多头小直径深层搅拌技术在老圈行水库大坝防渗工程中的应用

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摘要:多头小直径深层搅拌技术应用在水库大坝防渗处理上效果非常好。文章结合老圈行水库防渗处理的工程实践,介绍了这一技术在水库大坝防渗处理工程实践中的应用实例。

关键词:多头小直径;深层搅拌技术;大坝防渗;过程控制

中图分类号:TV543文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)22-0184-03

1多头小直径深层搅拌截渗墙技术工艺原理

深层搅拌工法主要用于对软弱地基的改良处理,以提高地基的承载力。近年来,又将该法改进推广应用于一般性的防渗工程,或用于城市钢筋混凝土防洪墙的基础及堤坝(水库大坝)防渗中。该工法适用的土层是黏土、粉质黏土、密度中等以下的砂层,不适用于大砂砾石层,施工不受地下水位的影响。

多头(一般为三钻头)小直径深层搅拌截渗墙技术,是在单头和双头小直径深层搅拌技术基础上发展起来的一项堤坝防渗技术。该工法原理是用双动力多头深层搅拌桩机,通过主机的双驱力装置,带动主机上的多个并列的钻杆转动,并以一定的推动力使钻杆的钻头向土层推进到设计深度,然后提升搅拌至孔口,在上述下钻提升过程中,使用高压泥浆泵将水泥浆由高压输浆管输进钻杆,(在钻进和提升的过程中)由钻头经钻头叶片上埋设的孔洞喷入土体中,水泥浆和原土充分拌和,形成一道或多道有一定强度,均匀、密实、坚硬的水泥土连续墙体,改良其影响范围内的原有坝体土体结构密实性、强度和抗渗性,从而起到堤坝防渗作用。

桩机就位调平,钻进、提升(喷浆搅拌),完成一序墙桩;桩机再前移,就位调平,钻进、提升(喷浆搅拌),多次重复上述过程形成一道均匀、连续的防渗墙。

墙体连接方式,根据要求的墙厚,选定不同的钻头和搭接方式,进一步确定桩(序)间搭接长度。

2工程技术应用实例

2.1老圈行水库工程概述

2.1.1工程概况老圈行水库位于安徽省六安市霍邱县宋店以东2.6N处,曹墩集以南3N,距霍邱县城15N,是淠史杭灌区沣东干渠上,由沣东干渠右堤和三面筑坝构成的的一座中型水库。它引蓄上游冬春季发电尾水和蓄纳汛期洪水,是一座重要反调节水库。水库防洪保护下游面积约35N2,原设计灌溉14.3万亩,有效灌溉耕地5.5万亩,有效灌溉耕地5.5万亩,影响人口2.0万人。水库防洪标准原设计50年一遇,校核1000年一遇,相应设计洪水位48.80m,水库总库容1400万m3。

水库大坝为均质粘土坝,大坝长度为4517m,原设计坝顶高程51.0 m(85国家高程系,下同),现状坝顶高程为49.5～51.00m左右,最大坝高16.80 m,坝顶宽度为3.0～6.0 m,其中1917m已做混凝土路面;上游迎水坡比1∶2.5～1∶3.0,大坝迎水面已有混凝土护坡长1622.0 m;下游背水坡坡比自上而下依次为1∶2.5、1∶3.0、1∶3.0。

2.1.2大坝工程地质条件通过勘察已查明,大坝及现有建筑物处在钻孔控制深度内,土层自上而下分别为①素填土层(Q4m)(坝体)～②粉质粘土层(Q4al)(坝基):

第①素填土层(Q4m)(坝体):为人工筑坝时堆积而成,主要成分为粉质粘土。第①-1层底坝体坝基结合处约有0.2～0.4m厚的根植土,局部松软。

第②粉质粘土层(Q4al)(坝基):颜色为黄褐色、灰黄色为主,稠度呈可硬塑状,湿度为稍湿～湿。该土在厂区普遍存在,厚度较大。

2.1.3截渗工程设计及施工参数

2.2技术要点及工程应用

多头小直径深层搅拌截渗墙技术(下文简称多头小直径截渗墙),在老圈行水库中的具体应用如下述:

2.2.1施工机械选定根据设计要求和施工单位的施工经验,该截渗墙工程施工采用的设备为SJ4-500Ⅲ型多头小直径深层搅拌三头桩机。钻杆最大长度22m,钻杆间距325 mm,三层叶轮,每层2个叶片,叶轮直径407mm,相邻两轴叶片上下错位,确保相邻两轴叶片不相碰撞。

