水泥土薄墙技术在堤防工程中的应用与研究

　　河道、湖泊堤防是我国防洪工程体系的重要组成部分。目前，我国建有各类堤防25万km，其中重要堤防6.57万km。我国现有堤防存在的隐患有三大特点：一是地基地质条件差，地基大多为砂基，而且绝大部分未作基础处理；二是堤身填筑质量差，不少堤防是在原民堤的基础上，经历年逐渐加高培厚而成，往往存在冻土上堤、碾压不实、动物洞穴等质量问题；三是堤后坑塘多，覆盖薄弱，当遭遇洪水时堤防经常发生流土、管涌、滑坡和崩岸等险情，严重危及大堤安全运行。水泥土薄墙技术是解决上述问题的重要措施之一，它适用的土层范围广，在黏土、壤土、粉土、砂土及含少量砾石(粒径小于0.05m)的砂层、淤质土，甚至有土体架空或孔洞时一样可以成墙，已完工的10多个堤防防渗工程(涉及以上土层)质量检测表明：墙体连续、整齐，桩与桩搭接紧密，渗透系数达到A×l0^-6～A×10^-8cm/s，并经受了汛期高水位的考验，堤防原有的渗水、管涌等险情已消除，防渗效果显著。

　　一、水泥土薄墙的成墙机理及设计

　　1．成墙机理

　　通过主机的动力传动装置，带动主机上的并列钻杆转动，并以一定推力使钻杆上的钻头向土层推进到设计深度，然后再提升到孔口，在上述过程中，通过水泥浆泵把水泥浆由输浆管输进钻杆，经设在钻头侧面的喷嘴喷入土层中，在钻进和提升的同时，水泥浆与原状土就地搅拌混合，经物理、化学反应凝结形成具有稳定性、抗渗性、且有一定强度的连续水泥土墙。

　　2．水泥土薄墙的设计

　　根据地质条件，在地基透水层埋藏较薄、隔水层较浅的情况下，可以做成封闭式墙，可使地基的渗漏量和扬压力得到有效控制，从而根治地基因渗漏被破坏的现象；在双层或多层透水层地基且透水层较深时，可采用悬挂式或半封闭式墙，但必须在勘探资料充分并经渗流计算论证后方可采
用。水泥土薄墙宜布置在临水侧，墙体最小厚度可按T=△H/J作初步估算(△H为堤内外水头差，J为墙体的允许坡降值)，现有设备成墙厚度一般在12～-30cm之间。固化剂一般选用质量等级为32.5的普通硅酸盐水泥，水泥掺入比10%～15%，外加剂可根据工程需要选用具有早强、缓凝、减水、节省水泥等性能的材料，应避免污染环境。

　　墙体设计指标：水泥土无侧限抗压强度大于0.6MPa，渗透系数小于A×10^-6cm/s，渗透破坏比降大于100～150。

　　二、施工

　　1．施工工艺

　　水泥土薄墙技术发展很快，从起初的三头三序成墙工艺到三头二序、现阶段的三、五、六头一次性成墙工艺，其基本原理是一致的，只是调整了主机上并列钻杆的间距，使得完成一个单元墙的施工工序减少了。最基本的三头三序施工工艺为：(1)主机就位，制备水泥浆；(2)主机调平；(3)钻头下沉搅拌并输浆，记录输浆量；(4)反转搅拌提升至设计墙顶(伴随输浆)，记录输浆量，完成第一序桩；(5)向前移动15cm，重复(1)～(4)过程，完成第二序桩；(6)再向前移动15cm，重复(1)～(4)过程完成第三序桩，此时，桩与桩连接成1.35m的连续单元墙。对于三、五、六头一次性成墙工艺，只需(1)～(4)过程即可形成一个单元墙。

