懸掛式高壓擺噴垂直截滲技術(shù)在洪澤湖大堤除險加固工程中的應(yīng)用

孫超君

(江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210022)

1 引 言

高壓噴射灌漿技術(shù)是20世紀(jì)60年代末日本創(chuàng)造出來的一種施工方法，自20世紀(jì)70年代末開始在國內(nèi)得到迅速發(fā)展，具有施工范圍廣、地層適應(yīng)面廣、施工便捷等特點，在我國長江、黃河、淮河等流域堤防工程中均有成功應(yīng)用的實例[1-6]。國內(nèi)外很多學(xué)者對此進(jìn)行了總結(jié)和研究，張帶娣[7]結(jié)合實例對水庫除險加固工程中高壓擺噴灌漿施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)；宋慶濤等[8]結(jié)合辛集橡膠壩工程闡述了高壓擺噴施工的要點和難點。該技術(shù)不太復(fù)雜，但由于施工所處基礎(chǔ)條件存在差異性、復(fù)雜性和隱蔽性，懸掛式高壓擺噴防滲處理方式比較少見，尤其在防滲墻的厚度極小、傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測手段匱乏的情況下，如何有效地控制施工質(zhì)量，開展技術(shù)監(jiān)督，保證截滲墻的連續(xù)性、完整性及垂直性是個難題。本文以洪澤湖大堤除險加固工程為例，對施工時的質(zhì)量控制措施和質(zhì)量檢測要點等方面進(jìn)行了探討。

2 工程概況

洪澤湖總庫容123億m3，具有防洪、灌溉、航運、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多種功能，湖底高程10.0～11.0m，高出下游地區(qū)4～8m。洪澤湖設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)300年一遇、校核防洪標(biāo)準(zhǔn)2000年一遇；近期防洪標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，相應(yīng)設(shè)計水位16.0m、校核水位17.0m[9-10]。洪澤湖大堤位于洪澤湖東岸，北起淮陰區(qū)碼頭鎮(zhèn)，南至盱眙張莊高地，總長70.63km。大堤的主要任務(wù)是攔蓄洪水，是淮河下游地區(qū)3000萬畝耕地、2000萬人口的防洪屏障，任何情況下都必須確保大堤的安全。

3 加固處理緣由

洪澤湖大堤始建于東漢建安五年，在長期擋水過程中大堤歷經(jīng)毀損，決而復(fù)堵、毀而重建，在堤身內(nèi)部留下很多亂石堆、埽工、淤泥等。因為建造時受當(dāng)時社會環(huán)境和施工技術(shù)的制約，大堤密實度較差，有局部架空現(xiàn)象，存在部分堤段堤身不實、抗?jié)B不滿足要求等隱患。洪澤湖大堤土層共有、①1、②-1、②-2、③-1、③-2、④、④-2、⑤、⑥、⑥′、⑦-1、⑧等諸層，其中層為堤身堆筑土①-1層為新近沉積土②-1、②-2層為全新世沉積土，③-1、③-2、④、④-2、⑤、⑥、⑥′、⑦-1、⑧等諸層皆為晚更新世及其以前沉積的土層，部分土層參數(shù)見表1。

表1 土 層 參 數(shù)

經(jīng)檢測，洪澤湖大堤③-2土層滲透系數(shù)為3.15×10-4cm/s，不滿足工程安全運行要求。為消除安全隱患，保證堤防運行安全，保障淮河下游地區(qū)人民生命財產(chǎn)安全及經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，對洪澤湖大堤采取截滲加固措施是必要的。

4 加固方案的確定

針對堤防存在的滲漏問題，常見的處理方案有定噴、旋噴和擺噴。定噴影響范圍大，但墻體較薄，常單獨用于深度不大、水頭不高的防滲工程；旋噴防滲墻墻體厚，可承載荷載大，可用于鉆孔深度大、水頭高的透水層加固，但造價較高；擺噴影響范圍較大，墻體較厚，可單獨用于深度較大、水頭較高的防滲工程[11-13]。洪澤湖大堤堤頂高程在17.5m左右，③-2土層高程在2.8～6.3m之間，深度較大，其上部分布③-1層為可塑—硬塑狀態(tài)粉質(zhì)黏土，下部為④-1層為可塑—軟塑狀態(tài)粉質(zhì)黏土，土層滲透系數(shù)分別為1.55×10-7cm/s、2.50×10-6cm/s，滲透系數(shù)滿足運行要求?？紤]到本次加固經(jīng)費有限，經(jīng)研究比較，采用懸掛式高壓擺噴垂直截滲技術(shù)對堤防的③-2土層進(jìn)行加固處理，加固處理長度15.45km，處理后能達(dá)到原設(shè)計功能，設(shè)計概算2277萬元。

