射水法造孔影响因素的探讨

简介： 该文综述射水法造孔中，对影响造孔及孔壁稳定的各种因素及所采取的各种技术措施：限制孔周地面荷载、提高泥浆质量，降低地下水位。通过工程实践证明技术措施的有效性，可扩大应用范围。
关键字：稳定因素 地面荷载 泥浆质量 地下水位

前言

　　射水法造墙机是一种在砂质软土地基建造地下砼连续防渗墙的机具，它主要由在同一轨道上电动行走的造孔机、混凝土浇筑机、混凝土拌和机组成。射水法造墙机的技术原理是，利用水泵及成型器中射水装置形成高速射流的冲击力破坏土层结构，水土混合物回流泥沙溢出地面，同时利用卷扬机操纵成型器不断上下冲动，进一步破坏土层并切割修整孔壁，造成有规格的槽孔，且用一定浓度的泥浆固壁，随后采用常规的水下砼直管浇筑法，建成砼或钢筋砼单槽板，利用成型器侧向特殊装置将单槽板连成地下砼或钢筋砼连续防渗墙。

　　射水法造墙机由福建省水科所研制，射水法造墙已在包括黄河、长江在内的国内诸多大中城市堤防上应用，已造墙200多万m²，受到国内同行的认可与赞誉。现结合其在九龙江下游防洪堤三期工程的实际应用，进行几个方面的探讨。

　　1、工程简介

　　该工程位于九龙江西溪和北溪的下游，是以保护漳州市区防洪安全的基础设施。共分为七个堤段，其中属于西溪流域的有五个堤段，分别为：康山土堤段长5.038km；漳州石堤段长2.175km；下洲土堤段长3.0km；步文土堤段长6.4km；漳州南岸土堤段长1.33km。属于北溪流域的有二个堤段，分别为：内林土堤段长3.42km；吴浦土堤段长0.22km。

　　漳州市区防洪堤始建于1959年，1962年基本建成，1964年至1965年间进行了续建配套，1973年至1974年及1982年进行了加高培厚，1985年进行了石堤堤基的防渗处理，1996年堤防工程除险加固后，具有一定的抗洪能力，但个别堤段标准偏低，存在堤身堤基渗漏及河障阻水严重等问题。为提高防洪能力，发挥整体效益，确保漳州市人民的生命财产安全，促进国民经济持续稳定发展，兴建本工程是必要的。工程按照新的设防标准进行加固扩建，建设内容是对堤身加高培厚（包括新做防浪墙和原有防浪墙加高加厚），堤身堤基防渗处理，防汛道路修建和堤身建筑物的加固改造。现工程建成后，保护市区防洪堤的设防标准由原50年一遇提高到百年一遇，漳州南岸堤段的设防标准由20年一遇提高至50年一遇，形成以保护漳州市区防洪安全为主要目标的完整防洪体系。

　　本次射水法造墙主要集中在步文土堤段和内林土堤段，步文土堤段长6.40km，设计堤顶宽为5.0m，堤顶高程为9.47～10.70m，迎、背水坡比均为1:2.0。除1996年堤防工程除险加固时已采用射水法打防渗墙的堤段（桩号1+415.7～1+404）；尚未打防渗墙的堤段（桩号1+404～6+297），采用射水法建造地下悬挂式砼防渗墙，设计深度8～12.0m，总面积近4.0万平方米。工程设计墙体厚度0.22米，墙体砼强度10Mpa,墙体防渗系数为K=10^-6cm/s，墙体垂直度小于1/300。

　　2、工程地质概况

　　该段地质经勘察揭示地层均为第四纪冲洪积层及人工填土所覆盖，堤基地层自上而下依次主要为：杂填土、粘土（淤泥层）、中砂层、卵砾石和花岗岩全风化土。

　　第一层：杂填土，分布于表层，厚1～2米，含砖瓦碎块垃圾等，极不均匀、松散、具有小孔洞。

　　第二层：粘土、淤泥层，分布于杂填土下部，灰黄色灰色，厚4～7米左右，较稳定，表层粘土与下伏淤泥呈过渡关系，天然含水量50%～60%，高于液限，呈流塑和软塑状态，比重2.61，干重度1.52～1.55X10KN/m³,孔隙比为1.4～2.0，内聚力14.0Kpa,内摩擦角1°43′。