　　2．质量控制措施

　　施工过程中质量控制要点有：固化剂质量、钻头直径、水泥浆比重、垂直度、成墙深度、喷浆量、对位偏差等参数。施工单位应建立健全各项管理制度和质量控制措施，对每批号进场水泥除有材料出厂合格证外，还应抽样检测水泥强度、稳定性等指标，严禁使用不合格水泥；钻头直径要求每班量测一次，水泥浆比重每单元墙用比重计量测一次，根据土质，一般选用在1.32～1.60之间。垂直度由垂直仪显示，控制在小于0.3%以内，其他参数分别通过深度、浆量记录仪等相应仪器控制。

　　三、墙体质量检查

　　水泥土薄墙技术为新工艺，质量检查手段还不够完善，有待于进一步探索，现在一般采用的方法有：压水、注水试验，埋设测压管，物探，开挖检测等。实际工程中可根据需要和条件选择不同方法。

　　1．压水、注水试验

　　压水、注水试验是检测防渗墙渗透系数的有效手段。试验孔可直接布置在墙体上，用钻机成孔，并采取芯样描述其均匀性和完整性。但防渗墙深度大时，由于水泥土薄墙有效厚度仅12～30cm，钻孔下部往往出现偏离墙体情况，成孔有一定的难度。为此，在实际操作中，一般采用双排成墙的方法(或围井)，即在施工过程中，监理工程师随机指定进行压水、注水试验的位置，随后桩机返回到指定位置，在一侧再做增补墙，两墙之间打一组封闭墙间隙的桩。

　　检测数量一般为每个分部工程1～2组，试验孑L深度比防渗墙浅0.5～1.Om，孔深较大时，采取分段试验。

　　2．埋设测压管

　　测压管埋设在墙体两侧，一般每一断面两孔。根据水泥土薄墙施工前、后测压管水位随河水位变化情况，分析墙体防渗效果。

　　3．物探方法

　　应用物探方法检测防渗墙质量目前尚无规范和国外先进经验可以借鉴，加之其理论验证工作难度较大，目前仍处于探索阶段。现应用于防渗墙工程中的检测方法主要有探地雷达、瞬态瑞雷面波法、垂直声波反射法等。由于各种物探方法的应用原理不同，受外界电磁场、声波及施工工艺等因素干扰较多，可能会使某种方法在某工程中使用效果较好，但在另外工程中却效果甚微，因此，要根据具体条件合理选择。

　　物探方法能较全面检查墙体的完整性、连续性、密实度及深度等，但不能对墙体渗透系数、破坏比降、强度等设计指标进行定量评价。

　　4．开挖检测

　　开挖是检查墙体质量最直观的方法，从开挖出的墙体观测成墙厚度、搅拌均匀性、垂直度、搭接等情况，并截取一定数量的水泥土样送试验室做渗透系数、破坏比降、抗压强度试验，以定量分析墙体施工质量。检测数量一般每300～500ml处或每个分部工程1～2处，开挖深度2.5～4.0m。对已完工工程检测结果表明(开挖深度最深达9m)，墙体整齐、连续，除少数桩搭接处有夹泥现象外，桩与桩搭接紧密，垂直度误差一般小于0.3%；室内试验成果离散性较大，有的工程与现场试验成果出入较大，水泥掺入比12%～14%，水泥土抗压强度一般在1.0MPa以上，渗透系数A×l0^-6～A×l0^-8cm/s，破坏比降大于150。此外多个工程开挖检查时在墙体侧面土层中发现有呈脉状分布的硬结水泥块，水泥浆已渗入和扩散到土层孔洞或裂隙中，影响范围最远达1.5m。

