第三节 防渗技术.docx

1、第三节 防渗技术堤防除险加固实用技术第五章堤防垂直防渗与地基加固技术2第三节 防渗墙技术防渗墙可以作为堤身和地基的防渗体，也可用于挡土、防冲。根据施工工艺的不同，防渗墙可分为槽段式、桩柱式和预制拼装式。特别是射水、锯槽、链斗、多头搅拌桩、插板等薄墙方法可较为经济有效地适用于堤防的垂直防渗。 一、槽段式防渗墙 槽段式防渗墙可采用抓斗、冲击钻劈打、轮铣、射水、锯槽、链斗、多头钻等成槽机具分一、二期跳打成槽。按槽厚可分为薄墙(2060cm)和厚墙(60120cm)。受机械尺寸所限，抓斗、冲击钻劈打、轮铣等机具仅能形成厚墙，槽孔长度多依据地质条件、混凝土供应强度、施工工艺等确定，多在25m间。而射水、

2、锯槽、链斗、多头钻等成槽机具和改进的薄型抓斗（3040cm）、轮铣(2060cm)机具可以形成较薄的薄墙。各种机具都有其适用地层的问题，如卵砾石含量高且大的地层，多采用冲击钻造孔，抽桶出渣，甚至采用预爆破或定向聚能爆破作业处理。 1.成槽 建造槽孔前，多埋设1-2m深的木材或混凝土孔口导向槽板。建造槽孔多采用SiO2和Al2O3比值在3-4间的粘土（有条件时采用澎润土）泥浆护壁，参见表55。应保持孔内泥浆浆面在导向槽板30-50cm以内，并大于地下水位1m以上。抽桶或反循环出渣清孔，在造孔完毕后，孔底淤积厚度应小于10cm，孔内泥浆的比重小于1.3，粘度小于30秒，含砂量小于12%。成槽孔斜一

3、般要求要小于0.2-0.4%，一、二期墙厚搭接要大于2/3墙厚，搭接方式有接头管法、钻凿法、双反弧钻法等。表55 泥浆性能表粘度(s)比重粘粒含量含砂量塑性指数胶体率稳定性失水量(ml/30min)静切力（10Pa）泥饼厚（mm）pH1min10min18251.11.250%5%2096%0.0320302030501002479 2.墙体材料与浇筑 墙体材料可采用混凝土、钢筋混凝土、塑性混凝土、土工膜、自凝灰浆。混凝土、塑性混凝土采用槽孔内下道管泥浆中浇筑成墙工艺。钢筋混凝土则在浇筑前置入钢筋笼。 塑性混凝土（每方）由水泥（70220kg）、膨润土（80150kg）、砂石骨料（1600kg

4、左右）和水组成，常掺入粉煤灰（5080kg）和外加剂。所制成的混凝土密度为1921kN/m3，弹模值在2001000MPa，有较好的变形适应性，28天的抗压强度值大于2MPa，渗透系数在10-610-7cm/s。 自凝灰浆由水泥、膨润土、缓凝剂和水组成，每方灰浆用水泥100250kg、膨润土3050kg，浆液密度为1213 kN/m3，弹模值小于100MPa，有较好的变形适应性，28天的抗压强度值约为0.1MPa，渗透系数在10-6-10-7cm/s。在成槽过程中，该浆液起护壁、悬浮渣削、冷却润滑切削头的作用，槽孔形成后，无需浇筑，自行凝结硬化构成防渗墙。在成槽后的泥浆中加入各种固化材料，即不

5、限制造孔时间，又可根据需要加入各种固化材料和数量凝结硬化形成强度和抗渗性较高的防渗墙，则称之为固化灰浆。 采用直升导管法浇筑泥浆下混凝土时，其配合比多有试验确定，其骨料一般不大于4cm，入槽坍落度多在18-22cm间。相邻导管间距要小于3m，和槽端的间距1m左右。导管埋入混凝土在1-5m间，按每小时不大于2m的上升速度连续浇筑。 3.射水法成墙 射水法成墙机主要由造孔机、混凝土搅拌机和浇筑机组成。利用造孔机的成型器内射水喷嘴形成的高速水流（泥浆）切割土层，成型器上下运动切割修整孔壁，采用泥浆护壁，正循环或反循环出渣。槽孔成型后采用导管法水（泥浆）下浇筑混凝土、塑性混凝土或钢筋混凝土形成防渗墙。

