浅析水利工程中的堤防防渗施工技术

洪涝灾害是我国危害最大、造成损失最严重的自然灾害。长江、黄河等七大江河的中下游及沿海平原地区，其面积占国土总面积的8%，这里有占全国40%的人口和35%的耕地，有占全国70%的工农业总产值;这里也是中国人口最密集、经济最发达的地区。这些地区的洪涝灾害严重，是我国国民经济和社会持续发展的心腹之患。防御洪涝灾害，减少灾害损失，关系到社会安定、经济发展和生态与环境的改善。

1　灌浆法的作用机理及其应用实例

1.1　灌浆法的作用机理

灌浆技术是利用压力将能固结的浆液通过钻孔注入岩土孔隙或建筑物的裂隙中,使其物理力学性能获得改善的1种有效的防渗方法。用于堤防防渗的灌浆,是浆液在一定的压力作用下,克服各种阻力,渗入堤防的孔隙和裂隙。

当压力越大,吸浆量及浆液扩散距离越大,因此这又称渗入性灌浆。适合用于灌浆的材料主要有:水泥浆、黏土浆、水泥黏土浆、水泥—水玻璃浆液、水泥砂浆和水玻璃浆液。其中水泥黏土浆是水泥和黏土这2种基本材料相混合所构成的浆液。

水泥和黏土的混合,可互相弥补缺点,构成性能较好的灌浆浆液。水泥黏土浆较单纯的水泥浆液成本低,流动性、抗渗性好,结石率高。目前,堤坝的砂砾石基础的防渗灌浆帷幕,几乎都是采用水泥黏土浆灌注成的。

1.2 应用实例———大堤水泥黏土连续截渗墙工程位于

该工程系一级支流。大堤段位于历史决口老口门处。该段堤防背河堤脚外常年渗水,堤防临河堤高约7m,背河堤高约9m。1982年沁河小董站出现流量4280m3/s。洪水期间, 堤坡潮湿，渗水更为严重。经地质勘探,该段老口门宽200m,堤身土质为粉质壤土。堤基为第四纪全新统冲积堆积,层状结构,从上到下第1层为粉砂,有腐烂秸料,层厚10m;第2层为细砂,层厚6.6m;第4层为壤土,含有礓石,层厚5m。经分析论证,对该段堤防采用水泥黏土混凝土垂直截渗技术进行加固处理。设计墙深26m,深入相对不透水层0.5～1.0m,墙体厚0.4～0.45m,墙体采用50号水泥土,渗透系数为10-7cm/s,并安设测压管、渗压计3组。

经水利委员会检测,成墙效果良好。经取样试验,墙体抗压强度均在5.0MPa以上,平均强度5.95MPa,平均渗透系数k=2.48×10-7cm/s,符合设计要求。通过3组渗压计观测,发现墙后地下水位普遍降低,堤防背河堤脚附近未发现积水现象。

2　高压喷射法的作用机理及其应用实例

2.1　高压喷射法的作用机理

高压喷射法就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后,用高压泥浆泵,通过安装在钻杆(喷杆)杆端置于孔底的特殊喷嘴,向周围土体高压喷射固化浆液(一般使用水泥浆液),同时钻杆(喷杆)以一定的速度边旋转边提升,高压射流使一定范围内的土体结构破坏,并强制与固化浆液混合,凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体,能起到防渗抗渗的作用。

固结体的形状和喷射流的移动方向有关。一般分为旋转喷射(简称旋喷)、定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)。旋喷桩主要用于加固地基,提高地基的抗剪强度,改善地基土的变形性能,使其在上部结构荷载作用下,不至破坏或产生过大的变形。定喷固结体呈壁状,摆喷形成厚度较大的扇状固结体。定喷和摆喷通常用于地基防渗,改善地基土的水力条件及边坡稳定等工程。

高压喷射按喷射介质及管路多少,可分为单管法、二管法和三管法,浆液的材料以水泥为主材,加入不同的外加剂后具有速凝、早强、抗腐蚀、防冻等特性,常用水灰比为1∶1。

2.2　应用实例

该次工程加固段长11.7km, 现有堤塘防洪能力偏低,堤身单薄,渗漏严重。其中高压喷射灌浆防渗段长2091m,总钻孔进尺10588m,钻孔深度2.50～11.05m,高喷9859m。高喷段地质分层(自堤顶往下)为:砾石层(路基)、粉质黏土层(杂填土)、飘石层(碎砖瓦层)、粉土质黏土层、淤泥粉质黏土层、黏土层、基岩,其地质情况较复杂,不同堤段各土层厚度也不相同。

