第四节 软基处理
软基主要是指砂砾、软黏土、黄土、细砂层等地基，软基处理主要是进行加固与防渗。砂砾地基的处理，主要是控制渗透流速、渗透流量，保证坝基渗透稳定；办法是采用垂直防渗与水平防渗：垂直防渗采用黏土截水墙、混凝土防渗墙及帷幕灌浆等，水平防渗多采用黏土铺盖，有时在坝下游还需采用排水减压等手段。软黏土或冲积层地基的特点是含水量高，压缩性大，透水性小，抗压、抗剪强度低，可采用加速排水固结办法，提高其抗剪强度，如砂垫层排水、真空抽气加固、砂井预压等措施。黄土地基,主要是湿陷性黄土,因其沉降量大，可能引起坝的失稳及开裂，可采用挖除、预先浸水或表面强夯等措施。总之，除控制渗流外，还要提高地基强度和稳定性，减少总沉降量和沉降差。细砂层地基，应防止管涌与振动液化现象，近年来发展较快的是利用振冲法加固砂土地基。
在工程中经常遇到如建筑、桥梁工程柱桩及水利工程中的坝闸地基覆盖层的防渗墙等地下结构设施，这些结构的作用和构成虽有差异，但其施工的工艺方法却有相近之处，下面就水利工程中混凝土防渗墙的施工问题作一介绍。
槽孔（板）型的防渗墙，是由一段段槽孔套接而成的地下墙。尽管在应用范围、构造型式和墙体材料等方面存在着各种类型的防渗墙，但其施工程序与工艺是类似的，主要包括：①造孔的准备工作；②泥浆固壁与造孔成槽；③终孔验收与清孔换浆；④槽孔混凝土浇筑；⑤全墙质量验收等过程。
一、制浆
1.泥浆作用
在松散透水的地层和坝（堰）体内进行造孔成墙，如何维持槽孔壁的稳定是防渗墙施工的关键技术之一，工程实践表明，泥浆固壁是解决这类问题的主要方法。
（1）泥浆固壁的原理。由于槽孔内的泥浆压力高于地层的水压力，泥浆渗入槽壁介质中，其中较细的颗粒进入空隙，较粗的颗粒附在孔壁上，形成泥皮。泥皮对地下水的流动形成阻力，使槽孔的泥浆与地层被泥皮隔开，泥浆一般具有较大密度，所产生的侧压力通过泥皮作用在孔壁上，就保证了槽壁的稳定。
（2）泥浆除了固壁作用外，在造孔过程中，尚有悬浮和携带岩屑、冷却润滑钻头的作用。
（3）成墙以后，渗入孔壁的泥浆和胶结在孔壁的泥皮还对防渗起辅助作用。
2.材料及要求
由于泥浆的特殊重要性，在防渗墙施工中，国内外工程对于泥浆的制浆土料、配比以及质量控制等方面均有严格的要求。
（1）泥浆的制浆材料主要有膨润土、黏土和水，以及改善泥浆性能的掺合料，如加重剂、增黏剂、分散剂和堵漏剂等。制浆材料通过搅拌机进行拌制，经筛网过滤后，输入专用储浆池备用。
（2）我国根据大量的工程实践提出制浆土料的基本要求，即黏粒含量大于50%，塑性指数大于20，含砂量小于5%，氧化硅与三氧化二铝的质量比以3～4为宜。
配制而成的泥浆，其性能指标应根据地层特性、造孔方法和泥浆用途等，通过试验选定。表2-3所列为新制黏土泥浆性能指标，可供参考。
表2-3 新制黏土泥浆性能指标
泥浆的造价一般可占防渗墙总价的15%以上，故应尽量做到泥浆的再生净化和回收利用，以降低工程造价，同时也有利于环境的保护。
3.制浆
制浆工艺及布置如图2-31所示。
图2-31 制浆工艺流程图
搅拌机通常有2m3或4m3等不同容量的卧式搅拌机、NJ-1500型泥浆搅拌机。
槽孔返回的悬渣浆液可采用泥浆净化系统对泥浆进行筛分和旋流处理，除去大于0.075mm的颗粒后又重新回到浆池中重复利用。
二、造孔成槽
