摘要：首次選定了多頭小直徑水泥土深層攪拌樁截滲墻方案用于解決中運河張莊～窯灣和柳林兩險工段堤壩滲漏問題。在正式施工之前，通過做截滲圍井試驗和生產(chǎn)性試驗進(jìn)行了論證。工程完工后使用探地雷達(dá)和埋設(shè)測壓管進(jìn)行檢測和計算表明：通過探地雷達(dá)分析表明兩段墻體的連續(xù)性和完整性較好，墻體對周邊壩體的疏松土體有明顯的改善；通過截滲墻施工前后斷面兩測壓管水頭差和滲透系數(shù)的計算分析與對比，也說明了這兩段所施工的水泥土截滲墻具有明顯的截滲效果，滿足了設(shè)計的需要。該技術(shù)在中運河堤防加固工程中的成功應(yīng)用，不僅擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域，同時也推動了該技術(shù)施工工藝的進(jìn)一步發(fā)展。
1 引言
由于受歷史條件和當(dāng)時生產(chǎn)力水平的限制，我國大部分堤防大壩都存在著先天不足和后期老化問題，如填土疏松、抗?jié)B透能力偏低，地基較普遍的未進(jìn)行認(rèn)真處理，在河道中下游沖積平原地區(qū)的不同深度都存有較強(qiáng)的透水層，易產(chǎn)生管涌、冒沙等滲透破壞[1].大壩防滲是水利工程施工的關(guān)鍵技術(shù)，歷來是水利工程界高度關(guān)注的問題。在堤壩工程中，防滲技術(shù)的目的是隔斷堤壩兩側(cè)的水力聯(lián)系，降低堤壩的滲透系數(shù)，通常是通過修建粘土心墻、水泥土防滲墻及注漿等手段來實現(xiàn)這一目的[2].多年來，人們在大壩防滲工程上進(jìn)行了不懈的探索，取得了許多出色的研究成果[3-9]，具體體現(xiàn)在防滲的技術(shù)和方法應(yīng)用上。
多頭小直徑深層攪拌樁截滲墻技術(shù)是運用特制的多頭小直徑深層攪拌樁機(jī)，把水泥漿噴入土體并攪拌形成水泥土墻，用水泥土墻作為防滲墻達(dá)到截滲的目的。該方法是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和水泥（漿液或粉體）強(qiáng)制攪拌后，水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)改性。該項技術(shù)是在普通深層攪拌樁技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它保留了普通深層攪拌樁技術(shù)取材方便、施工無噪音、無污染、工程效果好等優(yōu)點外，主要在一機(jī)多頭（3個鉆頭）和小直徑（200-300mm）成墻兩個方面有所突破，并可連續(xù)成墻。本文研究的就是利用該項技術(shù)在中運河堤防加固工程中是如何進(jìn)行應(yīng)用的。
2 工程概況
中運河（大王廟～二灣段）近期擴(kuò)大工程是沂沭泗洪水東調(diào)南下工程的一個重要組成部分，是宣泄南四湖洪水的主要出路，也是邳蒼地區(qū)的主要排澇河道，同時又是京杭大運河航道上的重要一段。中運河大王廟～二灣段河道雖經(jīng)過了五、六十年代開挖河道、修筑堤防等大規(guī)模治理，但由于其部分堤防是冬季施工，凍土上堤防，碾壓不實，存在空洞和裂縫，局部河段河道彎曲，流勢不穩(wěn)，主流直沖河岸堤防，易形成險工段，而且防洪能力僅為十年一遇。因此，為提高防洪能力并計劃把防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到二十年一遇，水利部淮委決定對其進(jìn)行治理。其中的柳林險工段、張莊～窯灣險工段堤壩防滲工程是中運河（大王廟～二灣）近期擴(kuò)大工程的重點，這兩個險工段防滲施工的工藝及其質(zhì)量控制，對確保整個工程高質(zhì)量完成具有重要的現(xiàn)實意義。
張莊～窯灣險工段（樁號左堤43＋070～44＋570）全長1500m，截滲墻頂高程為27.0m，墻底高程為18.0m，設(shè)計樁長9.0m，工程量13500 m2；柳林險工段（樁號左堤24＋302～25＋150）全長848m，截滲墻頂高程為28.5m，墻底高程為20.0m，設(shè)計樁長8.5m，工程量7208 m2.
