水泥土薄墙截渗技术的研究及实践

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新中国成立以来,党和政府依靠人民群众大力开展除害兴利,兴修水利,投入了大量的人力、物力,但由于受历史条件和生产力水平的限制,大部分堤防大坝都存在着先天不足,堤防运行过程中暴露出质量差,后期老化等问题。填土疏松、抗渗透能力低,地基较普遍的未进行处理,在河道中下流冲积平原地区的不同深度都存有较强的透水层,易产生管涌、冒沙等渗透破坏;一些老的堤坝存有生物洞穴、腐朽树根和渗流浸蚀等隐患,严重危及堤防大坝的安全运行,因此,防渗加固任务十分紧迫。水泥土薄墙截渗技术是地下连续墙技术发展的产物。该技术设备的研制、工艺方法的研究应用,在中国是首次,填补了中国在该项技术的空白,发展了深层搅拌水泥土桩墙技术,在岩土工程领域是一个创举。水泥土薄墙截渗技术在长江堤防隐蔽工程中应用最广,是长江水利委员会在堤基防渗中采用最多的一项技术;该技术自1998年通过水利部鉴定,而后投入应用以来,已在长江、黄河、海河、淮河、松花江、辽河等流域,以及新疆、海南等地进行施工,取得了很好的效果。同时,各大流域和已建的江河湖海的堤防还有许多需要进行防渗加固处理。因此,该技术在堤坝防渗方面具有很大的发展前景。水泥土搅拌桩截渗墙是以水泥作固化剂,通过桩机在地基深处就地将土体和固化剂强制拌和,利用固化剂使土体和水之间所产生的一系列物理化学反应:①水泥的水解和水化反应;②离子交换与团粒化反应;③硬凝反应;④碳酸化反应。水化反应减少了软土中的含水量,增加颗粒之间的粘接力;离子交换与团粒化作用可以形成坚固的联合体;硬凝反应又能增加水泥土的强度和足够的水稳定性;碳酸化反应还能进一步提高水泥土的强度。使土体固结成具有良好整体性、水稳定性、不透水性,并具有一定强度的水泥土防渗墙。同时,水泥浆在一定压力作用下,沿土层内的孔隙或孔洞流动,固结后充填防渗墙周围的孔隙或孔洞,隔断土层中的渗漏通道,增加了土层的抗渗性能,从而达到堤坝防渗及加固之目的。水泥土薄墙截渗技术与同类技术相比较,具有如下的优点:①成墙效果好,墙体厚度均匀连续、渗透系数满足堤坝防渗要求;②施工不需要开槽,可避免由于开槽出现的塌孔,土层中孔洞无法泥浆护壁、埋土回填、槽内填土无法夯实等问题,同时在施工中不破坏堤坝;③适用土层较广,粘土、砂土、粉质粘土、粒级较小的砂砾层、淤泥、甚至土体架空或洞穴也可施工;④施工工效高,在汛期也能进行施工;⑤水泥土截渗墙耐久性好、强度高,可避免动物钻洞对墙体的危害;⑥成墙造价低,其造价是高喷防渗墙的1/5,混凝土防渗墙的1/3,而与垂直铺塑造价相当;⑦工程材料采用水泥和水,取材方便,并充分利用原土,节省材料,对水泥无特殊要求。对水泥土搅拌桩截渗墙技术进行实践与运用,及对其进行对比试验研究,从墙体尺寸、施工工艺、施工参数等方面进行计算分析和室内试验得到:①对墙体进行渗流计算和渗透稳定分析,以确定水泥土截渗墙的厚度,并用允许水力梯度法来核算截渗墙的厚度。在具体施工过程中影响截渗墙厚度的主要因素有钻杆垂直度、轴向偏移和钻头直径等三方面。②多头小直径深层搅拌桩截渗技术适用的地层为粘土、砂土、粉质粘土、含砾直径小于50mm的砂砾层、淤泥,包括有土体架空或洞穴也可施工。搅拌桩桩长取决于相对不透水层的埋深深度,截渗墙墙底与相对不透水层接触,一般进入相对不透水层1.0~1.5m,但不能穿透相对不透水层。③在粘土地层中施工,经现场开挖检查,水泥土桩墙内常有夹泥现象,说明水泥土桩墙在粘土地层中搅拌不均匀。由于粘土本身具有较高的抗渗透性,经室内试验检验,渗透系数一般都能满足技术要求,但抗压强度相对偏低。通过对水泥土桩墙采用多组水灰比进行对比试验,并取样送实验室进行室内试验可得到:水泥土桩墙在粘土地层中施工,当采用1.5∶1~2.0∶1的水灰比时,墙体搅拌较均匀,墙体完整,轮廓清晰,几乎没有夹泥现象。调整为“四喷四搅”的施工工艺进行施工,同时采用多组水灰比进行对比试验得到:各项技术指标均得到改善,满足技术要求,水泥土桩墙外观比采用“二喷二搅”施工工艺试验的外观更加均匀,墙体更完整,轮廓清晰。但综合考虑施工成本、环境污染等问题,采用“四喷四搅”的施工工艺进行施工时,取2.0∶1~3.0∶1的水灰比进行施工比较合理。④由于现场施工设备调整或设备维修等原因造成桩间搭接时间超过24小时,根据水泥土搅拌桩墙的技术要求,需对接头部位进行处理,即在水泥土截渗墙迎水侧贴打一个单元墙,使两个单元桩墙之间相外切。通过在接头两贴打的单元墙相切部位进行钻孔压水试验,得到截渗墙接头部位进行贴打处理后就能满足渗透系数的要求。⑤水泥掺入比在水泥土截渗桩墙施工中是一项重要的技术参数,它既影响水泥土桩墙的施工质量,也控制着施工成本。水泥掺入比偏低或不均匀,将造成水泥土桩墙内水泥含量偏少或水泥搅拌不均匀,无法保证施工质量;若水泥掺入比过高,各项技术参数指标并没有得到明显的改善,但大大地增加了施工成本并对施工环境造成污染。采用水泥掺入比为12%~15%进行施工时,即保障了施工质量,又使得施?
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