孫 松 徐善安 孫遠見
(1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處,江蘇 洪澤 223100;2.徐州市水利工程建設監(jiān)理中心,江蘇 徐州 221000)
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,全長67.25 km,里程樁號0+000~67K+250(由北向南編號),堤頂高程19.0~19.5 m(廢黃河零點,下同)。大堤保護著下游里下河地區(qū)200 萬hm2耕地和2600 多萬人口的安全,保護區(qū)內(nèi)有淮安、鹽城、揚州、泰州等經(jīng)濟發(fā)展較快的城市和京滬高速公路、寧連高等級公路、新長鐵路等國家重要基礎設施。任何時候必須確保大堤安全,萬無一失。
圖1 高壓擺噴截滲墻布置圖(56K+500 處)
2000年以來,洪澤湖大堤背水坡腳發(fā)現(xiàn)多處集中滲流和大面積窨潮等險情。根據(jù)較全面的地質(zhì)勘探,發(fā)現(xiàn)上述險情主要是由于堤基內(nèi)部存在強滲水通道和部分堤身不密實所致。2012年9月,江蘇省發(fā)展改革委員會批準實施洪澤湖大堤除險加固工程省管段工程。堤基防滲處理工程是本次加固的主要工程之一,主要是根據(jù)地質(zhì)勘探資料中堤基滲流通道③2層土的分布,采用高壓擺噴施工技術,沿上游堤肩堤身軸線方向布置垂直截滲墻(如圖1),墻體高1~10 m(高程-3~7 m),長15.45 km。
2.1.1 施工工藝
噴漿工藝采用三重管法,施工工藝為:利用鉆機引孔至設計深度后,將噴具下至設計深度,控制噴嘴擺角,通過高壓水切割造槽,壓縮氣保護水流射程,經(jīng)過切割、攪拌、置換等工序,利用水泥漿液充填槽孔,形成水泥土固結體防滲墻。
2.1.2 墻體設計指標
截滲墻墻體厚度不小于10 cm;墻體嵌入③2層土的上層土100 cm,下層土50 cm,在施工過程中,依據(jù)地質(zhì)資料,實時調(diào)整;墻體滲透系數(shù)為A×10-6cm/s(1≤A≤9);28 d 抗壓強度不小于1.0 MPa。
根據(jù)規(guī)范要求,在高壓擺噴灌漿作業(yè)開始前,應選擇地質(zhì)條件具有代表性的地段進行現(xiàn)場灌漿試驗。經(jīng)討論研究,選擇大堤樁號40K+350~40K+450 和52K+034~52K+134 共計200 m 地段進行高壓噴射灌漿的現(xiàn)場工藝試驗,前段代表大堤的綜合情況,后段代表大堤歷史決口處。
根據(jù)工藝試驗結果,綜合經(jīng)濟技術指標,最終確定施工工藝參數(shù)采用:孔距1.4 m,水壓大于40 MPa,氣壓0.5~0.7 MPa,漿壓不小于1.0 MPa,提速15 cm/min,擺速15 次/min,水灰比1.0,噴射角40°(±20°)。
漿液采用P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥,制漿水使用洪澤湖水。經(jīng)取樣檢驗,原材料的各項指標均滿足相關要求。施工時按確定的水灰比用機械攪拌水泥漿液,水泥均勻放料,漿液使用前過篩。定期用比重稱檢測水泥漿液密度,及時調(diào)整漿液濃度,確保漿液質(zhì)量。
在高壓擺噴墻施工軸線上用鋼尺測放鉆孔位置,孔位放樣精度應滿足設計要求。繪制擺噴鉆孔平面布置圖,用竹簽等標定孔位。
高壓擺噴鉆孔由地質(zhì)鉆機進行,根據(jù)樁位平面布置圖進行鉆孔定位,鉆進過程中泥漿護壁,確??仔瓮瓿刹惶瑵M足擺噴施工需要。鉆孔前每間距30 m 設一個先導鉆孔,先導鉆孔采用全斷面取土樣,以進一步探明堤基③2層分布情況,再根據(jù)實測作業(yè)面高程,控制施工高壓擺噴墻頂、墻底高程。