6、槽形长为150200cm，厚为2260cm，深度可达30m。适应于砂、土层和粒径小于100mm的砂砾石地层，垂直精度为1/300，二序槽孔采用成型器侧向喷嘴冲洗一序槽孔侧壁进行连接。每台班工效可达5070m2，水泥用量为100kg/m2，造价为150170元/m2（厚22 cm混凝土墙）。 4.锯槽法成墙 锯槽法采用锯槽机，主要由近乎垂直的锯管在功率较大的上下摆动装置，或液压装置（又称液压开槽机）驱动下，锯管设置的刀刃切割地层，随锯槽机根据地层状况按0.140cm/min的速度向前移动开槽。采用泥浆护壁，正循环或反循环出渣。槽厚可为1840cm，深度可达40m。槽孔成型后，根据需要可采用导管法

7、水（泥浆）下浇筑混凝土、塑性混凝土或钢筋混凝土形成防渗墙，但需要采用水胀胶囊等隔浆装置隔离开槽区和浇筑区。由于该法连续成槽的特点，可以采用连续铺土工膜（垂直铺塑）和自凝灰浆技术成墙。该法适应于砂、土层和粒径小于100mm的砂砾石地层，垂直精度不会影响其连续性，每台班工效可达50150m2，造价为150250元/m2。 5.链斗法成墙 采用链斗（也可采用旋转式、往复式等方法）开挖沟槽，链斗多为斜卧于槽内，也有直立形式（日本TRD工法）。槽厚可为1650cm，深度可达15m（TRD工法可达60m），该法适应于砂、土层和含30%以下粒径小于槽厚的砂砾石地层。其浇筑混凝土和铺土工膜方法类似锯槽法成墙。

8、 6.薄型抓斗成墙 薄型抓斗斗宽30cm，开度1.72.8m，挖深1640m。采用两序施工，槽段以接头管法连接，槽孔长度一般为58m。适应于砂、土层和砂砾石地层。每台班工效可达80100m2，造价为200300元/m2。 二、桩柱式防渗墙 桩柱式防渗墙可采用回转钻、冲击钻、螺旋钻、多头钻、搅拌钻等成孔机具成孔。墙体材料可采用混凝土、钢筋混凝土、塑性混凝土、水泥土等。采用套打连接成墙。 多头搅拌桩薄墙是利用多头小直径深层搅拌机，将水灰比为0.82的水泥浆喷入土体并搅拌成水泥土墙，适用于粘土、砂土、淤泥质土及少量粒径小于5cm砾石地层。其主要技术性能指标如下： 1.主机自重：16t；主机外形尺寸：

9、5.51.918.0m；额定功率：55kW；钻头直径：2030cm。 2.成墙最大深度：18m，成墙厚度：1030cm，渗透系数：10-510-8cm/s，抗压强度：0.3MPa以上，渗透破坏比降：200以上。 3.一般水泥用量为4060kg/m2,造价7090元/m2。 三、预制拼装式防渗墙 预制拼装式可采用锤击、插板机、射水法等机具和工艺成墙，或者采用槽孔中置入成墙。墙体材料有钢板、钢筋混凝土板等。 超薄型插板式防渗墙是采用重型液压振动锤（功率300600kW），将宽度为50100cm的H型钢板，振动插入成槽，形成厚度为8 cm左右的超薄型插板式防渗墙槽体，利用在H型钢板中设置的管路，注入

