鉆孔粘土回填擠密法在汛后處理管涌出險點(diǎn)中的應(yīng)用

詹旺林，雷 聲

（1.江西省九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 九江，332000；2.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029）

0 引言

在汛期，對于管涌險情的搶護(hù)已經(jīng)有很成熟的經(jīng)驗(yàn)和方法，但對于管涌造成土層結(jié)構(gòu)的破壞，汛后怎樣加固處理，目前的研究成果不是很多。

雙層堤基結(jié)構(gòu)在堤防工程中普遍存在，在汛期高水位長時間的作用下易發(fā)生管涌險情，在汛后必須對其進(jìn)行加固處理。采用鉆孔粘土回填擠密法施工對場地條件要求不高，施工簡單、成本較低。因此鉆孔粘土回填擠密法針對雙層堤基結(jié)構(gòu)，且相對不透水層較厚的管涌險情的汛后處理具有一定的經(jīng)濟(jì)適用性。

1 管涌險情

2016年汛期，受長江高水位長時間影響，長江某干堤離堤腳約60m左右的排澇泵站進(jìn)水渠內(nèi)出現(xiàn)管涌險情，渠內(nèi)水深2.5m左右，水面不斷往外冒黑色細(xì)沙，周邊直徑3m范圍內(nèi)全是管涌帶出來的粉細(xì)砂，形勢十分危急。

由于管涌規(guī)模較大，且發(fā)展速度較快，現(xiàn)場搶險人員迅速制訂出前期在滲流出口采用袋裝碎石壓鋪土工布控制險情發(fā)展，待所需搶險物資到位后再填筑反濾圍井對滲流出口形成立體防護(hù)，并在離堤腳80m處修建雍水圍堰抬高進(jìn)水渠水位的搶險方案。經(jīng)過100多人的搶險隊(duì)伍10多個小時的不懈努力，險情得到有效控制，沒有造成大的損失。

經(jīng)事后調(diào)查，出險原因?yàn)殡娬具M(jìn)水渠內(nèi)的地質(zhì)勘探孔封孔質(zhì)量控制不嚴(yán)，汛期在長江高水位的作用下，沿地質(zhì)鉆孔產(chǎn)生滲透破壞，形成管涌險情。

2 地質(zhì)概況

工程區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為厚蓋層雙層結(jié)構(gòu)Ⅱ2類地質(zhì)結(jié)構(gòu)亞類，堤基由第四系全新統(tǒng)地層組成[1，2]，自上至下分別為粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、粘土、灰?guī)r。堤內(nèi)地面高程14.5～16.4m，堤外漫灘不發(fā)育。

（1）粘土（alQ4）：黃褐色，可塑～軟塑，切面光滑，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度一般，層底高程7.70～8.25m。

（2）淤泥質(zhì)粘土（alQ4）：灰黑色，軟塑，切面光滑，粘性強(qiáng)，含腐殖質(zhì)，具輕微臭味，層底高程3.02～5.22m。

（3）粉細(xì)砂（alQ4）：灰色，灰綠色，主要成分為石英，含少量云母，夾含粘土薄層，多呈互層狀結(jié)構(gòu)，級配一般，松散～稍密狀，飽和，層底高程-15.45～-16.8m。

（4）粘土（alQ2）：棕黃色，硬塑，刀切面光滑，巖芯呈土柱狀，局部夾礫石。層底高程-40.76～-29.99m。

（5）灰?guī)r（D3+C21）：弱風(fēng)化灰?guī)r：灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較新鮮，堅(jiān)硬，錘擊聲脆，巖溶較發(fā)育，溶洞及裂隙全充填粘土層，巖面高程-40.76～-29.99m。

堤基各類土的物理力學(xué)參數(shù)及滲透性建議值見表1[3]。

表1 堤基土物理力學(xué)性質(zhì)及滲透性建議值表

堤基由第四系全新統(tǒng)地層組成，具二元結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型主要為雙層結(jié)構(gòu)（Ⅱ2類），上部厚粘性土層，下部為粉細(xì)砂層，工程地質(zhì)條件較好。但由于鉆探施工時揭穿了堤基上部覆蓋層，且鉆孔封孔不甚密實(shí)，而下部細(xì)砂層透水性好，導(dǎo)致鉆孔處堤內(nèi)粘性土蓋層有效厚度變薄，在持續(xù)高水位條件下，江水勢必沿滲流途徑較短、覆蓋層較薄弱處產(chǎn)生滲透破壞，其滲透變形類型為管涌型。