加固方案：采用直線對接法施工，對接角度為30°(±15°擺噴)，高壓噴射孔間距為1.4m；擺噴成墻墻體平均厚度不小于10cm。墻體嵌入③-2層土的上層土100cm，下層土50cm(見圖1)，在施工過程中，基于地質(zhì)資料，實時調(diào)整；墻體滲透系數(shù)應(yīng)小于A×10-6cm/s(1≤A≤9)，28天抗壓強度不小于1.0MPa。

圖1 懸掛式高壓擺噴典型斷面設(shè)計示意圖

5 具體施工工藝

5.1 施工流程

懸掛式高壓擺噴垂直截滲工程施工工藝流程見圖2。

圖2 懸掛式高壓擺噴截滲施工工藝流程

5.2 確定試驗位置

根據(jù)工程現(xiàn)場條件及地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布圖，選定大堤樁號K40+350～K40+450為試驗段，高壓擺噴孔間距為1.4m，具體布置見圖3。

圖3 高壓擺噴布置示意圖

5.3 擬定施工參數(shù)

影響防滲墻施工質(zhì)量的主要因素有水壓和水量、氣壓和氣量、漿量和漿壓、提升速度、旋轉(zhuǎn)速度及擺噴角度等。通過現(xiàn)場試驗調(diào)整孔間距、工藝參數(shù)等技術(shù)指標(biāo)，通過開挖觀察、鉆孔取芯等，確定高壓擺噴施工工藝參數(shù),見表2。

表2 懸掛式高壓擺噴施工工藝參數(shù)

續(xù)表

5.4 軸線及孔位布置

按批準(zhǔn)的防滲墻中心線位置進(jìn)行軸線放樣，每50m設(shè)立固定控制點，校核施工軸線、樁位，誤差不得大于5cm，用竹筷等標(biāo)定孔位。堤身彎曲段防滲墻軸線按弧形走勢，結(jié)合曲率半徑測放，防止產(chǎn)生陡彎段，造成防滲墻搭接不牢留下滲漏通道；對急彎地段，施工軸線按地形、地貌放成折線進(jìn)行搭接，保證接頭樁與已完成樁通過增加接觸面積形成可靠連接。

5.5 高壓擺噴成墻

a.布置先導(dǎo)孔。基于滿足施工的水準(zhǔn)點控制網(wǎng)，鉆孔前布置先導(dǎo)孔，約30m布置一個，共3個，以探明堤基③-2層分布情況，先導(dǎo)孔的深度超過設(shè)計墻底深度0.3m。

b.鉆孔。采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)或振動沖擊鉆進(jìn)工藝，按樁距1.4m距離放樣，鉆機定位準(zhǔn)確，控制孔位中心誤差不大于5cm。鉆進(jìn)過程中泥漿護(hù)壁，確?？仔瓮暾惶?，滿足擺噴施工需要。

c.下噴射管。將高噴臺車移至孔口處，進(jìn)行地面試噴，檢查高噴系統(tǒng)的工作是否正常，調(diào)節(jié)好各項施工工藝參數(shù)，然后開始下噴射管，下管深度根據(jù)先導(dǎo)孔探測的深度進(jìn)行控制，確保達(dá)到設(shè)計要求。

d.擺噴、提升。啟動高壓清水泵、泥漿泵和空壓機，按既定噴射擺動角度±15°及確定的提升速度開始噴漿作業(yè)，擺噴時確保噴射角度允許偏差不大于1°。噴管提升至設(shè)計墻頂高程后，停止高壓擺噴作業(yè)，并對孔內(nèi)及時回灌。

6 施工質(zhì)量控制要點

6.1 擺噴位置準(zhǔn)確性控制

由于是隱蔽工程，與常規(guī)高壓施工相比，如何準(zhǔn)確控制防滲墻頂、底高程是懸掛式高噴施工的難點。設(shè)計要求墻體嵌入③-2層土的上層土100cm，下層土50cm。為確保擺噴位置的準(zhǔn)確性，鉆孔前每隔30m設(shè)置一個先導(dǎo)孔，以先導(dǎo)孔驗證③-2層深度與控制防滲墻頂、底高程。先導(dǎo)孔鉆進(jìn)時，仔細(xì)勘查土層，做好鉆孔記錄，準(zhǔn)確反映地層情況。鉆孔時鉆機架設(shè)平穩(wěn)，控制鉆孔垂直度不超過1/100，鉆進(jìn)中用鋼尺測量校核鉆具長度，控制鉆孔的有效深度需超過設(shè)計墻底深度0.3m。

6.2 噴漿材料質(zhì)量控制

按設(shè)計配合比進(jìn)行泥漿試配，經(jīng)過成槽試驗后，確定漿液水灰比為1 ∶1。采用水泥(42.5級普通硅酸鹽水泥)和洪澤湖水作為原料，定期、定人檢查控制施工漿液比重是否滿足要求；嚴(yán)格控制水泥漿自制備至用完的時間不超過4h，施工漿液存放超過有效時間時，均按廢漿處理；控制漿液溫度保持在5～40℃。定期用比重秤檢測水泥漿液密度，及時調(diào)整漿液濃度，確保漿液質(zhì)量。