　　第三层：中、粗砂层，厚度大，5～9米左右，以中、粗砂粒为主，含部分细砂，底部含少量砾石，该砂层夹有层厚0.5～4米不等的粘土和淤泥，以薄夹层（1～10㎝）多见，延伸不远，砂层比重2.63～2.67，干重度1.7～1.8X10KN/m³,孔隙比为0.81～0.88稍密-松散。不均匀系数一般为5～6，少量大于12，位于高程-10～0.0米。

　　第四层：卵石层，分布广，厚度4～9米，粒径2～7㎝，磨圆度好，成分较杂，分选性差，含有砾石、砂。

　　第五层：残积层，花岗岩（花岗闪长岩）全风化土，粉质土，含少量砂粒和粘粒，湿重度1.83X10KN/m³,内聚力15Kpa,内摩擦角22°。

　　由工程地质资料表明，堤基地质条件复杂，透水层深厚，为解决堤身堤基渗漏问题，非常适合采用射水法造墙机建筑地下悬挂式垂直防渗墙。

　　3、影响因素及施工准备

　　工程自1999年8月底开工，采用射水法造墙二代机造墙，2001年3月完工。工程吸收了1996年造墙施工过程中的经验教训，把重点放到造孔和孔壁稳定上，充分认识到造孔和孔壁稳定是防渗墙施工中的主要和关键，它受地层等自然条件影响最大，是影响工期、工程成本，甚至决定工程成败的重要因素。影响造孔和孔壁稳定因素主要有：

　　⑴泥浆的质量

　　⑵地下水位的高低

　　⑶孔壁土体的组成和密实度

　　⑷孔长度

　　⑸孔口地面荷载（如吊车、装载机、辅助施工设施等）

　　以上各因素中，孔壁土体的组成和密实度、孔长度是由各堤段实际和采用的造墙机确定的；因此，工程指挥部制订了施工堤段禁止通车，同时施工单位也在施工场地划定了限制范围，禁止有关施工机械和载重车辆靠近。下面谈泥浆的质量和地下水位的高低对造孔和孔壁稳定影响：

　　4、泥浆的质量影响

　　泥浆固壁机理:泥浆固壁即在槽孔施工的过程中，保持孔壁的稳定，其机理是槽孔内的泥浆压力高于所在地层的地下水压力，使泥浆渗入槽壁土体中，其中较细的颗粒进入孔隙中，较粗的颗粒附着在孔壁上，形成泥皮。随着泥皮厚度的增加，对水的流动阻力也会增加，最终达到了平衡，水不再进入地层，泥浆与土层被泥皮隔开。泥浆所产生的侧压力通过泥皮作用在孔壁上，保证了槽壁的稳定。

　　泥浆之所以能保证孔壁稳定，其主要依据：①泥浆静压力（固壁侧压力，取决于泥浆水头和泥浆密度）；②泥浆的强度（孔壁失稳时，泥浆受到挤压，泥浆强度有阴止孔壁滑塌的作用）；③泥皮强度（泥皮有一定的粘接强度可以阻止孔壁滑塌）；④泥浆流动的拖曳力（向上的拖曳力有利孔壁稳定， 向下的拖曳力对孔壁稳定不利）。

