薛　峰　張　亞　王莉莉（徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院　徐州　221000）

高噴法在處理水庫壩體及涵閘地基中的應(yīng)用

薛峰張亞王莉莉
（徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院徐州221000）

高壓旋噴樁技術(shù)對土層適應(yīng)性較強(qiáng)，施工簡單，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合地基處理工程，本文結(jié)合某水庫失事涵洞地基加固方案，分析高壓旋噴樁及高噴連續(xù)墻在加固水庫壩體與涵閘地基上的應(yīng)用，并探討設(shè)計(jì)中的相關(guān)技術(shù)問題。

高壓旋噴樁高噴截滲墻復(fù)合地基旋噴樁技術(shù)

1　前言

近年來，多頭小直徑水泥土攪拌樁連續(xù)墻由于抗?jié)B效果好、工程造價(jià)低，在堤壩截滲中得到廣泛應(yīng)用，但限于設(shè)備和工法的原因在與堤壩涵閘結(jié)合部位是薄弱環(huán)節(jié)，而這個(gè)部位恰恰是堤壩防滲最重要的部位，既要滿足地基水平防滲要求，又要滿足側(cè)向繞滲要求。對于一般低級別的堤壩往往采取密集注漿的方法處理，而對于高等級的堤壩多采用高噴方法連接。本文通過某失事加固工程實(shí)例討論高噴連續(xù)墻和高壓旋噴樁復(fù)合地基聯(lián)合處理水庫壩體涵閘地基設(shè)計(jì)問題。

2　出險(xiǎn)工程案例分析

2.1工程簡介

蘇北某水庫位于廢黃河南堤下，是一座以灌溉、養(yǎng)殖為主的平原水庫，庫容340萬m3。水庫大壩為粉砂及少黏性土壩，壩長2700m，壩頂高程36.5～37.2m，壩頂寬6.0～8.2m，最大壩高6.7m；迎水坡、背水坡均為1∶3。水庫大壩2009年進(jìn)行除險(xiǎn)加固，設(shè)計(jì)加固方案為多頭小直徑水泥土攪拌樁連續(xù)墻，兩側(cè)近涵洞5.0m處因多頭小直徑水泥土攪拌樁無法施工，故采用注漿銜接。實(shí)際施工時(shí)涵洞東側(cè)20余米及西側(cè)30余米左右因土體內(nèi)有塊石水泥土攪拌樁打不下去，截滲墻無法施工到原設(shè)計(jì)位置，改用充填注漿銜接，注漿孔間距2.0m，梅花型布置，漿液為普通水泥漿。對于放水涵洞防滲長度不足的問題僅在下游增設(shè)水平鋪蓋，沒做垂直截滲處理。2011年10月30日放水涵洞突然坍塌導(dǎo)致大壩潰決，下游3座橋梁被沖垮，引水渡槽沖斷。

2.2工程地質(zhì)

根據(jù)勘探資料揭露，場地內(nèi)第A層素填土為大壩人工堆填土；第①層粉砂、①-1層淤泥質(zhì)壤土、②層黏土為第四系全新統(tǒng)地層，沉積時(shí)間短，土質(zhì)相對較松軟，工程地質(zhì)條件相對較差，其中①層粉砂防滲抗沖能力差，且為地震液化土層；第③層含砂姜黏土為上更新統(tǒng)地層，土質(zhì)相對較硬，工程地質(zhì)條件較好。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)表