圖1 地質(zhì)橫剖面圖

3 擠密樁加固處理方案

由于管涌離堤腳較近，滲透水流帶出大量粉細(xì)砂和粘土顆粒，周邊土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，防滲性能被削弱，為了確保堤防安全，在汛后必須對發(fā)生管涌的地層進(jìn)行加固處理。根據(jù)方案和經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合場地地質(zhì)條件，對管涌周邊采用鉆孔粘土回填擠密法進(jìn)行加固處理。

鉆孔粘土回填擠密法是通過對管涌點(diǎn)及其周圍進(jìn)行鉆孔，將管涌通道及周邊鉆孔中的土體取出，并在孔內(nèi)回填粘土球，用穿心錘錘擊或靜壓等方式進(jìn)行擠密。粘土球在受錘擊或靜壓密實(shí)過程中，鉆孔周邊一定范圍內(nèi)土層受到擠壓、擾動和重塑，土中氣體溢出，孔周土體孔隙比減小[4]，從而土體密實(shí)度得到提高，覆蓋層厚度得到恢復(fù)，防滲性能得到增強(qiáng)。

3.1 擠密影響半徑Rm的理論計(jì)算

為了確定鉆孔的平面布置形式，必須要知道鉆孔粘土回填擠密法對周邊的影響范圍。為便于建立計(jì)算模型進(jìn)行理論計(jì)算，我們定義擠密影響半徑為Rm，并進(jìn)行以下幾點(diǎn)假設(shè)[5]：

①假設(shè)施工完成后R0（擠密鉆孔半徑）范圍內(nèi)的土體容重為γ0，在影響范圍Rm邊界處的容重為周邊土壤的天然容重γm。自R0至Rm由內(nèi)到外土體的容重由γ0線性遞減至γm。

②假設(shè)擠密施工前后土壤容重自上至下的變化規(guī)律一致，且不考慮施工過程中地表隆起的影響。

③假設(shè)鉆孔內(nèi)回填粘土球的質(zhì)量與鉆孔取出土體質(zhì)量的比值為n。

如圖2所示，以鉆孔中心為圓心，以Rm為外邊界，沿土柱截取一段單位厚度的圓形微分體。在距鉆孔中心x處，厚度為dx的環(huán)形帶狀土體的容重為γx，這一數(shù)值隨著x的增加由γ0而線性遞減至γm。根據(jù)擠密施工前后微分體內(nèi)土壤顆粒重量的變化，可列出微分方程如下：

圖2 土體的微分體模型

方程左邊為根據(jù)上述3點(diǎn)假設(shè)，利用積分方法計(jì)算得出的加固后影響范圍內(nèi)的土體計(jì)算重量，方程右邊為擠密施工完成后影響范圍內(nèi)的土體的實(shí)際重量，理論上兩者數(shù)值是相等的。

另外根據(jù)上述第1、2條假設(shè)，加固后影響范圍內(nèi)的容重γx自R0至Rm呈直線變化（見圖3，R02X2Rm），可得以下直線方程：

圖3 土體的容重變化模型

式中直線方程的斜率a和截距b的表達(dá)式如下：

把線性方程 γ（x）=ax+b 代入微分方程（1）得：

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，n一般取值為2.0～3.0，本次取值為2.5。采用沖擊法回填γ0的取值可達(dá)到（1.2～1.5）γm，當(dāng)采用靜壓法回填時 γ0的取值可?。?.1～1.3）γm。本次地下水位以下采用靜壓法回填，地下水位以上采用沖擊法回填，綜合取值γ0=1.25γm，經(jīng)計(jì)算Rm=3.65R0=237mm。

3.2 擠密影響半徑Rm的建議取值

由于Rm的計(jì)算結(jié)果是基于上述3點(diǎn)假設(shè)的基礎(chǔ)上，事實(shí)上土體的壓縮及對周邊土體的擠壓效果受土體的顆粒組成、土壤的含水量、土層深度和施工質(zhì)量的影響，為了工程安全，在實(shí)際應(yīng)用中對擠密影響半徑Rm應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行折減，綜合考慮土壤的性質(zhì)和施工工藝，Rm可在1.5R0～2.5R0之間選用，本工程選用Rm=2.0R0，地質(zhì)鉆孔半徑65mm，則單孔擠密影響半徑Rm取 130mm。