　　1999年9月，在九龙江下游防洪堤三期工程步文堤段进行堤身堤基射水法造墙施工。该堤段地下-15m～3.0m为中粗砂、卵石层。

　　设计从理论上采用泥浆固壁常用的计算泥浆密度公式计算：

　　γs=｛γh+［γoα+ (γe-γ)h］×K｝／H

　　式中：γs为泥浆容重，KN/m³；

　　r为水的容重，kN/m³；

　　γo为地基干容重，kN/m³；

　　γe为地基土的饱和容重，kN/m³；

　　H为计算点距泥浆液面深度，m；

　　α为地下水面距地表面的深度，m；

　　h为计算点距地下水面的深度，m；

　　K为地基土的侧压力系数。

　　公式以孔壁稳定为平衡条件，从理论上计算孔中某一计算点所需的泥浆密度，即该点的泥浆静压力，由公式可看出，h（即地下水位）对计算结果影响最大，这里不考虑泥浆固壁其它要素。该施工地段，据土工实验得中粗砂层干容重为18kN/m³，饱和容重为21kN/m³，内磨擦角为28度，地下水位高程按4.00m,堤顶高程按9.0 m计算。按水利部SL174-96《水利水电混凝土防渗墙施工技术规范》要求：造孔时，所需孔口高程应高出地下水位2.0m，采用上述公式计算（在射水法条件下，因泥浆流出孔口，故H=α+h）。当在堤顶造孔时，得泥浆密度如下表：

　　实际施工中影响因素很多，一般采用黏土制出泥浆密度11KN/m³-12KN/m³。在本工程堤顶造孔中，由于地下水位离堤顶较深，孔口高出地下水位近4.0米，按计算结果制出泥浆密度11.5 KN/m³，在造孔时孔壁良好，几乎没碰到困难就顺利造成单块混凝土槽板。

　　5、地下水位高低的影响

　　当在堤脚造孔时，得泥浆密度如下表：

　　在本工程堤脚造孔中，由于孔口高出地下水位仅0.5米，按计算结果制出泥浆密度13.5 KN/m³。

　　第一次在孔口高出地下水位0.5m时开始造孔，孔深到地下4.0 m左右时发现反循环出渣管口出沙不少，但造孔进尺缓慢，很快，孔口塌方了，范围在1.5m左右。第二天因河水下降地下水位有所下降，孔口高出地下水位1.0 m，在原孔位又开始造孔，孔中泥浆密度达到14KN/m³。但当造孔深度达地下6.0m时又发生孔口塌方，此次塌方范围达2.5m之多，采用低标号水泥沙浆水下填孔处理，接着移过两个孔位继续造孔，还是照样塌孔。经分析认为，孔口下6.0m左右的水泥沙浆层在造孔时孔壁良好，超过6.0m后，进入沙卵石层，孔位中的沙、卵石造孔时抽出，周边地下水位偏高，沙、卵石不断流过来补充到孔位中，水泥沙浆层架空，强度不高，造成断裂陷塌；由《水利水电混凝土防渗墙施工技术规范》泥浆密度一般不超过12 KN/m³，因此单靠提高泥浆密度是不可行的，且会增加制浆和排浆难度。由于工期紧，堤脚造墙仅100米长，经各方分析决定，由业主补贴施工方费用，采取在造孔首尾两点围井抽水降低地下水位方法，经多次试验，在孔口高出地下水位1.5m时造孔，泥浆密度14KN/m³，造孔成功了，紧接着浇筑混凝土，没有发生意外，造成单块混凝土槽板。过后在内林土堤段射水法造墙施工过程中遇类似情况，采用此法，亦顺利解决了造孔坍塌问题。

　　6、结束语

　　射水法造墙效率高，质量事故少，关键是由于成孔可靠，速度快。因此，施工中把重点放到造孔和孔壁稳定上，应充分认识到造孔和孔壁稳定是防渗墙施工中的主要和关键，是影响工期、工程成本，甚至决定工程成败的重要因素；从而采取必要的外部保护措施，通过调整造孔泥浆密度、降低地下水位来确保造孔和孔壁的稳定；特别是降低地下水位，在很多堤防或地下水位较高的围墙防渗工程中尤其值得推广，是提高工期、节省施工费用的好方法。

　　参考书目：

　　1.《大坝基础防渗墙》，高钟璞 等 编著

　　2.《提防设计规范》，（GB 50286-98）