3 技術(shù)應(yīng)用研究
根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，通過幾種截滲方案的比較，選定了多頭小直徑水泥土攪拌樁墻截滲方案對張莊～窯灣和柳林兩險工段進(jìn)行施工。由于該設(shè)備和工藝首次用于解決堤壩滲漏問題，為確保該技術(shù)方案的成功實施，因此在正式施工之前進(jìn)行了截滲圍井試驗和生產(chǎn)性試驗研究。
3.1截滲圍井試驗研究
試驗方案為：在堤頂開挖了一個底部長為4000mm，頂部長為2138 mm，深度為2500 mm的倒正四錐體，在該倒正四錐體范圍內(nèi)回填中細(xì)砂，并按天然狀態(tài)密實，灑水使砂土處于飽和并接近堤基砂土的天然狀態(tài)，模擬堤基下的砂層。圍井設(shè)計成正四邊形，邊長1200 mm，樁徑220 mm，樁與樁間搭接部分厚度不小于110 mm，樁長6 m（見圖2略）。待墻體水泥土滿足設(shè)計齡期后，挖開圍井中中細(xì)砂和底層堤防原狀土觀測檢查墻體，開挖深度為4.5 m，挖穿了2.5 m厚的砂層，并在圍井四周注水。開挖外觀檢查和注水試驗表明：
（1） 樁與樁搭接良好，墻體完整，輪廓清晰，墻體表面光滑，墻體截滲效果良好；
（2） 深層攪拌樁在砂層和堤身原狀土中成墻效果都較好；
（3） 墻的搭接厚度達(dá)230 mm，最小厚度達(dá)160 mm，大于設(shè)計要求厚度120 mm.從圍井內(nèi)側(cè)樁與樁輪廓看，樁的垂直度偏差較小，圍井上部和下部樁的搭接基本一致。
外觀檢查和注水試驗之后，現(xiàn)場鉆取了水泥土試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗獲得了滲透破壞比降、水泥土滲透系數(shù)和墻體抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)。
通過圍井試驗，初步確定的主要施工參數(shù)為：水灰比為1.0：1，后來簡化為1.0；水泥土中水泥摻入比為12％。
3.2 生產(chǎn)性試驗研究
開工前雖對水泥土截滲墻做了圍井試驗，并獲得了有關(guān)施工參數(shù)，但由于試驗場地及試驗條件與施工場地土質(zhì)存在差異，能否連續(xù)成墻，有待于進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究。根據(jù)圍井試驗結(jié)果和設(shè)計要求，確定水泥土截滲墻施工采用水灰比為1.0，水泥摻入比為12％。在實施過程中，對墻體開挖檢驗發(fā)現(xiàn)樁與樁之間搭接處出現(xiàn)夾泥現(xiàn)象，樁體連續(xù)性較差，最小搭接厚度多出出現(xiàn)小于設(shè)計的最小厚度。針對上述情況又進(jìn)行了分析論證，認(rèn)為樁機(jī)后退、水灰比偏小可能是導(dǎo)致上述質(zhì)量問題的直接原因，并且堤防土質(zhì)含水量大小與水灰比大小直接相關(guān)，為此又進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗研究。
水泥土截滲墻成墻先決條件是水泥土在攪拌過程中必須成塑性狀態(tài)或流態(tài)。計算表明，壩體最小含水量為6％時水灰比約為1.6；平均含水量為21％時水灰比約為1.1.根據(jù)理論計算結(jié)果，采用水灰比為1.5、2.0，水泥摻入比為8％和12％進(jìn)行試驗，同時考慮到堤防存在0.8～1.6m，達(dá)2.6m厚的粉細(xì)砂夾層，局部為中粗砂，且處于動水情況。在這種情況下能否成墻、效果如何，在進(jìn)行生產(chǎn)性試驗的同時，又進(jìn)行了模擬試驗，試驗齡期為11天。
