浅谈福建省沿海地区水闸基础防渗

浅谈福建省沿海地区水闸基础防渗

1枢纽工程概况泉州金鸡防洪港是晋江下游的一项重要节水工程，集灌溉和供水于一体。这是泉州人民的“生命之门”。重建拦河闸闸址位于现有闸址下游550m处,共设15孔单孔净宽为16m的闸室,工程等别为Ⅰ等工程,主要建筑物级别为1级,洪水标准为100年一遇洪水设计,300年一遇洪水校核。拦河闸上游正常蓄水位7.5m,下游最低潮位-1.0m,最大水头差8.5m。2含砾细砂结构本场地处在晋江中下游冲洪积地貌单元上,钻孔揭示的闸址地层分布:闸址地基中上部土层主要为第四系冲洪积和海相沉积的松散堆积物;中下部为残积砂质粘性土;下部为基岩,岩性为燕山晚期黑云母花岗岩(γ53b)。闸址河床处土层自上而下一般分布有(典型断面见图一):中细砂:松散,标贯击数N=3击,渗透系数K=1.0×10-2,允许水力比降J=0.1;粗砂:松散～稍密,N=9击,K=3.27×10-2,J=0.15;含砾细砂:中密,N=16击,K=3.2×10-2,J=0.12;淤泥混砂:饱和,流塑,K=1.0×10-5;含砾粗砂:中密～密实,N=23击,K=3.50×10-1,J=0.17;砂卵石:中密～密实,重型动探击数N63.5=23.1击,K=1.50×10-1。可以看出,这些地基土层的共同点是它们均属于强透水层,闸基的主要工程问题是渗漏问题。室内颗分曲线成果表明,主要砂土层的不均匀系数平均值Cu分别为粗砂5.6,细中砂13.3,含砾细砂36.7,含砾粗砂12.8,利用颗分曲线上求得各砂土层的细颗粒含量Pc值,闸址各砂土层的平均细颗粒含量Pc值分别为粗砂23.2%,细中砂18.5%,含砾细砂22.6%。含砾粗砂20.2%。结果表明闸址砂土的细粒含量Pc值均小于25%,可能产生的渗透变形型式为管涌,最有可能产生的管涌破坏为地基上部的砂层,应采取有效的防渗处理措施。3槽孔、土体开裂防渗墙纵观国内大型水闸的防渗处理措施,对于砂性土地基,由于其渗透系数较大,易产生渗透变形,闸基防渗设施一般采用水平铺盖与垂直截水墙防渗相结合的布置形式,用来延长渗径,减少底板的渗透压力,降低闸基平均渗透坡降;通过金鸡拦河闸闸基渗流计算结果表明:当上游水平铺盖长20m、闸室长18m,垂直防渗墙上游侧为8/9m(先启孔/后启孔),下游侧为6/7m(先启孔/后启孔)时,水平段的最大渗透坡降为0.1,出口段渗透坡降为0.27,均小于允许值。根据闸基的地质土层情况,经分析选取四种垂直防渗方案进行比较:方案一:射水法砼防渗墙。该法利用水泵及成型器射水装置形成高速射流的冲击力破坏土层结构,水土混合回流泥砂溢出地面,同时利用卷扬机操纵成型器不断地上下冲动,进一步破坏土层并切割修整孔壁。该方法在省内外的堤防工程基础防渗中已广泛使用,其优点是质量稳定、可靠,造价相对便宜,经过几次对设备的改造,对土层的适用性较好。本工程地基为深厚的含砾砂层,用反循环法可顺利造孔,同时由于地质土层以砂层为主,槽孔间夹泥现象可避免,墙体接缝较好。但由于该设备较重,需要较宽阔、平整的施工平台,同时为利于造浆固壁槽孔、稳定孔口,表层必须有3m左右的粘土层(可采用填筑的方式)。方案二:高压喷射灌浆砼防渗墙。高压喷射灌浆有单管法、二管法、三管法等。