1.造孔准备
造孔前必须根据防渗墙的设计要求和槽孔长度的划分，做好槽孔的测量定位工作，并在此基础上设置导向槽。导向槽沿防渗墙轴线设在槽孔上方，用以控制造孔的方向，支撑上部孔壁，它对于保证造孔质量、预防塌孔事故有很大的作用。导向槽可用木料、条石、灰拌土或混凝土制成，净宽一般不小于防渗墙的设计厚度，高度以1.5～2m为宜，为了维持槽孔的稳定，要求导向槽底部高出地下水位0.5m以上；为了防止地表积水倒流和便于自流排浆，其顶部高程应比两侧地面略高。
导向槽安设好后，在槽侧铺设造孔钻机的轨道，安装钻机，修筑运输道路，架设动力和照明路线以及供水供浆管路，做好排水排浆的系统，并向槽内充灌泥浆，保持泥浆液面在槽顶以下30～50cm。做好这些准备工作以后就可以开始造孔了。
2.造孔成槽
造孔的成槽工序约占防渗墙整个施工工期的一半，槽孔的精度直接影响防渗墙的质量。用于防渗墙开挖槽孔的机具，主要有冲击钻机、回转钻机、钢绳抓斗及液压铣槽机等，它们的工作原理因适用的地层条件及工作效率不同而有一定的差别，对复杂多样的地层，一般要多种机具配套使用。
进行造孔挖槽时，为了提高工效，通常要先划分槽段。造孔成槽的每一槽段长度与墙厚、地质、水文地质条件、槽深及机械等条件有关，同时还应考虑进度要求和墙段接头的工艺等问题。
一般沿防渗墙轴线方向可以分段，间隔分期成槽筑墙，以便墙段结合紧密，每个墙段长度应满足混凝土浇筑能力大于混凝土墙体浇筑强度的要求，即
式中 B——墙厚；
L——墙段长度；
v——规定的混凝土浇筑上升速度；
Q——混凝土生产能力。
工程实践中，槽段长度通常取6～12m。
图2-32 钻劈法造孔成槽
1—钢丝绳；2—钻头；3—主孔；4—接砂斗；5—副孔
槽孔划分好后，然后在一个槽段内划分主孔和副孔，采用钻劈法、钻抓法或分层钻进等方法成槽。
（1）钻劈法。又称“主孔钻进、副孔劈打”法，如图2-32所示，它是利用冲击式钻机的钻头自重，首先钻凿主孔，当主孔钻到一定深度后，就为劈打副孔创造了临空面。使用冲击钻劈打副孔产生的碎渣有两种出渣方式：①利用泵吸设备将泥浆连同碎渣一起吸出槽外，通过再生处理后，泥浆可以循环使用；②用抽砂筒及接砂斗出渣，钻进与出渣间歇性作业，这种方法一般要求主孔先导8～12m，适用于砂砾石等地层。
（2）钻抓法。又称“主孔钻进、副孔抓取”法，如图2-33所示，它是先用冲击钻或回转钻钻凿主孔，然后用抓斗抓挖副孔，副孔的宽度要求小于抓斗的有效作用宽度。这种方法可以充分发挥两种机具的优势，抓斗效率高，而钻机可钻进不同深度地层；具体施工时，可以两钻一抓，也可以三钻两抓、四钻三抓，形成不同长度的槽孔。钻抓法主要适合于粒径小的松散软弱地层。
（3）分层钻进法。常采用回转式钻机造孔，如图2-34所示，分层成槽时，槽孔两端应领先钻进导向孔。这种方法是利用钻具的重量和钻头的回转切削作用，按一定的程序分层下挖，用砂石泵经空心钻杆将石渣连同泥浆排出槽外，同时不断地补充新鲜泥浆，维持泥浆液面的稳定。分层钻进法适用于均质细颗粒的地层，使碎渣能从排渣管内顺利通过。
图2-33 钻抓法成槽过程
1—主孔；2—副孔；3—抓斗
图2-34 分层钻进成槽法
1～13—分层钻顺序；14—端孔；15—分层平挖部分