試驗表明，水灰比為1.5和2.0，水泥摻入比在8％和12％兩種情況下均能滿足滲透系數(shù)、強(qiáng)度和滲透破壞比降要求。水灰比為1.5的墻體滲透系數(shù)明顯優(yōu)于水灰比為2.0的墻體滲透系數(shù)，故最終確定水灰比為1.5，水泥摻入比為12％的施工參數(shù)進(jìn)行施工。
3.3 正式施工階段
根據(jù)圍井試驗和生產(chǎn)性試驗取得的參數(shù)與結(jié)果，論證了多頭小直徑水泥土截滲墻用于堤防截滲施工是可行的，并且采用單排樁施工。這主要是因為通過試驗單排樁的接頭處理和截滲效果能滿足質(zhì)量設(shè)計要求，比雙排樁更經(jīng)濟(jì)。這樣在正式施工階段按照上面的試驗結(jié)果，采取有效的控制辦法，就可確保水泥土截滲墻的墻體質(zhì)量。具體施工順序是：
（1）第一攪拌站按設(shè)計的水灰比配制并拌和水泥漿；
（2）用泵把配制好的水泥漿輸送到第二攪拌站并記錄水泥漿重量；
（3）樁機(jī)就位調(diào)平；
（4）開啟樁機(jī)，鉆頭攪拌下沉，同時開啟漿泵送漿至設(shè)計深度，記錄輸漿量；
（5）攪拌提升同時噴漿至施工面并記錄輸漿量，關(guān)閉漿泵完成第一組樁施工；
（6）樁機(jī)向前移動150mm，并調(diào)平，重復(fù)（1）～（5）步驟，完成第二組樁施工；
（7）重復(fù)（6），完成一個單元墻的施工；
（8）樁機(jī)向前水平移動1020mm，對樁位調(diào)平，使本單元墻的第一根樁和上單元墻的最后一根樁搭接100mm以上，重復(fù)上述（1）～（7）步驟即可完成整個險工段的施工注漿。
1 引言
由于受歷史條件和當(dāng)時生產(chǎn)力水平的限制，我國大部分堤防大壩都存在著先天不足和后期老化問題，如填土疏松、抗?jié)B透能力偏低，地基較普遍的未進(jìn)行認(rèn)真處理，在河道中下游沖積平原地區(qū)的不同深度都存有較強(qiáng)的透水層，易產(chǎn)生管涌、冒沙等滲透破壞[1].大壩防滲是水利工程施工的關(guān)鍵技術(shù)，歷來是水利工程界高度關(guān)注的問題。在堤壩工程中，防滲技術(shù)的目的是隔斷堤壩兩側(cè)的水力聯(lián)系，降低堤壩的滲透系數(shù)，通常是通過修建粘土心墻、水泥土防滲墻及注漿等手段來實現(xiàn)這一目的[2].多年來，人們在大壩防滲工程上進(jìn)行了不懈的探索，取得了許多出色的研究成果[3-9]，具體體現(xiàn)在防滲的技術(shù)和方法應(yīng)用上。
多頭小直徑深層攪拌樁截滲墻技術(shù)是運用特制的多頭小直徑深層攪拌樁機(jī)，把水泥漿噴入土體并攪拌形成水泥土墻，用水泥土墻作為防滲墻達(dá)到截滲的目的。該方法是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和水泥（漿液或粉體）強(qiáng)制攪拌后，水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)改性。該項技術(shù)是在普通深層攪拌樁技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它保留了普通深層攪拌樁技術(shù)取材方便、施工無噪音、無污染、工程效果好等優(yōu)點外，主要在一機(jī)多頭（3個鉆頭）和小直徑（200-300mm）成墻兩個方面有所突破，并可連續(xù)成墻。本文研究的就是利用該項技術(shù)在中運河堤防加固工程中是如何進(jìn)行應(yīng)用的。