2.3潰壩原因分析

工程破壞現(xiàn)場顯示，潰決口寬約95m，最深沖坑底高程27.00m，壩體斷面可見水泥土攪拌樁截滲墻，上部第①層粉砂土全部被沖毀破壞。場地內(nèi)①層粉砂為大壩和涵洞地基，該類土為近代黃泛沖洪積物，沉積時(shí)間短，結(jié)構(gòu)松散，防滲抗沖能力很差，極易發(fā)生滲透變形破壞，破壞形式為管涌。水庫安全鑒定結(jié)論為大壩防滲和放水涵洞防滲長度均不夠，大壩采用水泥土攪拌樁截滲墻截滲，涵洞地基僅在下游增加水平護(hù)坦無垂直截滲措施，兩側(cè)近50多米范圍內(nèi)無水泥土攪拌樁截滲墻，灌漿后也沒進(jìn)行質(zhì)量檢測，是其防滲薄弱部位。綜上，潰壩原因分析為側(cè)向繞滲破壞和地基滲透破壞同時(shí)發(fā)生，管涌造成涵洞兩側(cè)填土及地基土流失，導(dǎo)致涵洞洞身塌陷、斷裂，在水壓力作用下涵洞垮塌繼而引起潰壩。

3加固方案必選

涵洞設(shè)計(jì)流量7.8m3/s，單孔1.3m×1.5m鋼筋混凝土箱式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)底板底高程29.00m，基礎(chǔ)位于①層粉砂上，該層防滲抗能力差且為地震可能液化土層。另外，根據(jù)調(diào)查，①層土體內(nèi)有老涵洞殘留部分，此次搶險(xiǎn)也有大量碎石等建筑物垃圾拋入該層，導(dǎo)致土體極不均勻，土體中的雜物存在影響地基處理沉樁的可能性。因此，涵洞地基設(shè)計(jì)同時(shí)需要解決承載力、防滲以及地震液化3個(gè)問題，特別要考慮新建涵洞洞身與原水庫大壩壩體內(nèi)截滲墻銜接問題。

根據(jù)地質(zhì)條件和水庫運(yùn)行工況，涵洞無移位再建的條件，即使移位新建現(xiàn)除險(xiǎn)地段仍然要進(jìn)行地基處理。針對地基條件和場地情況，設(shè)計(jì)單位提出3種地基處理必選方案。各方案優(yōu)缺點(diǎn)及在本場地的適宜性對比見表2。設(shè)計(jì)單位推薦和實(shí)施的均為第一方案，即高壓旋噴樁方案。

表2　工程加固方案對比表

4　高壓旋噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

4.1樁長估算

涵洞設(shè)計(jì)底板底高程29.00m，旋噴樁樁端設(shè)置0.3m厚褥墊層，現(xiàn)狀沖溝底高程27.00m，設(shè)計(jì)要求施工時(shí)回填黏土至28.70m。從場地內(nèi)地基土結(jié)構(gòu)來看，第②層黏土隔水性好，可作為截滲墻的依托層，設(shè)計(jì)樁長進(jìn)入第②層黏土1.0m（即樁端高程21.70m），形成圍封，就可以解決防滲及地震液化問題，估算樁長為7.0m。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，該樁長單樁承載力也可以滿足要求。典型剖面見圖1。

4.2樁徑確定

高壓旋噴樁的直徑與地層、選定的注漿管類型、噴射壓力、提升速度、旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。目前，旋噴樁樁徑估算多采用查表法。旋噴樁的設(shè)計(jì)直徑見表3。設(shè)計(jì)采用三管法施工，旋噴樁設(shè)計(jì)直徑取1.5m，孔距1.2m，搭接長度≥20cm。

圖1　涵洞設(shè)計(jì)典型剖面圖

表3　旋噴樁設(shè)計(jì)直徑表 （單位：m）

4.3承載力估算

4.3.1布樁

重建涵洞基礎(chǔ)設(shè)計(jì)寬2.1m，涵洞基礎(chǔ)外側(cè)各留0.75m，加固塊體寬3.6m，旋噴樁采用三管法施工，設(shè)計(jì)樁徑1.5m，孔距1.2m，采用三排布樁，整體加固，全部置換。

4.3.2單樁承載力估算

增強(qiáng)體單樁豎向承載力特征值可通過現(xiàn)場單樁載荷試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)，可按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）式7.1.5-3估算：

經(jīng)估算，單樁豎向承載力特征值為860.8kPa。

4.3.3復(fù)合地基承載力估算

復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)，可按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》