（4）铣削法。采用液压双轮铣槽机，先从槽段一端开始铣削，然后逐层下挖成槽。液压双轮铣槽机是目前比较先进的防渗墙施工机械，它由两组相向旋转的铣切刀轮，对地层进行切削，这样可抵消地层的反作用力，保持设备的稳定。切削下来的碎屑集中在中心，由离心泥浆泵通过管道排出至地面,如图2-35所示。
3.孔底沉渣清理
在用冲击钻施工时，通常抽筒出渣，尽管施工验收时一般都满足孔底泥浆含砂率小于12%的要求，但当混凝土浇筑进度较慢，而槽孔又较深时，泥浆中的砂粒就会沉积到混凝土的表面，而随着混凝土面的上升，这些泥沙就有可能被裹入混凝土中，形成夹泥，或推向两边与相邻槽孔的连接处，形成接缝夹泥，这对防渗墙来说是致命的缺点。近年来，由于冲击循环采用泵吸法并经泥浆处理装置去除了孔内泥浆中大于0.075mm的颗粒，这一问题得以解决。在单独使用冲击钻和抓斗施工时，也开始采用一种可置于孔底的潜水泵抽吸孔底泥浆，使防渗墙的质量大大提高。
图2-35 液压铣槽机的工艺流程
1—铣槽机；2—泥浆泵；3—除渣装置；4—泥浆罐；5—泥浆泵；6—筛除的钻渣；7—补浆泵；8—泥浆搅拌机；9—膨润土储料罐；10—水源
三、终孔验收和清孔换浆
终孔验收的项目及要求见表2-4。验收合格方准进行清孔换浆，清孔换浆的目的，是在混凝土浇筑前，对留在孔底的沉渣进行清除，换上新鲜泥浆，以保证混凝土和不透水层连接质量。清孔换浆应该达到的标准是经过1h后，孔底淤积厚度不大于10cm，孔内泥浆密度不大于1.3g/cm3，黏度不大于30s，含砂量不大于10%，一般要求清孔换浆以后4h开始浇筑混凝土。如果不能按时浇筑，应采取措施防止落淤；否则，在浇筑前要重新清孔换浆。
表2-4 终孔验收的项目及要求
四、防渗墙体混凝土浇筑
1.防渗墙的墙体材料
防渗墙的墙体材料，按其抗压强度和弹性模量，一般分为刚性和柔性材料。刚性材料包括普通混凝土、黏土混凝土和掺粉煤灰混凝土等，柔性材料包括塑性混凝土、自凝灰浆和固化灰浆等。另外，现在有些工程开始使用强度大于25MPa的高强混凝土，以适应高坝深基础对防渗墙的技术要求。
防渗墙混凝土为抗压强度在7.5~20MPa的一般混凝土，要求有较好的和易性（表现在流动性、黏聚性、保水性3个方面），其坍落度为18~22cm，扩散度为34~38cm。由于防渗墙混凝土是在泥浆中浇筑的，故无法振捣，这就要求混凝土具有良好的流动性保持能力，也就是指在1h内混凝土的坍落度不能低于15cm。
在材料的选用方面，水泥强度等级要求不低于22.5，石子的粒径不宜大于40mm，砂以中、粗砂为宜。
在材料的配合比方面，水泥用量不宜低于300kg/m3，砂率以35%~40%为宜，水灰比宜控制在0.55~0.70之间。
2.墙体混凝土浇筑
防渗墙的混凝土浇筑和一般混凝土浇筑不同，是在泥浆液面下进行的。泥浆下浇筑混凝土的主要要求是：①不允许泥浆与混凝土掺混形成泥浆夹层；②确保混凝土与基础以及一、二期混凝土之间的结合；③连续浇筑，一气呵成。
泥浆下浇筑混凝土常用直升导管法。导管由若干节直径20~25cm的钢管连接而成，沿槽孔轴线布置，相邻导管的间距不宜大于3.5m，一期槽孔两端的导管距端面1.0~1.5m，二期槽孔的导管距已浇混凝土墙端面以0.5~1.0m为宜，开浇时导管口距孔底10~25cm。当孔底高差大于25cm时，导管中心应布置在该导管控制范围的最低处。这样布置导管，有利于全槽混凝土面均衡上升，有利于一、二期混凝土的结合，并可防止混凝土与泥浆掺混（图2-36）。
