振动射冲地下连续墙在孤北水库围坝截渗工程中的应用
谢文鹏，焦乐辉，姜旭民
(山东省水利科学研究院)
1 工程概况
孤北水库位于东营市河口区仙河镇北侧约3km、桩西公路以西2km处。孤北水库占地面积13.6km2，设计蓄水位5.0m（黄海零点，下同），相应蓄水面积12.16km2。水库呈长方形，围坝总长15.585km，坝顶高程6.70m，顶宽7.0m，上游坡1：3，下游坡1：2.5，在坝轴线下游2.5m设宽1.0m，顶高程3.5m砂墙排渗。高程5.90m以下为水力冲填，以上为碾压式均质土坝。水库设计库容5000万m3，其中有效库容4417万m3。死水位1.3m，死库容583万m3，是一座地上湖泊式中型平原水库。
围坝填筑时坝基和取土区均未清基。工程于1994年12月竣工，1996年11月蓄水4.7m，南坝0+000～0+400m坝下集渗沟内出现泡泉，至1998年 5月泡泉大小和范围发展，在0+200～0+500m段出现14个较大泡泉群，泡泉群最大直径1.65m。1999年4月库水位4.17m，0+200～0+500m段下游渗透破坏更加严重，泡泉范围数量增加并冒出浑水，采取了压浸措施。2001年12月库水位3.62m，桩号0+130～0+580m坝下共出现泡泉群40个，以0+275～0+370m、0+525～0+580m段最为严重。1998年探查和2001年对南坝段钻探可见，在建基面上下（高程为-1.50～2.50m之间）的土体中存在水平分布的芦苇根茎腐殖层，明显可见芦苇腐烂留存的孔洞，孔洞直径5～10mm，最大密度20～30个孔洞/m2。
坝基粉土层现场注水试验结果为浅层渗透系数大于10-4cm/s，不能满足防渗要求。当库水位3.62m时坝下渗透破坏现象严重，并有加剧趋势，因此坝体坝基截渗处理必须在水库蓄水之前进行。一期工程拟对南坝段采取设置坝体坝基防渗墙的方案，进行截渗处理。
2 工程地质
拟防渗处理的南坝段土体自上而下可分为4层，分述如下：
①-1填土，成分以粉土为主，粉质黏土次之，夹粉砂，层厚1.2～4.5m，底板标高0.96～2.86m。
①-2 充填土，成分以粉土为主，局部夹含粉质黏土及粉砂。夹含芦苇根茎腐殖质，水平状分布，并可见芦苇腐烂后形成的空洞，5.0m以下含量较多。该层厚1.1～1.9m，底板标高0.88～1.10m。
②-1 粉土，偶见粉质黏土粉砂夹层，夹层厚度小于0.4m，8.0m以浅含有芦苇腐殖质，可见空洞，底部含有有机质团块。该层厚6.6～8.4m，底板标高-6.72～-9.12m。
②-2 粉土，砂粒含量较高，普遍大于30%。该层厚0.5～2.3m，以透镜状分布于②-1 粉土层内，G6、G7、G8、G9孔未出现。
③ 粉质黏土，层理面为粉土充填，可见有机质条带。在探查范围内，该层厚1.6～5.1m，G7、G8、G9、G10、G11、G13孔均未揭穿。
④ 粉土夹粉质黏土，粉质黏土夹层厚度小于0.5m，具水平层理，夹含有机质。在探查范围内，该层厚0.4～2.2m，底板均未揭穿，G8、G9、G10、G11、G13孔未发现。
3 防渗处理方案
经过方案比选，采用振动射冲成槽防渗墙施工技术，其基本原理是：在小功率振动锤的驱动下，成槽器发生高频小振幅的往复运动，对原始地层进行挤压、破碎，通过大流量泥浆泵将地层颗粒置换出地面，形成槽孔，然后浇筑自凝灰浆形成连续防渗墙，建造的防渗墙厚度10～50cm，施工设备2008年获实用新型专利。本技术适用于砂壤土、各类砂层、砾砂层的防渗，2009年列入水利部重点推广项目，2011年列入山东省水利现代化示范项目。截至目前已在国内30余项水利工程地基防渗项目中得到应用，完成防渗墙面积12万m2左右。