4 擠密樁布置

原地質(zhì)鉆孔封孔質(zhì)量控制不嚴(yán)，是產(chǎn)生管涌的主因，為保證處理效果，為此在出險的地質(zhì)鉆孔上布置1個回填擠密孔，以其為圓心在其周圍布置2圈回填擠密孔。

根據(jù)單孔擠密影響半徑130mm進(jìn)行布置，第一圈擠密孔布置在半徑為230mm的圓周上，共布置6個回填擠密孔，第二圈擠密孔布置在半徑為400mm的圓周上，共布置12個回填擠密孔，鉆孔處理深度至砂層頂面。鉆孔分2序施工，并按先外圈后內(nèi)圈的順序作業(yè)（見圖4）。施工完成后，在管涌出險點(diǎn)周邊半徑520mm范圍內(nèi)的土體得到密實(shí)加固，覆蓋層得到了恢復(fù)。

圖4 擠密施工布孔圖

5 施工方法及要求

鉆孔粘土回填擠密法主要工序有：放樣定孔位、鉆機(jī)就位、鉆孔、分層回填擠密等。使用地質(zhì)鉆機(jī)泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，孔徑130mm[6]。鉆孔有效深度嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求控制，孔斜率不大于1%。

成孔后下套管以保護(hù)孔壁，同時應(yīng)將套管螺紋上滿上緊，防止套管掉入孔內(nèi)。套管下入后，再用鉆具進(jìn)行一次掃孔，把在下套管時從孔壁上刮下來的泥土掃除干凈，并注意不要因掃孔造成套管脫落。用清水置換鉆孔內(nèi)濃泥漿，直至認(rèn)定泥球能順利下沉到預(yù)定位置。成孔后，往鉆孔中投入泥球。泥球粘粒含量應(yīng)大于30%，塑性指數(shù)應(yīng)大于17，干密度不小于1.4g/cm3，直徑為 2～2.5cm。

地下水位以上采用沖擊法回填[7]，地下水位以下或10m以下孔段采用靜壓法回填，使其壓實(shí)為0.3m。每0.3m投入的粘土球的質(zhì)量一般為2.5倍取出土的質(zhì)量，如表2所示，且不小于14.0kg/0.3m。

表2 各土層投入粘土球的質(zhì)量

6 處理效果

采用鉆孔粘土回填擠密處理后，產(chǎn)生管涌的地質(zhì)鉆孔內(nèi)粉細(xì)砂及部分反濾材料基本得到清除，且通過回填擠密之后，孔周土體孔隙比減小，從而土體密實(shí)度得到提高，覆蓋層厚度得到恢復(fù)，防滲性能得到增強(qiáng)。

2016年7月6日發(fā)生泡泉時長江水位為21.38m（吳淞高程，下同），同年11月擠密加固施工完成。經(jīng)過近幾年特別是2020年長江最高水位22.81m長時間的檢驗(yàn)，周邊區(qū)域未出現(xiàn)管涌等滲透險情，證明處理效果良好。

7 結(jié) 語

雙層堤基結(jié)構(gòu)在堤防工程中普遍存在，在汛期高水頭的作用下，下游堤基承受壓力水頭的作用，當(dāng)壓重大于承壓水頭的時候，堤基滲流維持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)相對不透水層遭到破壞或削弱后，承壓水頭大于所需壓重，就會發(fā)生管涌或流土破壞，一旦形成穩(wěn)定的滲流通道，就會帶出大量的土壤顆粒，通道周邊的土體在應(yīng)力的作用下，土體結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，土體的孔隙比增大，滲透系數(shù)降低，如果汛后不能對出險通道進(jìn)行有效處理，在下一個汛期出險的可能性大大增加。

對覆蓋層比較薄的堤段，可以采用開挖回填粘土的處理方式。但當(dāng)覆蓋層較厚時，開挖回填工作量較大，且開挖過程影響堤防的穩(wěn)定，既不經(jīng)濟(jì)也不安全。采用高噴處理效果也較好，但是高噴施工要求的條件較高，當(dāng)工程量較小時，單位成本特別高，很難有施工單位愿意進(jìn)場施工。而采用鉆孔粘土回填擠密法施工對場地條件要求不高，施工簡單、成本較低。因此鉆孔粘土回填擠密法針對雙層堤基結(jié)構(gòu)，且相對不透水層較厚的管涌險情的汛后處理具有一定的經(jīng)濟(jì)適用性。