2 工程概況
中運河（大王廟～二灣段）近期擴(kuò)大工程是沂沭泗洪水東調(diào)南下工程的一個重要組成部分，是宣泄南四湖洪水的主要出路，也是邳蒼地區(qū)的主要排澇河道，同時又是京杭大運河航道上的重要一段。中運河大王廟～二灣段河道雖經(jīng)過了五、六十年代開挖河道、修筑堤防等大規(guī)模治理，但由于其部分堤防是冬季施工，凍土上堤防，碾壓不實，存在空洞和裂縫，局部河段河道彎曲，流勢不穩(wěn)，主流直沖河岸堤防，易形成險工段，而且防洪能力僅為十年一遇。因此，為提高防洪能力并計劃把防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到二十年一遇，水利部淮委決定對其進(jìn)行治理。其中的柳林險工段、張莊～窯灣險工段堤壩防滲工程是中運河（大王廟～二灣）近期擴(kuò)大工程的重點，這兩個險工段防滲施工的工藝及其質(zhì)量控制，對確保整個工程高質(zhì)量完成具有重要的現(xiàn)實意義。
張莊～窯灣險工段（樁號左堤43＋070～44＋570）全長1500m，截滲墻頂高程為27.0m，墻底高程為18.0m，設(shè)計樁長9.0m，工程量13500 m2；柳林險工段（樁號左堤24＋302～25＋150）全長848m，截滲墻頂高程為28.5m，墻底高程為20.0m，設(shè)計樁長8.5m，工程量7208 m2.
3 技術(shù)應(yīng)用研究
根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，通過幾種截滲方案的比較，選定了多頭小直徑水泥土攪拌樁墻截滲方案對張莊～窯灣和柳林兩險工段進(jìn)行施工。由于該設(shè)備和工藝首次用于解決堤壩滲漏問題，為確保該技術(shù)方案的成功實施，因此在正式施工之前進(jìn)行了截滲圍井試驗和生產(chǎn)性試驗研究。
3.1截滲圍井試驗研究
試驗方案為：在堤頂開挖了一個底部長為4000mm，頂部長為2138 mm，深度為2500 mm的倒正四錐體，在該倒正四錐體范圍內(nèi)回填中細(xì)砂，并按天然狀態(tài)密實，灑水使砂土處于飽和并接近堤基砂土的天然狀態(tài)，模擬堤基下的砂層。圍井設(shè)計成正四邊形，邊長1200 mm，樁徑220 mm，樁與樁間搭接部分厚度不小于110 mm，樁長6 m（見圖2略）。待墻體水泥土滿足設(shè)計齡期后，挖開圍井中中細(xì)砂和底層堤防原狀土觀測檢查墻體，開挖深度為4.5 m，挖穿了2.5 m厚的砂層，并在圍井四周注水。開挖外觀檢查和注水試驗表明：
（1） 樁與樁搭接良好，墻體完整，輪廓清晰，墻體表面光滑，墻體截滲效果良好；
（2） 深層攪拌樁在砂層和堤身原狀土中成墻效果都較好；
（3） 墻的搭接厚度達(dá)230 mm，最小厚度達(dá)160 mm，大于設(shè)計要求厚度120 mm.從圍井內(nèi)側(cè)樁與樁輪廓看，樁的垂直度偏差較小，圍井上部和下部樁的搭接基本一致。
外觀檢查和注水試驗之后，現(xiàn)場鉆取了水泥土試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗獲得了滲透破壞比降、水泥土滲透系數(shù)和墻體抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)。
