深厚透水地基对水力充填堤坝渗控的研究与应用

4.4.3.1 深厚透水地基上水力充填堤坝适用的渗控措施研究

1）渗控措施适用性初步分析

从渗流条件上看，青草沙水库承受双向渗流，外坡脚受潮汐风浪作用，地形起伏且多块石等杂物，无干施工条件，铺盖和压土平台这类水平防渗形式不适用。

新建及已建中高滩堤坝承受双向渗流作用，堤身采用砂土充填管袋施工而成，渗透性较大，堤坝外侧为长江侧，潮起潮落，因此水平渗控措施和下游（外侧）排渗措施不具有可操作性，因此只能选择垂直防渗措施。

深槽龙口段结构复杂且多为抛石、钢丝网兜等强透水性或者高强土工抛填袋等特殊性材料施工而成，加上承受双向渗流作用，堤坝两侧坡脚均位于水下，因此也只能选用垂直防渗措施，水平渗控措施和下游排渗措施不具有可实施条件。

老海塘段相对简单，承受单向渗流作用，下游侧为长兴岛岛屿侧，具有干施工条件，上游侧为库内水域侧，不具有干施工条件，因此可以考虑采用下游排渗措施和下游水平压渗措施。同时考虑到老海塘自身填筑历史及填筑特点，因此同时对老海塘堤身进行补强，消除现有的渗漏通道隐患。

2）渗控措施调研

根据工程结构特殊性，对垂直截渗墙的多种工法、近20多种具体施工工艺［深层搅拌桩法（单头、双头、多头）、三轴搅拌桩法、TRD工法、双轮铣深搅工艺、垂直铺塑、射水造墙、抓斗成槽造墙等］进行详细调查，调查结果详见表4-19。

表4-19 常用渗流控制措施（截渗）一览表

（续表）

4.4.3.2 试验工程研究

1）水泥土防渗墙现场试验工程

根据调研及初步分析，水泥土垂直防渗墙比较适合于青草沙水库水力充填堤坝的防渗，但由于水力充填堤坝的特殊性和施工技术理论的不成熟，必须通过试验来验证施工工艺有效性，检验并优化相关工艺的设计参数，明确相关工艺的施工参数，并通过试验工程评价质量检测手段，完善检测方法，建立质量控制及评定标准。

（1）试验目的和要求。

①检验相关工艺的设计参数，如墙体渗透系数、28d抗压强度、抗折强度、变形模量、允许比降、最小墙厚等。

②研究提出相关工艺的施工参数，如水泥和添加料用量、高喷的喷浆压力、旋转和提升速度等。

③通过试验评价分析检测手段，完善监测方法。

④通过现场试验，检验推荐方法对特殊结构的适用性，检验施工工法对土工织物的穿越效果，对施工中发现的问题进行研究，提出相关改进处理措施。

（2）试验工程布置方案。根据现有条件，采用初拟的两种工法（SMW水泥土搅拌桩、高喷法），针对两种特殊堤身结构（吹填土＋砂肋软体排、吹填土＋高强土工布袋装砂＋砂肋软体排）进行试验对比，试验组合详见表4-20。

表4-20 试验内容一览表

现场原型试验平台位于水库内，长120m，宽40m，纵向按不同工艺分为四块试验区，分为双排φ650mm搅拌桩、单排φ850mm搅拌桩、高喷以及塑性混凝土墙试验区，每块试验区长40m；横向按模拟堤段结构的不同分为两个试验部分，一侧为吹填土＋砂肋软体排，另一侧为吹填土＋高强土工布袋装砂＋砂肋软体排，测试成墙工艺对土工材料的适用性。