高壓擺噴施工是由多臺機械設備聯(lián)合作業(yè),施工時各設備操作人員之間要統(tǒng)一口令,相互溝通,按確定的技術參數(shù)控制設備的運行參數(shù)。噴射管噴嘴下設至高壓擺噴防滲墻底位置試噴,調(diào)整高壓水、注漿壓力、空壓機供氣壓力、擺角、提升速度等達到試驗確定的參數(shù)要求,開始擺噴提升作業(yè),施工中控制施工水泥漿液比重、注漿壓力等偏差滿足規(guī)范要求。噴射管噴嘴提升超過設計防滲墻頂高程后,停止擺噴作業(yè),提出噴管,并對已完成的高壓擺噴樁上部及時回灌。擺噴作業(yè)完成后,利用后續(xù)孔冒漿連續(xù)回灌至已噴孔內(nèi)封孔,直到漿液面穩(wěn)定為止,封孔后再對漿液收縮留下的空孔部分利用施工冒漿進行二次復封。
高壓擺噴截滲墻墻體埋深較大,且墻體較薄,工程實體質(zhì)量檢測具有一定難度。故本工程采用多種檢測方法相結合,以確保檢測結果準確。
4.1.1 檢測內(nèi)容及方法
(1)墻體最小厚度及外觀質(zhì)量:探坑檢查。
(2)墻體深度:鉆探法。
(3)墻體水泥土力學性能及抗?jié)B指標:鉆芯法。
4.1.2 檢測結果
(1)墻體高度
采用地質(zhì)工程鉆機鉆取芯樣共計14 孔。從取芯結果來看,③2層透水層芯樣總體完整、均勻。墻體實測高度1.0~10.3 m,滿足設計要求。
(2)水泥土無側限抗壓強度
在墻體芯樣上取樣進行水泥土無側限抗壓強度指標檢測。每孔芯樣各取1 組,每組3 個,共42 個試樣,單個試件抗壓強度值為1.63~10.66 MPa,全部滿足水泥土28 d 抗壓強度≥1.0 MPa 的設計要求。
(3)滲透系數(shù)
每孔芯樣各取1 組進行水泥土滲透試驗,每組6 個,共84 個試樣。試件為圓臺體,上口直徑70 mm,下口直徑80 mm,高度30 mm。滲透系數(shù)檢測值為1.18×10-6~7.28×10-6cm/s,全部滿足設計要求。
(4)墻體厚度及外觀質(zhì)量
為了直觀檢查截滲墻墻體,高壓擺噴灌漿試驗段局部將墻體施工至地表,采用探坑法檢查墻體成型厚度及搭接質(zhì)量。共檢測7 個部位,探坑長度為3~4 m,墻體出露高度約2 m 左右。檢查結果表明:檢測部位墻身外觀質(zhì)量及搭接狀況良好。墻體厚度實測值10~50 cm,均滿足設計要求。
2013年1月23日,江蘇省水利科學研究院對洪澤湖大堤樁號40K+350~40K+380、40K +400~40K+450、52K+043~52K+083、52K+083~52K+106 段截滲墻進行了探地雷達檢測。
4.2.1 工作原理
探地雷達系統(tǒng)利用天線向被檢測物發(fā)射寬頻帶高頻電磁波,電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時會反射并返回,反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后,由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征,再通過信號技術處理形成全斷面的掃描圖。截滲墻存在缺陷時,缺陷處與截滲墻體之間存在一定的電性差異,研究接收到的電磁波雙程旅行時間、波形與波幅變化規(guī)律,就可以判斷是否存在空洞等缺陷,從而研判地下介質(zhì)的連續(xù)性等性質(zhì)。見圖2。
4.2.2 檢測設備
美國GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-20 系列探測設備,數(shù)據(jù)采用RANDAN6.6軟件進行后處理,最后形成雷達圖像用于辨別異常及解釋結果。
4.2.3 檢測結論
檢測結果表明:截滲墻墻體總體連續(xù)、完整,不存在空洞、錯斷現(xiàn)象。