2.2.2先导孔由于加固处理的堤坝多为人工挑堆而成,施工质量很差,地层土质不一,这样要求沿堤用钻探机械按每50m打一先导孔,地质变化大的地方还需要加密,探明土层性质,为施工时控制每序桩深度提供依据。本工程先导孔是以六安市水利水电勘y队提供的“大坝轴线工程地质纵剖视图”为依据,其钻孔孔距30～100m,基本满足要求。

2.2.3试验桩根据先导孔探明的地层情况,选择有代表性的地段(如最大坝高处),现场做浆液为不同水泥掺量(重量比=水泥∶自然湿土重,分别为10%,12%,15%)的试验桩,28天龄期后取样试压及做抗渗实验,并挖桩进行外观检查,选择满足设计指标的各地层段浆量,从而确定施工参数即:各土层段浆量、管道压力、浆液比重、桩机下沉和提升速度、钻头直径尺寸等,编制施工作业指导书。本工程试验桩现场挖取试样,送省水科院检测,取得相关试验参数,最后由业主现场技术负责人会同总监根据试验桩的试验成果,共同确定浆液水泥掺量取15%。

2.2.4具体施工顺序

(1)第一搅拌站按设计的水灰比配制并拌和水泥浆, 并记录每桶制浆搅拌时间。

(2)用泥浆泵把配制好的水泥浆输送到第二搅拌站连续搅拌并记录水泥浆比重。

(3)桩机在一个设计控制桩位就位(起点)调平。

(4)开机,桩机钻头搅拌下沉,同时开启浆泵连续送浆,钻至设计深度,记录输浆量与设计量对比。

(5)搅拌提升,根据对比结果通过调整柴油机转速,调整送浆量,连续喷浆至施工面并记录输浆量,关闭浆泵完成第一序桩施工。

(6)桩机向前移动975mm(一序桩水平长度,通过机架上的固定标记和标尺配合控制),使本单元墙的第一根桩和上单元墙的最后一根桩搭接82mm,并调平。重复⑴～⑸步骤,完成第二序桩施工。

(7)重复(6),并连续作业直到另一控制桩(先导孔),完成一个单元工程的施工;重复上述(1)～(7)步骤即可完成整个施工段的施工。

2.2.5桩间接头处理对于要求搭接的桩孔,桩与桩的搭接间歇时间不应大于24小时,如因特殊原因超过上述时间,应对最后一根桩搭接处进行空钻留出榫头以待下一批桩搭接;如间歇时间过长(如停电等)与后续桩无法搭接,应在设计和监理单位认可后,采取局部补桩或注浆措施,按设计要求和项目监理批准的方案,进行后续截渗墙与已有截渗墙段间的接头处理。根据设计要求和施工规范及有关要求,采取错位与原桩墙绑桩搭接,然后重新回到原截渗墙轴线上的方法进行处理。原桩位为由于某些原因停工前的截渗墙,绑桩位为复工后的截渗墙桩。绑桩位紧靠在原桩位前面,朝向水库迎水面。

3施工质量控制

3.1施工准备-事前控制

(1)设备进场后应向现场监理进行设备报验,如果是旧设备应提供该设备的使用和检修记录,以及具有设备鉴定资格的机构出具的检修合格证。另外相关控制记录仪表应齐全并完好。

(2)材料进场后应向现场监理进行设备报验,主要材料水泥必须合格且符合设计要求。进场的水泥按每批次200t,在现场监理人员监督下,按照抽样的有关规定进行现场抽样,有监理陪同下送有资质的质量检测单位检测,质量合格方能使用。

(3)施工单位进场的人员应向现场监理报验,搅拌桩机的操作工应持证上岗。

(4)工程项目划分:将相邻两先导孔间一段截渗墙(长度30～100m)作为1个单元工程,若干个连续单元工程组成1个分部工程。本工程实施长度1247m划分为5个分部工程,29个单元工程。

