全系数围堰下游边坡抗滑稳定安全系数计算值允许最小值计算值允许最小值设计水位1.801.31.431.3设计+地震1.381.151.191.15闫海雷：云竹水库新建泄洪放空洞围堰施工方案研究（上接第 6 页）10