10、水泥或水泥膨润土浆液构筑成防渗墙。需要配置功率为600kW ,100t的液压起重机，每小时可完成2030 m2,每平米约需100200元。该方法适用于20m内的地层，遇到薄砂砾石层或卵石需要更大功率的顶部振动器，若需嵌入岩石则需进行高压喷射特别处理。 防渗墙质量检测可采用施工质量检测（预留水泥土试块、动测法、抽芯法、外观开挖、现场静载法）、位移观测（水平位移观测点、测斜管）、堤后地下水水位观测、围井测试等。第四节 高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术 高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术相似，其主要差别在于采用不同的加料拌和手段。 一、高压喷射灌浆技术 高压喷射法就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后

11、，用高压泥浆泵，通过安装在钻杆（喷杆）杆端置于孔底的特殊喷嘴，向周围土体高压喷射固化浆液(一般使用水泥浆液)，同时钻杆（喷杆）以一定的速度边旋转边提升，高压射流使一定范围内的土体结构破坏，并强制与固化浆液混合，凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体。 固结体的形状和喷射流的移动方向有关。一般分为旋转喷射(简称旋喷)，定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)。旋喷桩主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善地基土的变形性能，使其在上部结构荷载作用下，不至破坏或产生过大的变形。定喷固结体呈壁状，摆喷形成厚度较大的扇状固结体。定喷和摆喷通常用于地基防渗，改善地基土的水力条件及边坡稳定等工程

12、。 （一）加固机理 高喷法如三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体，同时用低压灌浆泵灌入浆液，浆液被高压水、气射流卷吸带入，同时与被搅动土体混合形成固结体。加固地基，形成桩、板、墙的机理可用五种作用来说明： 1.高压喷射流切割破坏土体作用 喷流动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。 2.混合搅拌作用 钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动，与浆液搅拌混合后形成固结体。 3.置换作用 三重管高喷法又称置换法，高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔，土粒排出后所

13、空下的体积由灌入的浆液补入。 4.充填、渗透固结作用 高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙，析水固结，还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。 5.压密作用 高压喷射流在切割破碎土体的过程中，在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层可产生一定的压密作用，使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。 （二）基本种类 按喷射介质及其管路多少可分为单管法、二管法、三管法等，见图57。图57 高压喷射灌浆示意图 1.单管旋喷法 通过单根管路，利用高压浆液（2030MPa），喷射冲切破坏土体，成桩直径为4050cm。其加固质量好，施工速度快和成本低，但固结体直径较小。 2.二管旋喷法 在单管法的基础上又加以压缩

14、空气，并使用双通道的二重灌浆管。在管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴，高压浆液以20MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出，在射流的外围加以0.7MPa左右的压缩空气喷出。在土体中形成直径明显增加的柱状固结体，达80150cm。 3.三管旋喷法 使用分别输送水、气、浆三种介质的三重灌浆管。高压水射流和外围环绕的气流同轴喷射冲切破坏土体，在高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流，进行水、气同轴喷射，可以减少水射流与周围介质的摩擦，避免水射流过早雾化，增强水射流的切割能力。喷嘴边旋转喷射，边提升，在地基中形成较大的负压区，携带同时压入的浆液充填空隙，就会在地基中形成直径较大、强度较高的固结体，起到加固地

15、基的作用。 （三）浆液材料 水泥是喷射灌浆的基本材料，水泥类浆液可分为以下几种类型。 1.普通型浆液 一般采用普通硅酸盐水泥，不加任何外加剂，水灰比一般为0.8：11.5:1，固结体的抗压强度(28d)最大可达1.020MPa，适应于无特殊要求的工程。 2.速凝早强型 适于地下水位较高或要求早期承担荷载的工程，需在水泥浆中加入氯化钙、三乙醇胺等速凝早强剂。掺入2%氯化钙的水泥土的固结体的抗压强度为1.6MPa，掺入4%氯化钙后为2.4MPa。 3.高强型 喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上。可以选择高标号的水泥，或选择高效能的扩散剂和无机盐组成的复合配方等。 在水泥浆中掺入24%的水玻璃