考虑到吹填堤身沉降固结等因素，原型试验应在试验平台建成2个月后开展。

（3）试验工程研究结论。

①根据三种施工工艺成桩质量及试验成果，φ850mm搅拌桩最好、φ650mm搅拌桩次之，旋喷＋摆喷较差。

②没有切割刀具的搅拌桩钻头，施工时能将土工布呈圆形切割下来；安装切割刀具的，则可以将土工布切割成不规则的条块状，并随着搅拌头、叶片带出土体。

③φ850mm三轴搅拌桩沿堤轴线走向施工时，施工机械荷载作用下的边坡稳定可以满足施工要求。

④从整体上看，检测孔的倾斜程度从大到小依次为：旋喷＋摆喷＞φ650mm搅拌桩＞φ850mm搅拌桩，这在一定程度上与桩体质量的连续性和均匀性有关，因为在钻机钻进时，钻头有倾向薄弱桩体方向的趋势，连续性和均匀性较好的φ850mm搅拌桩在检测时比另外两种桩型更容易保证垂直度；较大的桩径更能保证钻孔真实反映成桩质量。

2）龙口段钢板桩现场试桩

由于东堤深槽龙口段堤身结构复杂，夹有抛石层和多层水力充填袋砂层，透水性强且结构不均匀，初拟推荐采用强度高、适应变形能力强的钢板桩防渗墙方案。

防渗墙推荐采用热轧U形钢板桩（拉森锁口）形式，热轧U形钢板桩设计参数初拟为厚度不小于13.4mm，具体厚度根据现场试桩确定，单桩有效幅宽不小于600mm，钢材屈服强度不小于390N／mm2。(www.xing528.com)

这个方案能否成立，取决于沉桩的可能性及对已建堤的变形影响，为此开展了现场原位试桩研究，目的是：

（1）在新建东堤复杂堤身结构中，钢板桩沉桩的可行性；

（2）钢板桩沉桩的设备、工艺、施工方法及施工控制要点；

（3）钢板桩桩型和相应的止水添缝材料等；

（4）为钢板桩沉桩的质量检测提供参考。

试桩施工共进行了两次：第一次采用震动法直接施打钢板桩；第二次采用先行钻孔、三轴搅拌桩施工和打桩机悬挂液压振动锤在初凝后的三轴搅拌桩内插入钢板桩。两次研究结论是：

第一次试桩表明，在东堤采用震动法施打钢板桩防渗墙是可实施的，同时也验证了日本产SP-U600× 210×18.0型钢板桩是可用的，而类似试桩设备条件施打欧洲产SP-U750×220×12.0型相对困难。但是，由于沉桩振动，路面发生较大沉降，已建的电缆沟及防浪墙也发生了效大的沉降和水平位移变形。沉降变形对已有结构的不利形象在一定程度上超越了可接受范围，表明直接振动沉桩法对东堤不适宜。

第二次试桩表明，东堤先行钻孔后可以实施三轴搅拌桩，但沉桩质量存在一定不确定性，桩体在透水层和抛袋层高程范围有可能形成缩颈。在三轴搅拌桩中实施拉森钢板桩仍然有相当大的难度。振动功率大、桩身厚且顺直的桩相对容易施工，三轴搅拌桩中沉桩也更容易，振动影响明显小于直接沉桩，但对前一根桩的垂直度及三轴搅拌桩的强度（龄期）要求严格，一般情况下振动仍然明显，采用仍有风险。

4.4.3.3 深厚透水地基上水力充填堤坝渗控措施应用

试验和计算表明，没有渗控措施的水库堤坝在渗流作用下主要存在以下三个方面的隐患：①出逸点过高导致的散浸问题；②出逸比降过大导致的渗透破坏问题；③浅层弱透水层承受过大水头引起的抗浮稳定不足问题。

渗流控制的原则是前堵后排、保护渗流出口，即控制堤坝的堤身与堤基内的渗流状态，使渗流水头和渗透比降等均在允许的范围内以确保堤坝的安全稳定。

通过渗流计算可知，水力充填堤坝堤坡出逸段可能出现渗透破坏，坡脚部位出逸比降不满足规范要求，堤身与地基接触面会发生接触冲刷破坏，因此，必须有针对性地采取渗控措施，防止渗透破坏。