2.2.1 根据设计提供结合现场试验确定施工技术参数如下:

(1)喷射浆液的比重: 1.6～1.8g/cm3;

(2)回浆比重: 1.25～1.45g/cm3;

(3)高压水,压力28～34MPa,流量:75L/min;

(4)压缩气,压力:0.7MPa,流量:6m3/min;

( 5 ) 水泥浆液, 压力: 0 . 9 8 M P a , 流量:80L/min。

采用600型地质钻机,原浆固壁钻进,孔距为1.6 m,高喷采用三重管喷射灌浆工艺。分2序施工, 2序喷灌间隔时间确定为7d,经过对部分挖开连接墙段的观察和分析,当第1序墙体的强度不够而进行割接时,由墙体固有的不均匀性和第2序喷射时的穿透能力和灌填饱满程度的限制,将附近第1序墙体冲散而第2序灌填不饱满等原因而形成防渗体的薄弱点,甚至空洞。当第1序墙体已有足够的强度(1序喷灌7d后)再进行第2序喷灌连接,这样连接防渗效果较好。

①钻孔。采用600型地质钻机,原浆固壁钻进,孔距为1.6m。遇石采用金刚石钻头钻进,控制垂直度为0.5%。

②下三重管喷射。在地面上进行水、气试喷后下管至设计深度,调整喷射方向。

③高压喷射灌浆准备。要求水泥浆比重1.6～1.8g/cm3,控制摆角。

④高压喷射灌浆,控制施工参数。该工程采用28～34MPa的高压水,一般当合金水嘴承受水压30MPa以上,合金水嘴很容易磨损,尤其水质差时更容易磨损。随着水喷嘴的磨损增大,水压减少,当压力表读数减少到低于设计值时,应及时更换水喷嘴。喷射每个孔之前都要检查水、气嘴的工作情况,避免碎片卡在两嘴套装间而堵塞一侧喷嘴,影响喷射质量。在插管过程中,为防止泥砂堵塞喷嘴,可边射水边插管,水压力一般不超过1MPa。

3　排水固结法的作用机理及其应用实例

3.1　排水固结法的作用机理

排水固结法是软黏土地基在荷载作用下,土孔隙水慢慢排出,孔隙比减小,地基发生固结变形。同时,随着超静水压力逐渐消散,土的有效应力增大,地基土的强度逐步增长。

排水固结法是由排水系统和加压系统两部分组合而成的。排水系统可以在天然地基中设置竖向排水体(如普通砂)井、袋装砂井、塑料排水板等),以及利用天然地层本身的透水性。排水固结法可解决黏土地基的沉降和稳定问题。

3.2　应用实例———标准堤工程

根据地质测试,土层结构自上而下依次为:第1层为细砂,出露涂面,厚度较均匀为4.2～4.7m,系河流冲积层,颗粒较均匀,结构松散,以细砂为主,含少量粉粒和黏粒;第2层为淤泥粉砂互层,厚3.5～4.6m,淤泥和粉砂有时不成层分布,土质不均匀,层理不明显以淤泥为主;第3层为淤泥粉质黏土、粉砂互层,厚4.3～5.3m,土质较上层好;第4层为淤泥粉质黏土,厚3.8～6.3m,以淤泥粉质黏土为主,局部夹粉细砂薄层或团块,土质不太均匀;第5层为粉质黏土,厚4.7～8.2m,土质不均匀,夹有粉砂或细砂层,并有少量贝壳碎片;第6层为淤泥粉质黏土,厚度大于1.7m,土质较上层差。

标准堤抛石到高程为3.2m时,开始铺设土工布。

铺设前,对工程施工范围进行地形测量,冲沟、深坑处用石碴料整平网基土工布宽度为10m,长度为横断面处的抛石长度。块与块网基土工布之间采用双排缝合法连接,搭接宽度为40cm,网基土工布安排在低潮位进行铺设,在周边及内部堆适量袋装石碴料定位。

3.2.1　操作工艺

(1)插板时,插板机就位后通过振动锤驱动套管对准插孔位下沉,排水板从套管内穿过与端头的锚靴相连,套管顶住锚靴将排水板插到设计入土深度,拔起套管后,锚靴连同排水板一起留在土中,然后剪断连续的排水板,即完成1个排水孔插板操作。插板机就可移位到下1个排水孔继续施打;

(2)在剪断排水板时,要留有露出原地面15～30cm的“板头”;其后在“板头”旁边挖起砂土20cm深成碗状的凹位,再将露出的板头切去,填平,插板施工即告完成。