16、，其抗渗性有明显提高。如工程以抗渗为目的，最好使用“柔性材料”。可在水泥浆液中掺入1050%的膨润土(占水泥重量的面分比)。此时不宜使用矿渣水泥，如仅有抗渗要求而无抗冻要者，可使用火山灰水泥。 （四）高压喷射灌浆工艺 喷射范围应在现场通过试验确定。高喷固结体的范围大小与土的种类和其密实程度有较密切的关系，不同的喷射种类和喷射方式所形成的固结体大小也不相同。定喷的喷射能量集中，喷射范围较大，参见表56。表56 高压喷射灌浆固结体的特性固结体特性喷灌方法单管法二管法三管法固 结 体 有 效 直 径(m)粘性土0N101.20.21.40.32.00.310N200.80.21.10.31.50.3

17、20N300.60.20.80.31.00.3砂 土0N101.00.21.60.32.50.310N20 0.80.21.30.31.80.320N300.60.21.00.31.20.3砾 砂20N300.60.21.00.31.20.3 单向定喷有效长度(m)1.02.5单桩垂直极限荷载(kN)500600100012002000单桩水平极限荷载(kN)3040最大抗压强度(MPa)砂土1020，粘性土26,砾砂820平均抗折强度/平均抗压强度1/51/10干土容重(kN/m3)砂土1620,粘性土1415,黄土135渗透系数(cm/s)砂土、砂砾10-510-7,粘性土10-610-7

18、粘聚力(MPa)砂土0.40.5,粘性土0.71.0内摩擦角(o)砂土3040,粘性土2030标准贯入锤击数N砂土3050,粘性土2030弹性波(km/s)P波砂土23, 粘性土1.52.0S波砂土1.01.5,粘性土0.81.0 旋喷粘性土固结强度为0.36.0MPa，无粘性土固结强度为415MPa。 对于防渗工程多采用定喷、摆喷，地层含的粒径较粗时多采用摆喷或旋喷。对处理深度大于20m的复杂地层最好按双排或三排布孔，使高喷桩形成堵水帷幕。孔距应为1.73R(R为旋喷固结体半径)，排距为1.5R时最经济。一般定喷、摆喷孔距为1.22.5m，旋喷为0.81.2m。高喷防渗效果一般可达10-51

19、0-6cm/s。 高喷桩桩距应根据上部结构荷载、单桩承载力及土质情况而定。一般取桩距为S(34)d(d为旋喷桩直径)，桩的布置方式可选用矩形或梅花形布置。 高喷灌浆施工钻孔的目的是将灌浆管插入预定的土层中，由下而上进行喷射作业。近来也有用振冲方式成孔直接进行喷射作业的方法。喷射时应注意以下事项： （1）灌浆深度大时，易造成上粗下细的固结体，影响固结体的承载能力或抗渗作用，因而需采用增大压力和流量或降低旋转和提升速度等措施补救； （2）当发现喷浆量不足而影响工程质量时，可采用复喷技术； （3）当冒浆量大于灌浆量的20%时，可采用提高喷射压力、缩小喷嘴直径、加快提升速度和旋转速度等措施，对冒出的浆

20、液，可回收利用； （4）根据工程需要调节喷射压力和灌浆量，改变喷嘴移动方向和速度，控制喷射固结体的形状，即圆盘状、圆柱状、大底状、糖糊芦状、大帽状和墙壁状。（5）喷灌后的浆液有析水现象，可造成固结体顶部出现凹穴，对地基加固及防渗不利。为此，可采用静压灌浆或浆液中添加膨胀材料等措施预防。高压泵是高压喷射灌浆中的关键设备，要求压力和流量能在一定的范围内调节。额定流量为85150L/min；额定压力为2050MPa。高喷灌浆种类单管法二管法三管法适用土质砂土、粘性土、黄土、杂填土、小粒径砂砾浆液材料及配方以水泥为主材，加入不同的外加剂后具有速凝、早强、抗腐蚀、防冻等特性，常用水灰比为1:1，也可使用