4 施工技术方案
4.1 施工技术
本工程截渗范围为南坝桩号0+100～0+690m（进库闸进水箱涵东侧），截渗措施采用振动射冲成槽连续防渗墙。主要设计指标如下：防渗墙厚度0.25m，顶高程6.00m，底高程0+100～0+300m段为-10.00m，0+300～0+691m段为-9.00m。墙体材料采用水泥和料场粉土配制，施工前通过室内试验确定配合比为水泥∶粉土∶水=1∶1.5∶1，室内试验渗透系数K≤i×10-7cm/s（i=1～9）。墙体材料标准抗压强度R28≥2.0MPa，现场注水试验渗透系数K≤1×10-6cm/s。防渗处理纵剖面及横断面图见图1和图2。
图1 防渗处理纵剖面图
图2 防渗处理横断面图
4.2 施工工艺流程
施工工艺流程见图3。
图3 施工工艺流程
4.3 测量放线
（1）根据设计要求，实地测定防渗板墙的轴线位置，放线测量误差不大于±2cm。
（2）测量堤坝顶高程，便于高程控制。
4.4 导向槽的修筑
沿防渗墙轴线开挖导向槽，槽中心线与施工轴线偏差不大于±5cm。槽宽0.5m，槽深0.5m，长度591m。采用切割锯人工切割坝顶路面表层10cm厚沥青混凝土路面，挖掘机机械开挖表层10cm厚沥青混凝土路面、20cm厚3∶7灰土基层及其下20cm厚土层。开挖出的弃土运至业主指定弃渣场内。
4.5 固壁泥浆系统
（1）利用4kW强制式灰浆搅拌机制备膨润土固壁泥浆，固壁泥浆配比建议采用∶膨润土∶水=0.2∶1（重量比），试验段阶段，根据现场情况调整配比，每小时测定一次固壁泥浆比重 （每槽孔至少测一次）。
（2）利用导向槽、泥浆池、正循环机组组成固壁泥浆循环系统。
（3）泥浆除渣：利用泥浆池沉淀方式除渣。
4.6 成槽机安装和调整
（1）组装好成槽机，并移动至施工轴线上。
（2）调整成槽机方位，使之对准导向槽，展开液压支撑，整平设备平台。
4.7 开槽施工
（1）将开槽器放入导槽内，连接好管路，启动机组进行试运转，一切正常后转入正常施工。
（2）实行排孔连续开槽法：根据开槽器尺寸将槽段划分为多个孔位，开槽器尺寸为长1.2m，厚0.25m。相邻槽孔之间搭接约0.2m，即每槽孔实际轴线长度为1.0m。从槽孔的一端开始进行第一个孔位的施工，37kW中压泥浆泵泵送固壁泥浆，当第一个槽孔达到设计深度后，提升开槽器至地面，移机到下一槽孔位置进行相同工序的施工。
4.8 槽段浇筑
根据设计图纸说明，墙体材料采用水泥、粉土拌制水泥土灰浆，配合比采用∶水泥∶粉土∶水=1∶1.5∶1（重量比）。
水泥土灰浆的浇筑采取以下步骤：
（1）根据设计要求的墙体材料强度和渗透性指标，事先配置好材料配和比，即水泥∶粉土∶水=1∶1.5∶1（重量比）。并实际换算出槽段墙体浇筑需要的灰浆方量为30m3/100m2。使用两台4kW强制式灰浆搅拌机进行二级搅浆。水泥土浆液比重每一小时测定一次 （每槽孔至少测一次），浆液比重建议值范围为：1.45～1.55，根据试验段施工确定参数。
（2）浇筑台车就位，将灌注管下至槽孔底部，调整灌注管下端喷嘴方向与轴线一致。将拌制好的水泥土灰浆浆液放入专用储浆桶内，用22kW中压泥浆泵通过灌浆管输送至孔底，随灌注随提升（通过试验段确定提升速度参数为35cm/min），置换排出槽孔内多余固壁泥浆，直到达到灰浆计算需求数量的1.2倍（考虑离散性），同时槽孔口返浆为止，墙体浇筑顶面应比设计墙顶高程高20～30cm。灌浆管提升出槽孔，台车移机到下一槽孔位置进行相同工序的施工。
（3）最后将槽孔用木板盖住，防止杂物掉入。
4.9 对原材料的要求