图2-36 导管布置图（单位：m）
1—导向槽；2—受料斗；3—导管；4—混凝土；5—泥浆液面；6—已浇槽孔；7—未挖槽孔
槽孔混凝土浇筑应严格遵循先深后浅的顺序，即从最深的导管开始，由深到浅，一个一个导管的混凝土将球塞压到导管底部，使管内泥浆挤出管外；然后泥浆导管稍微上提，使导管球塞浮出，一举将导管底端被泄出的砂浆和混凝土埋住，保证后续浇筑的混凝土不致与泥浆掺混。
在浇筑过程中，应保证连续供料，一气呵成；保持导管埋入混凝土的深度不小于1m，但不超过6m，以防泥浆掺混进混凝土和埋管；维持全槽混凝土面均衡上升，上升速度不应小于2m/h，高差控制在0.5m左右。
总之，槽孔混凝土的浇筑，必须保持均衡、连续、有节奏，直到全槽成墙为止。
五、墙段接头的施工工艺
目前我国水利水电混凝土防渗墙在接头施工中有以下5种方式。
1.套打一钻的接头方式
该方式是在一期墙段的两面端孔处套打一钻，与二期墙段混凝土呈半圆弧相接，主要用于冲击钻机的施工。
2.双反弧接头方式
该方式在两个已浇筑混凝土的槽段中间预留一个孔的位置，待两个墙段形成后，再用双反弧钻头钻凿中间的双反弧形的土体，然后浇混凝土将两个墙段连接。这种方法多在墙体混凝土强度等级较高时采用。
3.预埋接头管的接头方式
这种方式是在一期槽段的两端放置与墙厚尺寸相同的圆钢管，待混凝土凝固后，再将接头管拔出，即形成光滑的半圆形墙段接头。如铜街子水电站工程左深槽混凝土防渗墙的部分接头和葛洲坝大江围堰防渗墙的部分接头就是用此法连接的。
图2-37 地下连续墙塑料止水带接头施工法
4.预埋塑料止水带的接头方式
这种方式（图2-37）是一期槽孔两端放置一个与墙厚尺寸相同的接头板［图2-37（a）］，板上可以卧入塑料止水带［图2-37（b）］，待一期混凝土凝固后，露在槽孔内的塑料止水带就被浇筑在一期混凝土中［图2-37（c）］；而二期槽孔造成后，再将接头板拔除，则原卧入此接头板中的另外一半塑料止水带就又留在了二期槽中［图2-37（d）］，待二期槽孔混凝土浇筑完毕，这两期槽孔混凝土之间的接缝就被塑料止水带封堵［图2-37（e）］。
5.低强度等级混凝土包裹接头法
这种接头的施工程序是先用抓斗在设计的墙段接头部位沿垂直于墙轴线方向取一个单个槽孔，该槽的长度和宽度即是抓斗的长度和宽度，成槽后浇筑低强度等级的混凝土，此即为包裹接头槽段。然后在每两个包裹接头中间抓取一期槽孔，并浇筑一期槽孔混凝土，这时每个包裹接头槽段的混凝土均被抓去一部分。此后，再在每两个一期槽段之间抓取二期槽段，同时也将包裹接头的另一部分抓出，并用双轮铣槽机铣削一期槽孔混凝土接头端面，待二期槽孔混凝土浇筑完毕后，每个槽段接头就被原已浇筑好的包裹接头槽段包裹住，如图2-38所示。
此种接头的优点是不易漏水，即使有少量漏水，渗径也比较长。我国的小浪底防渗墙（左岸部分）就是采用此种接头。
从目前来看，预埋接头管的方法和预埋塑料止水带的方法一般只适用于30~50m深的槽孔；双反弧接头方式可适用于较深的槽孔，且十分经济；低强度等级混凝土包裹接头法只适用于用抓斗施工的工程；套打一钻的接头方式由于工效低，且浪费混凝土，已逐渐被淘汰。
图2-38 低强度等级混凝土包裹接头法施工工艺过程