对工程措施而言，截渗墙的施工不仅需要截渗质量可靠，还须考虑堤身及堤基的特殊工程条件，施工工艺须解决以下几个核心问题：①堤身和堤基多为砂性土，对成槽工艺不利，易塌孔；②堤身均采用充砂管袋结构，成墙工艺必须能有效突破土工布，避免土工布夹杂对墙体强度的不利影响；③在技术合理可行的前提下，必须做到经济也合理，尽量降低工程造价。

为此对垂直封闭截渗墙的多种工法、近20多种具体施工工艺进行详细调查，主要分析研究了高喷法、深层搅拌桩法、三轴搅拌桩法、TRD工法、双轮铣深搅工艺、钢板桩、垂直铺塑、射水造墙、抓斗成槽造墙等工法的适应性。针对工程结构特殊性，初选定了三轴搅拌桩法、高压旋喷桩法和高压摆喷桩法三种工法在现场构造施工场地进行试桩，试桩场地完全按水力充填堤坝构造特点进行建设。试桩主要对上述三种工法功效、施工质量、固化剂参量和相应施工参数进行了分组对比，同一工法又进行不同设计参数的对比。

试桩后质量检测表明，三轴搅拌桩具有桩架设备稳重、垂直度易控制、墙体均匀性和连续性好、质量可控性强且造价低廉等诸多优点，尤其对水力充填堤坝内土工织物管袋堤基上排布切割效果较好，因而最终选定三轴搅拌桩作为垂直截渗墙的主要施工工艺。

因堤顶总宽度为9.5m，且库内侧布置有防浪墙和电缆沟，不满足三轴搅拌桩的工作面要求。研究通过利用堤坝外坡平台搭设支架平台解决这一问题。

针对各堤段自身条件和渗流主要矛盾，结合施工技术和质量控制能力，因地制宜确定工程方案，具体如下：

1）两面邻水的新建堤坝

北堤采用单排三轴搅拌桩防渗墙（φ800＠600）形成封闭式垂直防渗墙，水泥掺量20％，墙体渗透系数小于5×10－6cm／s，28d抗压强度0.5～1MPa，允许比降大于30；防渗墙顶高程7.3m，底部进入下卧淤泥质黏土层2m，防渗墙平均长度达26m以上。北堤典型渗控设计断面见图4-45。

图4-45 北堤典型渗控设计断面图

2）两面邻水的老堤

中央沙堤坝采用单排三轴搅拌桩防渗墙（φ800＠600）形成封闭式垂直防渗墙，水泥掺量20％，墙体渗透系数小于5×10－6cm／s，28d抗压强度0.5～1MPa，允许比降大于30；防渗墙顶部高程7.3m，底部标高－17m。典型设计断面见图4-46。

图4-46 中央沙典型渗控设计断面

3）深槽龙口段

考虑到东堤水力充填砂袋堤身夹有2m厚抛石层、双向挡水最大水头差6.5m，透水性极强，采用了钻-喷-铰相结合的“两列（三轴搅拌桩）一夹（高压旋喷桩）”新型防渗墙结构，三轴搅拌桩桩长约25m， φ800＠600，水泥掺量20％，通过改进钻进工艺和切割方法，解决了抛填砂袋中三轴搅拌桩施工成型。东堤典型设计断面见图4-47。

图4-47 东堤典型渗控设计断面

4）单面邻水的老海塘

老海塘段加高加固采用库内侧加固（结合式断面）和库内新建（分离式断面）两种形式。分离式断面，新老堤之间填平处理后无须专门防渗处理。结合式断面在通过对“填土压重”措施以及“贴坡排水”措施的深入技术经济比选后，选定采用简单可靠的“填土压重”渗控方案，并采用高压旋喷灌浆工艺进行堤身的动、植物洞穴等封堵，旋喷顶标高7.3m，底标高0.0m。典型渗控设计断面见图4-48。

图4-48 长兴岛海塘结合式典型渗控设计断面