采用P.C32.5复合硅酸盐水泥，袋装。水泥质量应符合现行规范要求。水泥应严格防潮和缩短存放时间，不得使用过期变质水泥。水泥进场必须附有《出厂水泥检验报告》及《出厂水泥合格证》，同时应在监理人员见证下抽样送至有法定资质的检测机构进行水泥试验并出具试验报告。
4.10 制浆和输浆
（1）配制浆液材料必须称量（或折算体积），称量误差：水重不超过±2%；其他材料重量误差不超过±5%。
（2）浆液试验：每项工程施工前按照确定的浆液配合比进行制浆试验，通过搅拌试验确定浆液每缸最少搅拌时间，以浆液达至各介质混合均匀为准。
（3）浆液储存。制浆量应大于一个槽孔的用浆量。
（4）浆液检测。浆液搅制后应对倾倒出的浆液进行比重检测。每1h检测一次。
（5）浆液输送。在制浆站制浆，放入泥浆池。
（6）浆量计量。用储浆筒体积计量。
4.11 特殊情况的施工
（1）施工轴线弯曲。施工轴线弯曲半径大于10m时，可以正常施工；当弯曲半径小于10m时，可以应用套接法进行施工。
（2）堤坝内有障碍物。堤坝内有废弃或现有管涵等障碍物时，应将造槽机越过障碍物施工。缺墙段可用灌浆或单管高喷灌浆工法处理。
（3）地层中有较大块碎石、卵石，反循环不能直接排出时，可用冲击杆破碎后捞出。
（4）当槽孔中出现槽壁坍塌现象时，应根据现场情况逐渐加大膨润土固壁泥浆比重，加大对槽壁的静压力，减少槽壁坍塌，直至险情排除。并对塌槽段重新造槽。
（5）当昼夜平均气温低于5℃或最低气温低于-3℃时属于冬季施工，必须采取相应的冬季施工安全措施，做好冬季施工的防寒养护工作。为保证施工质量，环境温度低于-3℃以下时停止施工。必要时对拌和用水进行加温，防止浆液冻结。
（6）施工过程中围坝前后坝脚多处位置出现跑浆串冒现象，验证了在建基面上下坝体及坝基存在孔洞等渗漏通道的判断。针对跑浆冒串现象，采取逐渐加大泥浆比重、提高灌注量、降低灌浆压力等方法，对孔洞等渗漏通道进行封堵灌注。
5 施工质量检查与成果
（1）施工过程中检查防渗墙质量。内容有：墙厚、抗压强度、渗透系数等成槽器厚度尺寸为0.25m，实际墙厚均不小于0.25m设计墙厚。每1000m2墙体取3块一组试样进行抗压强度试验和室内渗透试验。试验结果见表1，均满足墙体材料室内试验渗透系数K≤i×10-7cm/s（i=1～9），标准抗压强度R28≥2.0MPa的设计要求。
表1 室内试验成果表
（2）施工结束后采用注水试验对防渗墙进行防渗性能检测。现场设围井3处进行注水试验，位置位于0+130m、0+370m、0+570m，围井型式见图4，参考 《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T5200—2004），采用在围井中心处钻孔做注水试验对墙体质量进行检验，围井边墙深度与围坝振动射冲成槽地下连续墙深度相同。围井边墙的施工工艺与振动射冲成槽地下连续墙施工方法、参数和技术要求相同。围井防渗墙顶高程均为6.0m，其中0+130m处、0+370m处围井防渗墙底高程为-9.00m，0+570处围井防渗墙底高程为-10.0m，墙体渗透系数K按附录B中B.1公式进行计算。围井注水试验采用常水头进行，通过量杯或便于计量的水表等，不断向围井内注入水，保持固定水位不变，测得稳定注水量，带入公式计算渗透系数。现场注水试验成果见表2，均满足渗透系数K≤1×10-6cm/s的设计要求。
图4 围井型式布置图
表2 围井注水试验成果表
6 结语
振动射冲成槽地下连续墙施工技术具有工法先进合理、设备性能稳定可靠，故障率低，机械化程度高，操作简单，成墙质量可靠等优点，既克服了深层搅拌桩、振动沉模、振动切槽等工法施工深度小、地层适应性差的缺点，又避免了冲击钻、抓斗成槽等工法设备投入大、工程造价偏高的不足。该技术为基础防渗处理提供了一种可靠的新方案，具有较广的推广前景。