　　四、探讨与研究

　　1．水泥土薄墙的特点

　　水泥土薄墙是通过桩与桩相互切割搭接而成的，它具有搅拌桩特点，一般墙体表面形成薄层硬壳，其颜色为浅灰—灰色，强度较高，抗渗性能好，它大大增加了水泥土墙的防渗能力，并且与土层胶结好。墙体内部水泥含量较表面少，存在法向不均匀性。此外，土体虽经机械切削、搅拌，但实际上仍有一些未被粉碎的大小土团，拌入水泥后这些土团被水泥浆包裹，土团之间的大小空隙基本上已被水泥颗粒填满，所以在加固后的水泥土薄墙中形成了一些水泥较多的微区，而在这些大小土团内部则没有水泥。较长时间后，土团内土颗粒在水泥水解产物渗透的作用下会逐渐改变性质。因此在水泥土薄墙中产生强度较大的具有水稳定性的水泥石区和强度较低的土块区，两者在空间相互交替过程中，形成一种独特的水泥土结构，上述情况在黏粒含量高的黏性土、堤身填土中较为普遍。由于黏性土本身渗透性小，对防渗效果影响不大。改善措施有：增加钻头上的叶片、在下层叶片底部镶嵌刀齿进行复搅等方法。

　　2．水泥掺入比和水灰比

　　水泥土渗透系数、抗压强度与水泥掺人比、水灰比、土质及土的含水量有关。水泥掺入比越高，水灰比越小，则水泥土抗压强度、抗渗性越高。但某工程现场试验结果却与上述论点有较大出入(见表1)，分析原因是，该工程堤身填土含水量低，且处于地下水位以上，采用小水灰比往往不易搅碎土块，造成搅拌不匀，且无充足水分补给，水泥水化分解不充分影响了水泥土固结效果。同样，如水灰比大，水泥土凝结时收缩较大，易形成新的孔洞和裂隙，降低墙体整体抗渗性。因此，水灰比大小应根据土质条件(综合考虑堤基土和堤身土)、墙体设计指标经现场试验确定。

表1　施工参数试验成果表

3．下沉(提升)速度

　　水泥土搅拌效果通常由拌和次数G来表示，土体中任一点经叶片搅拌次数越多，土与水泥浆就拌和得越均匀，拌和次数G按下式计算：G=hnΣZ/v。

　　式中：h为叶片平均垂直高度(m)，ΣZ为叶片总数，n为转速(转/min)，。为下沉(提升)速度(m/min)。

　　通常桩机下沉、提升速度与钻杆转速成正比，即n/v为定值，因此，从搅拌效果方面考虑，下沉、提升速度对墙体质量无明显影响。但下沉速度快，阻力大，在填土、含砾砂层等软硬不均匀地层，钻杆易产生偏移而影响垂直成墙度。此外，因采用侧向喷浆，下沉、提升速度快时，单位时间内喷浆量大，供浆压力大，水泥浆在大压力和离心力的作用下，有一种向外运动的趋势，使水泥浆大部分聚集到了桩的外侧，造成水泥在桩体内沿法向分布不均匀。因此，下沉、提升速度宜适当，一般下沉速度在0.6～1.Om/min，提升速度在0.6～1.5m/min。

　　4．桩与桩施工间隔时间

　　水泥土薄墙是由桩与桩互相切割搭接而成，桩与桩施工间隔时间长短对墙体质量和连续性有何影响，是我们关注的问题。为此，从现场取堤身填土(壤土)和中细砂及水泥送室内模拟现场条件测定水泥土终凝时间及相应时间的无侧限抗压强度，试验结果表明，水泥土凝结时间、强度与土的性质、加入水泥浆后试件的含水量等有关；在施工现场，分6、12、24小时三种施工间隔时间进一步试验，开挖检查表明，三种间隔时间的墙体，桩与桩搭接紧密、连续、无夹泥现象，取施工间隔时间24小时的搭接部分墙体送室内试验，渗透系数为7.7×10^-7cm/s，另利用施工中间隔时间为30小时的墙体做注水试验，渗透系数为5×10^-7cm/s，经开挖检查与正常搭接墙体没有区别。可见，只要设备能力允许，施工间隔时间长短对墙体质量和连续性无明显影响，设计要求施工间隔时间不能超过24小时值的商榷。