通過圍井試驗，初步確定的主要施工參數(shù)為：水灰比為1.0：1，后來簡化為1.0；水泥土中水泥摻入比為12％。
3.2 生產(chǎn)性試驗研究
開工前雖對水泥土截滲墻做了圍井試驗，并獲得了有關(guān)施工參數(shù)，但由于試驗場地及試驗條件與施工場地土質(zhì)存在差異，能否連續(xù)成墻，有待于進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究。根據(jù)圍井試驗結(jié)果和設(shè)計要求，確定水泥土截滲墻施工采用水灰比為1.0，水泥摻入比為12％。在實施過程中，對墻體開挖檢驗發(fā)現(xiàn)樁與樁之間搭接處出現(xiàn)夾泥現(xiàn)象，樁體連續(xù)性較差，最小搭接厚度多出出現(xiàn)小于設(shè)計的最小厚度。針對上述情況又進(jìn)行了分析論證，認(rèn)為樁機(jī)后退、水灰比偏小可能是導(dǎo)致上述質(zhì)量問題的直接原因，并且堤防土質(zhì)含水量大小與水灰比大小直接相關(guān)，為此又進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗研究。
水泥土截滲墻成墻先決條件是水泥土在攪拌過程中必須成塑性狀態(tài)或流態(tài)。計算表明，壩體最小含水量為6％時水灰比約為1.6；平均含水量為21％時水灰比約為1.1.根據(jù)理論計算結(jié)果，采用水灰比為1.5、2.0，水泥摻入比為8％和12％進(jìn)行試驗，同時考慮到堤防存在0.8～1.6m，達(dá)2.6m厚的粉細(xì)砂夾層，局部為中粗砂，且處于動水情況。在這種情況下能否成墻、效果如何，在進(jìn)行生產(chǎn)性試驗的同時，又進(jìn)行了模擬試驗，試驗齡期為11天。
試驗表明，水灰比為1.5和2.0，水泥摻入比在8％和12％兩種情況下均能滿足滲透系數(shù)、強(qiáng)度和滲透破壞比降要求。水灰比為1.5的墻體滲透系數(shù)明顯優(yōu)于水灰比為2.0的墻體滲透系數(shù)，故最終確定水灰比為1.5，水泥摻入比為12％的施工參數(shù)進(jìn)行施工。
3.3 正式施工階段
根據(jù)圍井試驗和生產(chǎn)性試驗取得的參數(shù)與結(jié)果，論證了多頭小直徑水泥土截滲墻用于堤防截滲施工是可行的，并且采用單排樁施工。這主要是因為通過試驗單排樁的接頭處理和截滲效果能滿足質(zhì)量設(shè)計要求，比雙排樁更經(jīng)濟(jì)。這樣在正式施工階段按照上面的試驗結(jié)果，采取有效的控制辦法，就可確保水泥土截滲墻的墻體質(zhì)量。具體施工順序是：
（1）第一攪拌站按設(shè)計的水灰比配制并拌和水泥漿；
（2）用泵把配制好的水泥漿輸送到第二攪拌站并記錄水泥漿重量；
（3）樁機(jī)就位調(diào)平；
（4）開啟樁機(jī)，鉆頭攪拌下沉，同時開啟漿泵送漿至設(shè)計深度，記錄輸漿量；
（5）攪拌提升同時噴漿至施工面并記錄輸漿量，關(guān)閉漿泵完成第一組樁施工；
（6）樁機(jī)向前移動150mm，并調(diào)平，重復(fù)（1）～（5）步驟，完成第二組樁施工；
（7）重復(fù)（6），完成一個單元墻的施工；
（8）樁機(jī)向前水平移動1020mm，對樁位調(diào)平，使本單元墻的第一根樁和上單元墻的最后一根樁搭接100mm以上，重復(fù)上述（1）～（7）步驟即可完成整個險工段的施工注漿。