以52K+043~52K+083 段檢測結果為例,截滲墻與上覆土層在雷達波形圖上有較為明顯的分界線,表現(xiàn)為截滲墻反射信號較強且較連續(xù),而上覆土層由于經(jīng)過擺噴機械施工擾動,反射信號相位傾斜度較大且反射相對較弱。圖下方的方框標注區(qū)域即為截滲墻體部分,可看出雷達波形總體變化不大,無拋物線狀圓弧雷達波形等明顯特征,同相軸基本連續(xù),表明截滲墻墻體總體連續(xù)、完整,不存在空洞、錯斷現(xiàn)象。見圖3。
圖2 探地雷達工作原理圖
圖3 52K+043~52K+083 區(qū)域探地雷達剖面圖
2013年5月28~29日,江蘇省工程勘測研究院有限責任公司對洪澤湖 大 堤 樁 號40K+363~40K+463 和52K+368~52K+024 段截滲墻進行了物探檢測。
4.3.1 檢測方案
根據(jù)工程的實際情況和測試要求,在截滲墻墻體軸線部位采用高密度地震映像法測定墻體的連續(xù)性,采用多道瞬態(tài)面波測定墻體的頂、底埋深。另外,在墻體軸線外側3 m 處抽測部分土體,繪制高密度地震映像解譯剖面圖,以與截滲墻墻體部位的波形進行對比。
4.3.2 檢測設備
北京市水電物探研究所研制的SWS-5 型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測儀。
4.3.3 檢測結論
檢測結果表明:截滲墻墻體連續(xù)性較好,墻體頂、底高程與原始施工記錄基本吻合。
以大堤樁號40K+363~40K+463段為例,檢測情況如下:
(1)地震映像
比較軸線處與軸線外的地震映像圖,大致有如下特征:①軸線處高密度地震映像分布比軸線外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;②通過軸線東側3 m 處的高密度地震映像圖和軸線處的影像對比,以40K+413 處為界,往斷面號變小方向面波相位增多,這是由于面波在傳播過程中遇有較高密度介質(zhì)產(chǎn)生轉換波且在該介質(zhì)中面波的高階振型發(fā)育,反映了土體強度較軸線外高;往斷面號變大方向面波相位雖多,但比較雜亂,該處曾進行過充填灌漿加固,詳見圖4;③軸線處40K+376~40K+388 部位地震映像圖中上部80 ms 處面波振幅減小,40K+392~40K+397 部位地震映像圖在200 ms 處面波振幅減小,說明上述兩段墻體中存在低速體分布,可能是由于原有土層內(nèi)碎石分布較多所致。
(2)面波及頻散曲線
本段在40K+439.2 附近采用多道瞬態(tài)面波測定墻體的頂、底埋深。頻散曲線詳見圖5。
根據(jù)圖5,在40K+439.2 處高壓擺噴截滲墻墻頂埋深13.5 m,墻底埋深24.0 m,該段地面高程18.6 m,對應的墻頂、底高程為5.1 m、-5.4 m;根據(jù)施工原始記錄,該段墻頂、底高程分別為5.4 m、-4.2 m,檢測成果與施工單位提供的資料基本吻合。
為了驗證截滲墻的實際效果,在54K+300 斷面設置2 根測壓管測量截滲墻前后③2透水層的水頭變化,其中,1 號測壓管位于截滲墻上游側,2 號測壓管位于截滲墻下游側,具體布置如圖1 所示。部分觀測數(shù)據(jù)如表1 所示。
圖4 40K+363~40K+464 段截滲墻高密度地震映像解譯剖面圖
圖5 40K+439.2 處頻散曲線圖
從觀測數(shù)據(jù)可見,截滲墻前后③2層的水頭有明顯的下降,平均降幅在0.3 m。觀測數(shù)據(jù)表明:截滲墻對③2透水層起到了較為明顯的截滲作用。
通過在施工過程中嚴格控制高壓擺噴各項工藝參數(shù),加強過程控制,使得目前對工程采取的各種檢測結果表明:洪澤湖大堤堤基防滲處理采用的高壓擺噴截滲墻墻體高度、厚度、連續(xù)性、滲透系數(shù)及抗壓強度等各項指標均滿足設計要求,且截滲墻對③2透水層起到了較為明顯的截滲作用,達到了預期效果。高壓擺噴截滲技術在洪澤湖大堤中的大范圍應用,可對其他堤防工程堤基防滲處理起到一定的借鑒作用。
表2 54K+300 斷面1、2 號測壓管部分觀測數(shù)據(jù)