6.3 擺噴質(zhì)量控制

防滲墻的連續(xù)性、均勻性是高壓擺噴質(zhì)量的關(guān)鍵。設(shè)計要求擺噴成墻墻體平均厚度不小于10cm，為確保防滲墻的連續(xù)性和厚度，在下噴設(shè)管前需地面試噴，調(diào)整注漿壓力、空壓機供氣壓力、擺幅、擺速、提升速度等達(dá)到施工參數(shù)要求后方可下放噴設(shè)管至設(shè)計位置；施工時控制施工注漿壓力不小于40MPa，漿液比重不小于1.5，空壓機供氣壓力保持在0.5～0.7MPa，嚴(yán)格按照確定的參數(shù)進(jìn)行高噴作業(yè)，定期檢查泥漿泵的壓力、漿液流量、提升速度和耗漿量；噴射過程中因故中斷或因加接噴射管等停噴，在恢復(fù)施工時，重復(fù)擺噴灌漿搭接長度不小于50cm。

7 質(zhì)量檢測要點

目前，對已建堤防高壓擺噴工程的檢測，多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的開挖驗證或鉆孔注水等傳統(tǒng)手段，這些方法費時費力且效果有限，難以適用于較大型堤防工程的檢測[14-15]。工程在常規(guī)檢測手段的基礎(chǔ)上，探索采用探地雷達(dá)法、高密度地震映像法及聲波法等多種檢測方法相結(jié)合的檢測技術(shù)，確保工程質(zhì)量。

7.1 常規(guī)檢測

采用鉆芯取樣法和探坑檢查法，對防滲墻墻體水泥土力學(xué)性能、抗?jié)B指標(biāo)、深度及外觀等參數(shù)進(jìn)行檢測。?鉆芯取樣：檢查墻體水泥土力學(xué)性能及抗?jié)B指標(biāo)、探測截滲墻體的深度；?探坑檢查：檢查墻體最小厚度及外觀質(zhì)量。

檢測結(jié)果表明，高壓擺噴形成的防滲墻體水泥土具有一定的完整性，水泥噴射基本均勻，與土體膠結(jié)較好，強度較高，防滲墻頂、底高程均能滿足設(shè)計要求。

7.2 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法檢測能較準(zhǔn)確地對堤防結(jié)構(gòu)層進(jìn)行劃分，反映出土體異常的性質(zhì)。檢測結(jié)果(見圖4)表明，雷達(dá)波形總體變化不大，未見拋物線狀圓弧雷達(dá)波形等明顯特征，同相軸基本連續(xù)，截滲墻墻體總體連續(xù)、完整，不存在空洞、錯斷現(xiàn)象。

圖4 探地雷達(dá)法剖面(40+400～40+450段)

7.3 高密度地震映像法

采用高密度地震映像法對典型斷面進(jìn)行檢測，能較好地反映截滲墻體的連續(xù)性。檢測結(jié)果(見圖5)表明，軸線處面波分布均勻且絕大部分比較連續(xù)，說明高壓擺噴截滲墻體連續(xù)性較好，墻體未見工程質(zhì)量缺陷。

圖5 高密度地震映像解譯剖面(40+363～40+463段)

7.4 聲波法

利用高壓擺噴孔埋設(shè)的兼具反濾功能的透水測試管，采用聲波法對一個測區(qū)四個測孔進(jìn)行相對檢測得到6條波速曲線，根據(jù)曲線特征評判墻體連續(xù)性、均勻性及墻體高度和厚度。以51K+527剖面為例，檢測結(jié)果(見圖6)表明，在檢測范圍內(nèi)由高壓擺噴處理形成的防滲墻體有效高度為4.125m，大于該斷面墻體3.0m高度的設(shè)計值，滿足設(shè)計要求。墻體具有較好的連續(xù)性和均勻性，波速大小在不同區(qū)域內(nèi)存在一定的差異，其波速值在1.344～2.817km/s之間，在水泥土的正常變化范圍內(nèi)。

圖6 波速分布(51K+527)

8 結(jié) 語

觀測結(jié)果表明，工程實施前和工程實施后相比，平均滲流量減少了59.56%，滲流量降幅明顯，起到了明顯的防滲效果，較好地解決了大堤抗?jié)B不滿足要求等問題。洪澤湖大堤除險加固工程實例表明，在堤防堤基進(jìn)行懸掛式高壓擺噴施工時，通過控制壓力、流量、提速、漿液濃度等工藝參數(shù)，以及加強對擺噴位置、噴漿材料、擺噴等重點環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，可以解決該類堤防滲漏處理的相關(guān)難點問題。該技術(shù)的成功應(yīng)用，為確保堤防工程的正常運行和工程安全發(fā)揮了重要作用，為今后類似工程提供了技術(shù)參考。