单管法是利用高压泥浆泵装置,以30Mpa左右的压力,把浆液从喷嘴中喷射出去,形成的射流冲击破坏土体,同时借助灌浆管的提升或旋转,使浆液与从土体上崩落下来的土粒混合掺搅,凝固后形成凝结体;三管法是使用分别输送水、气、浆三种介质的三管冲切土体,新三管法还利用约40Mpa的高压浆液进行充填,它又叫二次切割法,它喷射的距离更远,但它与二管法一样在注浆管处墙体厚度往往较薄。高压喷射灌浆适用于各类砂土及砂卵石土,对于含水量较高的淤泥其成墙质量较差。单管旋喷法形成的桩径一般为0.5～0.8m,与二管法及三管法比,单管法形成的桩径较小,二管法及三管法在相同压力下形成的凝结体长度可大大增加,但摆喷法形成的墙体厚薄较不均匀,注浆管处墙体厚度往往较薄(7～15cm),它的孔距、提升速度等施工参数与土层的性质关系密切,必须通过现场试验确定,高压喷射灌浆法的成墙质量与施工队伍的经验、素质均有较大的关系。方案三:钢丝绳或液压抓斗纯抓法成槽砼防渗墙。该技术也是近年来发展起来的新工艺,它是采用优质膨润土泥浆护壁,钢丝绳抓斗成槽。该方法对地层适应能力强、墙体连续性较好;但是由于墙体较厚,投资大,作为低水头水闸的防渗设施,其经济性较差,同时在砂土中造槽易发生塌孔现象。方案四:水泥搅拌桩砼防渗墙。它利用深层搅拌机将水泥喷入软弱层,同时施加机械搅拌,使固化体与软土充分搅和,使之成为具有一定强度的水泥土。该方法适用于处理淤泥、粘土、密实度中等以下的砂土、粒径小于5cm的砂砾石;其优点是不需要造孔护壁,成墙质量有保证,施工效率高,但该方法对于密实度较大的土层需通过试验确定其适用性,同时墙体易开叉。以上四种方案工程量及投资比较如下表所示。由上表可知深层搅拌桩法投资最小,三管高压喷射灌浆法次之,抓斗法投资最大。综合以上各种防渗墙的优缺点,考虑到金鸡拦河闸为灌溉、供水的大型水利工程,为泉州市人民的“生命闸”,防渗设施的好、坏直接关系工程的成败,选用三管法高压摆喷与深层搅拌法防渗墙进行试验。深层搅拌桩试验段的施工参数如下:桩径为Φ500mm,桩距为350mm;水泥采用32.5R普通硅酸盐水泥,水灰比为0.5～0.6,水泥掺量为被加固土体质量的14%～20%。三管法高压摆喷防渗墙试验段施工参数如下:水泥采用32.5级或以上普通硅酸盐水泥,水灰比为1.0;水管压力为35～40MPa,气管压力为0.6～0.8MPa,喷浆压力0.2～1.0MPa;高压水流量80L/min,空气流量1200L/min,水泥浆流量80L/min;桩距1.2m及1.4m各做10m,摆角30度。试验段施工结束后通过墙体的开挖、取芯、围井对墙体质量进行检测,结果表明:深层搅拌桩表层4m范围内桩体连续完整、桩径均匀、桩间搭接良好,但4m以下桩体、墙体规则性差,多处桩体倾斜变位严重,搭接处出现明显的错位和开叉;桩体强度随水泥掺入量的增大而增大,渗透系数随水泥掺入量的增大而减小,砂层强度高,粉质粘土的强度低。三管高压摆喷砼防渗墙各序孔间搭接良好,墙体完整,未出现喷射盲区、间断等局部缺陷,墙体最小厚度大于120mm,围井结果,墙体渗透系数为3.5×10-6cm/s,桩距1.2m和桩距1.4m围井试验结果区别不大。根据闸址处的地质特点,经过对垂直防渗墙技术经济比较及试验段试验,金鸡拦河闸重建工程基础垂直防渗墙最终确定三管高压摆喷方案。4垂直防渗墙工程沿海地