(5)桩号4+517～2+600段原来有4米宽的水泥路面,施工单位截渗墙线放好并测量原地面高程后,报监理复核再进行破除,导向槽底部清理至49.5高程。

(6)施工正式开始前,技术人员安装好各种监控电子仪表,邀请现场监理人员参加,进行反复调试,确保准确无误,并对操作人员进行现场技术交底。

3.2过程控制-事中控制

(1)原材料质量控制。多头小直径截渗墙施工所用材料主要是水泥。水泥必须送有资质的质量检测机构,通过试验检验其合格,方可使用。本工程的质量检测机构是六安市水利水电工程质量检测站,水泥为“夕阳红”牌32.5级复合硅酸盐水泥。

(2)浆液比重控制。根据确定的水泥掺量和相关参数(本工程采用15%水泥掺量,水灰比为1.5∶1),经计算(详见附表)水泥浆液比重为1.371kg/L。施工中随时用比重计检测,确保水泥浆液比重≥1.371kg/L。施工时在搅拌筒每筒用比重计实测浆液比重,符合要求的浆液才能送到桩机储料筒里,否则就重搅或废弃。

(3)轴线控制。施工前测量放好轴线样并开挖导向槽(宽深均0.6m),桩机打桩时在平行与轴线的桩机外缘拉一根直线,使桩机始终按预定的轴线行驶,允许偏差小于5cm。

(4)钻头直径控制。按设计要求最小成墙厚度加上施工操作偏差确定钻头直径尺寸,施工过程由于土层是粘土,虽对钻头叶片磨损不大,但打桩时每天要检查叶片尺寸,尺寸小了要加焊叶片或更换钻头。钻头直径控制在不小于407mm。且钻头直径的磨损量不得大于1cm。

(5)垂直度控制。设计的多头小直径深层搅拌桩防渗墙是垂直连续的墙,但施工过程中由于桩机本身或操作人员的水平等原因都有可能产生斜度,为了控制钻孔分叉或交叉,就要经常检校桩机垂度,每星期检查一次桩机桅杆垂直度,每次钻机下钻都要调平,并在以后的成墙开挖检查时实测垂度是否在允许范围内,如果偏大,分析其产生原因,从而指导以后施工。桩机水平机座设有三个基准点(三角行布置,且这三点组成的面与钻杆垂直),再在其上方与操作员视线等高的机架上做好等高标记,并布设三道互通的装有油料的塑料管道,用来调整垂直度。调平后,施工必须保证导向架垂直度偏差小于0.3%。

(6)每桩深及总浆量控制。配备喷浆记录仪,自动记录打印,减少人为影响。灌浆流量大小通过调整柴油机转速(约1000转/min)来控制。本工程配备自动喷浆记录仪,电脑显示屏显示钻机钻进深度和各头灌浆流量大小,以便操作人员控制桩深和每米灌浆流量,确保每序桩深和总灌浆量满足设计要求。每序完成后,自动打印出本序桩起始时间、完成总用时、总灌浆量和分段灌浆量等现场技术参数的数据记录,以作资料备查。

3.3质量检验-事后控制

搅拌桩体的施工作业过程质量检验包括桩位、桩顶、桩底高程、桩身垂直度、桩身水泥渗入比、搅拌头上提喷浆的速度、浆液水灰比等每桩施工作业全过程的检验。

搅拌桩防渗墙体的质量检验方法主要采用钻孔取芯检查,开挖检查和围井检查。

钻孔取芯检查在施工28天后,采用钻机抽芯取样检验水泥土的单轴抗压强度,渗透系数及抽芯样的完整性评价。堤线每100m抽检一孔,并回填水泥砂浆封孔。

开挖检查与围并试验:沿堤线每隔1N开挖一处,每处长10m,深2～3m。

合格标准:墙体的外观质量好,无蜂窝、孔洞;防渗墙与桩间搭接、墙厚满足设计要求;防渗墙整体性强。若开挖检查发现水泥土强度不足,应将软弱部分挖深,回填混凝土或砂浆。在各开挖部位作围井注水试验,围井深按监理人员指示,检测渗透系数。合格标准:渗透系数k小于1×10-6M/s,抗压强度大于1MPa。

4工程效果

老圈行水库在防渗处理前勘察发现,有明显渗漏形成的小片沼泽地(坑)20余处,据该管理单位介绍,除此之外,还有散浸30余处。通过水泥土截渗墙防渗处理,在今年的水库蓄水灌溉蓄至47.8的历史高水位时检查,渗漏现象已不存在,不明显的散浸也只有2处,可见防渗效果非常好。

作者简介:赵发应(1962-),男,安徽霍邱人,安徽省霍邱县水务局沣东分局工程师,研究方向:水利工程建设管理。