經(jīng)估算，復(fù)合地基承載力特征值為389.9kPa，大于設(shè)計(jì)要求。

4.3.4復(fù)合地基褥墊層

根據(jù)水工建筑物防滲要求，復(fù)合地基褥墊層應(yīng)采用防滲材料，一般采用水泥土墊層，厚度0.3m，摻量20%，其滲透系數(shù)（k）＜a×10-6cm/s（1＜a＜10）。

5　大壩擺噴截滲墻設(shè)計(jì)

大壩截滲采用高噴截滲墻與原水泥土攪拌樁截滲墻連接，高噴截滲墻與原大壩截滲墻接頭見圖2，主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

圖2　擺噴截滲墻與原大壩截滲墻接頭示意圖

（1）考慮壩體與地基均為粉砂、粉土故采用小角度擺噴，擺角10°，噴射方向與設(shè)計(jì)截滲墻軸線夾角15°，擺噴有效長度取旋噴樁直徑的1.5倍，旋噴樁直徑1.5m，孔距1.2m，搭接長度≥30cm。

（2）高噴強(qiáng)體的滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度與多種因素有關(guān)，根據(jù)《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5200-2004），墻體性能指標(biāo)為滲透系數(shù)小于9×10-6cm/s，抗壓強(qiáng)度R28大于1.5MPa，滲透破壞比降不小于500，允許比降不小于80；高噴墻體為封閉式，截滲墻底進(jìn)入第②層黏土1.0m，樁頂取35.5m，樁端取21.7m，大壩截滲墻設(shè)計(jì)樁長13.8m，涵洞處大壩截滲墻設(shè)計(jì)樁長4.1m。

式中：S—有效墻厚，m；ΔH—墻體兩側(cè)水頭差，取6.0m；［J］—允許比降，取80；ηj—系數(shù)，可取1.1～1.4，該工程取1.4。經(jīng)計(jì)算需要高噴墻有效厚度為10.5cm，考慮到施工可能帶來的垂直度偏差、施工機(jī)械要求、砂層厚度等因素，設(shè)計(jì)高噴墻厚15cm。

6　質(zhì)量檢測

高壓旋噴樁復(fù)合地基及高壓旋噴樁連續(xù)墻完成后按規(guī)范要求進(jìn)行強(qiáng)度、靜載、防滲性、樁長及連續(xù)性檢測。

（1）強(qiáng)度檢測：成樁28d后進(jìn)行，檢驗(yàn)數(shù)量不少于總樁數(shù)的1%，采用鉆孔采芯法檢測，測得抗壓強(qiáng)度為1.71～3.25MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）靜載試驗(yàn)：旋噴樁復(fù)合地基承載力檢驗(yàn)應(yīng)采用復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和單樁靜載荷試驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)量不少于總樁數(shù)的1%，且每個(gè)單體工程復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)的數(shù)量不得少于3臺。經(jīng)檢驗(yàn)，復(fù)合承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）防滲性檢測：防滲性檢測采用鉆孔注水法檢測，測得滲透系數(shù)7.169×10-7～1.01×10-6cm/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）樁長及連續(xù)性檢測：高噴樁樁長及墻體連續(xù)性檢測采用地質(zhì)雷達(dá)檢測，探測結(jié)果顯示，波形同相軸基本連續(xù)，未見明顯缺陷特征，墻體總體連續(xù)完整；根據(jù)雷達(dá)波確定的樁頂及底面位置，高噴樁樁長均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7　結(jié)語

通過旋噴樁技術(shù)在水庫壩體截滲與涵閘地基加固上的應(yīng)用，可以看出旋噴樁技術(shù)相比水泥土攪拌樁對土層的適應(yīng)性更強(qiáng)，工程實(shí)例表明該技術(shù)在土層中含有大量碎石等建筑垃圾的回填土同樣適用。在具體的工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)及場地條件選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，施工完成后，做好質(zhì)量檢測工作，以保證工程質(zhì)量■

（專欄編輯：顧梅）