21、化学材料。高喷灌浆参数水压力(MPa)20流量(L/min)80120喷嘴孔径(mm)及个数23(12)空气压力(MPa)0.70.7流量(m3/h)1212喷嘴间隙(mm)及个数12(12)12(12)浆液压力(MPa)20200.23流量(L/min)801208012080150喷嘴孔径(mm)及个数23(2)23(12)102(1或2)灌浆管外径(mm)42或4542,50,7575或90提升速度(cm/min)20251030520旋转速度(r/min)约201030520表57 高压喷射灌浆参数一览表 （五）高喷固结体的质量检测 1）开挖检验：待浆液凝结具有一定的强度后，即可开挖检

22、查固结体垂直度、形状和质量； 2）钻孔检查：从固结体中钻取岩芯，进行室内物理力学性能试验。在钻孔中做压水或抽水试验，测定其抗渗能力； 3）标准贯入试验：在旋喷固结体的中部可进行标准贯入试验。 4）载荷试验：静载荷试验分垂直和水平静载荷试验两种。试验时，需在受力部位浇筑0.20.3m厚的混凝土层； 5）围井试验：在板墙一侧增加喷孔，与板墙形成封闭围井，在井中进行压水和抽水两种试验，或观测井内外水位，多用于防渗效果检查。 高压喷射灌浆加固地基技术主要适用于第四纪冲积层、残积层及人工填土等。对于砂类土、粘性土、黄土和淤泥等都能加固。但对砾石直径过大、含量过多及有大量纤维质的腐植土喷射质量稍差，有时甚

23、至不如静压灌浆的效果。 对地下水流速过大，喷射的浆液无法在灌浆管周围凝结，无填充物的岩溶地段，永冻土和对水泥有严重腐蚀的地基，均不宜采用高压喷射灌浆法。 （六）高压喷射灌浆的特点 高喷法具有成本较低，施工速度较快，固结体强度大，可靠性高等优点，与普通灌浆法相比又具有以下特点： 高喷法是利用高速水流强制性地破坏土体形成固结体，在覆盖层中一般不存在可灌性问题；同时由于高速射流被限制在土体破碎范围内，因此浆液不易流失，能保证预期的加固范围和控制固结体的形状；能在钻孔中任何一段内施工，也可以在孔底或中部喷射，此外，也可以水平方向喷射和倾斜方向喷射施工；高喷法通常采用水泥浆液，不会造成环境和地下水的污染

24、，且耐久性较好；施工噪音较小，单管和二管法施工较简便。 二、深层搅拌法技术（水泥土加固法） 深层搅拌法是利用水泥作为固化剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和水泥（浆液或粉体）强制搅拌后，水泥和软土将产生一系列物理 化学反应，使软土硬结改性。改性后的软土强度大大高於天然强度，其压缩性，渗水性比天然软土大大降低。 （一）加固机理 软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理，是基于水泥加固土的物理化学反应过程。减少了软土中的含水率，增加了颗粒之间的粘结力，增加了水泥土的强度和足够的水稳定性。在水泥加固土中，由於水泥的掺量较小，一般占被加固土重的1015。水泥的水化反应完全是在具有一定活性的介

25、质 土的围绕下进行，所以硬化速度较慢且作用复杂。 （二）水泥土的主要特性 1.物理性质 水泥土的容重与天然土的容重相近，但水泥土的比重比天然土的比重稍大。 2.无侧限抗压强度 水泥土的无侧限抗压强度一般为300400kPa，比天然软土大几十倍至百倍，但影响水泥土无侧限抗压强度的因素很多，如水泥掺入量、龄期、水泥标号、土样含水率和有机质含量以及外掺剂等等。 为了降低工程造价，可以采用掺加粉煤灰的措施。掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般比不掺粉煤灰的高。不同水泥掺入比的水泥土，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，强度均比不掺粉煤灰的提高10，因此采用深层搅拌法加固软土时掺入粉煤灰，不仅可消耗工业废料，还可提高