　　5．施工质量检测内容和方法

　　水泥土薄墙技术由深层搅拌桩演变而来，两者在施工工艺上有相同之处，但在功能上却有本质的区别。搅拌桩的作用是加固地基，提高地基强度和变形模量。水泥土薄墙作为防渗体，其作用是减少渗漏量和降低浸润线，所以对墙体检测内容应该以能全面反映墙体防渗性能的指标为主，这些指标应该是渗透系数、渗透破坏比降、墙体的连续性、墙厚等，抗压强度对于防渗不是很重要，而且强度指标并非越高越好，因为成墙强度越高墙体适应堤防变形的能力越差，容易产生裂缝。根据以上分析，在对水泥土薄墙质量检测方法和数量上也应有侧重，尽可能用较少的成本就能较全面地检测工程质量。具体地讲，应注意以下几个方面：(1)渗透系数应以现场压水、注水试验为主，室内试验为辅，因为现场试验反映的是防渗体的整体防渗能力，而室内试验只是某一点的数据，代表性较差。(2)开挖探槽能直观地检测墙体的连续性、墙厚、垂直度等指标，但开挖探槽费用较大，并且由于开挖范围小，人工进行回填探槽时填筑质量难以保证，给大堤安全埋下隐患，因此开挖位置应有针对性，数量不宜太多，重点应放在对施工质量有怀疑或地质条件复杂地段，并重视回填质量。要全面地分析墙体连续性可采用物探方法，并可用探槽验证物探方法效果的好坏。(3)渗透破坏比降、抗压强度(作为参考指标)可通过现场取样室内试验取得。

　　五、水泥土薄墙技术的发展

　　水泥土薄墙技术自1998年9月通过水利部技术鉴定以来，发展很快，从起初的三头三序发展到现在的五头、六头成墙工艺，施工工艺、设备不
断改进和完善，其中三头、五头、六头搅拌机均已能一次成墙，单元墙长度达0.9～1.5m左右，并且由于多头之间采用连动装置，不再产生分岔现象，大大提高了墙体的连续性和完整性，工效也有了极大的提高。垂直度、喷浆量等参数数据基本实现了自动记录，进一步保证了墙体成墙质量，另一方面，水泥土墙从单一处理堤防隐患，发展到了应用于闸基等建筑物的防渗帷幕，拓宽了应用领域。但目前的多头搅拌机械设备，仍存在一些不足：一是由于采用了侧向喷浆，浆液在压力和离心力的作用下，大部分聚集到了桩的外侧，造成桩体沿法向不均匀；二是目前的设备对土的搅拌次数是固定的，在黏性土中如搅拌次数太少，土块不能完全搅碎，易形成土团块；三是成墙的最大深度在18m以内，对于深厚砂层不能做成封闭式墙，影响防渗效果。

　　现在最新发展起来的ESMTM设备(或工法)，基本上可以解决以上缺陷，它是在引进日本TMW和SMW工法和制造工艺基础上研制而成的，它是一个五轴的深层搅拌机械，其中三轴供浆，两轴供气，一次性成墙达1.66m，它与目前多头搅拌机械设备比较，具有以下优点：(1)减少钻具与土的摩阻力，减轻负载，加速进程；(2)钻头上方长约5m的钻杆上镶焊着叶片，使得搅拌次数增多，加上气体的升扬置换作用，可将水泥土搅拌得更均匀；(3)成墙深度上有了突破，达30m，另外如装上壁面切削器，通过钻杆搅刀作用可形成等厚的地下连续墙体。该工法通过淮河淮北大堤加固工程中使用改进，已通过技术鉴定，当然该技术也有不足，主机重达46t，作业面需要6m宽以上，对施工道路、场地要求高。　■

(作者单位：水利部淮河水利委员会基础工程有限责任公司)
责任编辑 王晓平