26、水泥土的强度。 （三）施工技术 1. 加固型式 根据目前的深层搅拌法施工工艺，搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三种型式，在堤防上用于地基加固，主要采用桩式，而用于防渗加固，应采用壁状式，壁状式是将相邻搅拌桩部分重叠搭接即成为壁状加固型式，组成水泥土挡墙，这种挡墙具有较高的抗渗性能，可以形成良好的隔水帷幕。 2.施工工艺 （1）湿法施工 主要的施工机械为深层搅拌机。深层搅拌法的施工主要可分为定位、预搅下沉、制备水泥浆、提升喷浆搅拌、重复上下搅拌、清洗等几个步骤，见图5 8。图5 8 深层搅拌加固工艺流程 （2）干法施工 干法是采用水泥粉料，由空气输送，通过搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷出，并随着搅拌

27、叶片的旋转均匀分布在整个空隙轨道面内，进而和原位地基土搅拌并混合在一起。施工机械主要是钻机、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头等。 施工工序主要为 1）柱体对位 2）下钻 3）钻进结束 4）提升喷粉 5）提升结束桩形成体等几个步骤，见图59。图59 粉体喷射搅拌法施工顺序 （四）适用范围 深层搅拌法最适宜加固各种成因的饱和软粘土，常用于淤泥、淤泥质土、粘土、亚粘土等地质的加固，成桩深度可达30m，采用多头小直径桩成墙深度可达18m。 在堤防除险加固工程中，深层搅拌桩适用于处理软基堤防上滑坡段的。同时，还可以组成截渗墙，取得较好的防渗效果。 （五）深层搅拌法主要优点 1.加固效果好，加固方式灵活，

28、适用面广 深层搅拌法可采用不同的加固型式、不同的桩长和置换率以满足不同土质条件和不同荷载要求的加固目的。对河道这种区域狭长、地质条件复杂，对沉降要求较高的工程比较适宜。采用搅拌桩挡土墙作为河岸边坡支护不仅能够保证边坡稳定，还具有防渗功能。 2.施工速度快 一般来说，每台深层搅拌机建造搅拌桩截渗墙的工效达13.2m2/台时。 3.可充分利用原软土，无弃土问题 深层搅拌法是一种原位加固技术，可充分利用原状土，无弃土问题。 4.造价较低 每延长（截面积0.71m3）的深层搅拌桩的造价约为100元左右，按成墙厚度0.22m计,每平方米成墙造价为70余元，比采用垂直铺塑截渗、混凝土墙截渗、高喷水泥土墙截

29、渗的造价低。第五节 地基加固的其他方法 一、振冲法 （一）加固机理 振冲法的主要设备有振冲器、吊车和水泵。振冲器靠底端喷出的压力水（水压400600kPa）的冲击力和振冲器本身重量，使振冲器往下贯入土中。在这个过程中振冲器产生的水平振动力将挤密孔壁土砂层。当振冲器达到预定深度后，往孔内投粗料（如粗砂砾石、碎石、矿渣等），并靠振冲器的水平振动力将粗粒填料挤入周围土层中。随着射水和水平振动力持续时间的延长，土层（混入了粗粒料）越来越密实，振冲器耗电随之加大，当达到设计值后，振冲器就可上提一定距离（30 35cm），再住孔内投料，重复上述过程，直到整个孔均被粗料填满并振冲到一定密实度为止。 振冲法对于砂土主要是提高了砂土的密实度，故对砂土也称振冲挤密法。对于振冲法加固粘性土地基作用机理，主要指“复合地基”作用机理，即投入的粗料（碎石）于土中形成的碎石桩强度大大高于周围土体的强度，碎石桩与周围土体组成“复合地基”，共同承担堤防重量，“复合地基”比天然地基强度大大提高，压缩性大大减小，振冲法加固粘性土也叫振