射水法造孔影響因素的探討

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　前言

　　射水法造墻機(jī)是一種在砂質(zhì)軟土地基建造地下砼連續(xù)防滲墻的機(jī)具，它主要由在同一軌道上電動行走的造孔機(jī)、混凝土澆筑機(jī)、混凝土拌和機(jī)組成。射水法造墻機(jī)的技術(shù)原理是，利用水泵及成型器中射水裝置形成高速射流的沖擊力破壞土層結(jié)構(gòu)，水土混合物回流泥沙溢出地面，同時(shí)利用卷揚(yáng)機(jī)操縱成型器不斷上下沖動，進(jìn)一步破壞土層并切割修整孔壁，造成有規(guī)格的槽孔，且用一定濃度的泥漿固壁，隨后采用常規(guī)的水下砼直管澆筑法，建成砼或鋼筋砼單槽板，利用成型器側(cè)向特殊裝置將單槽板連成地下砼或鋼筋砼連續(xù)防滲墻。

　　射水法造墻機(jī)由福建省水科所研制，射水法造墻已在包括黃河、長江在內(nèi)的國內(nèi)諸多大中城市堤防上應(yīng)用，已造墻200多萬m²，受到國內(nèi)同行的認(rèn)可與贊譽(yù)。現(xiàn)結(jié)合其在九龍江下游防洪堤三期工程的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行幾個(gè)方面的探討。

　　1、工程簡介

　　該工程位于九龍江西溪和北溪的下游，是以保護(hù)漳州市區(qū)防洪安全的基礎(chǔ)設(shè)施。共分為七個(gè)堤段，其中屬于西溪流域的有五個(gè)堤段，分別為：康山土堤段長5.038km；漳州石堤段長2.175km；下洲土堤段長3.0km；步文土堤段長6.4km；漳州南岸土堤段長1.33km.屬于北溪流域的有二個(gè)堤段，分別為：內(nèi)林土堤段長3.42km；吳浦土堤段長0.22km.

　　漳州市區(qū)防洪堤始建于1959年，1962年基本建成，1964年至1965年間進(jìn)行了續(xù)建配套，1973年至1974年及1982年進(jìn)行了加高培厚，1985年進(jìn)行了石堤堤基的防滲處理，1996年堤防工程除險(xiǎn)加固后，具有一定的抗洪能力，但個(gè)別堤段標(biāo)準(zhǔn)偏低，存在堤身堤基滲漏及河障阻水嚴(yán)重等問題。為提高防洪能力，發(fā)揮整體效益，確保漳州市人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，興建本工程是必要的。工程按照新的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加固擴(kuò)建，建設(shè)內(nèi)容是對堤身加高培厚（包括新做防浪墻和原有防浪墻加高加厚），堤身堤基防滲處理，防汛道路修建和堤身建筑物的加固改造?，F(xiàn)工程建成后，保護(hù)市區(qū)防洪堤的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)由原50年一遇提高到百年一遇，漳州南岸堤段的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)由20年一遇提高至50年一遇，形成以保護(hù)漳州市區(qū)防洪安全為主要目標(biāo)的完整防洪體系。

　　本次射水法造墻主要集中在步文土堤段和內(nèi)林土堤段，步文土堤段長6.40km，設(shè)計(jì)堤頂寬為5.0m，堤頂高程為9.47～10.70m，迎、背水坡比均為1：2.0.除1996年堤防工程除險(xiǎn)加固時(shí)已采用射水法打防滲墻的堤段（樁號1+415.7～1+404）；尚未打防滲墻的堤段（樁號1+404～6+297），采用射水法建造地下懸掛式砼防滲墻，設(shè)計(jì)深度8～12.0m，總面積近4.0萬平方米。工程設(shè)計(jì)墻體厚度0.22米，墻體砼強(qiáng)度10Mpa，墻體防滲系數(shù)為K=10-6cm/s，墻體垂直度小于1/300.

　　2、工程地質(zhì)概況

　　該段地質(zhì)經(jīng)勘察揭示地層均為第四紀(jì)沖洪積層及人工填土所覆蓋，堤基地層自上而下依次主要為：雜填土、粘土（淤泥層）、中砂層、卵礫石和花崗巖全風(fēng)化土。

　　第一層：雜填土，分布于表層，厚1～2米，含磚瓦碎塊垃圾等，極不均勻、松散、具有小孔洞。

　　第二層：粘土、淤泥層，分布于雜填土下部，灰黃色灰色，厚4～7米左右，較穩(wěn)定，表層粘土與下伏淤泥呈過渡關(guān)系，天然含水量50%～60%，高于液限，呈流塑和軟塑狀態(tài)，比重2.61，干重度1.52～1.55X10KN/m³，孔隙比為1.4～2.0，內(nèi)聚力14.0Kpa，內(nèi)摩擦角1°43′。

　　第三層：中、粗砂層，厚度大，5～9米左右，以中、粗砂粒為主，含部分細(xì)砂，底部含少量礫石，該砂層夾有層厚0.5～4米不等的粘土和淤泥，以薄夾層（1～10㎝）多見，延伸不遠(yuǎn)，砂層比重2.63～2.67，干重度1.7～1.8X10KN/m³，孔隙比為0.81～0.88稍密-松散。不均勻系數(shù)一般為5～6，少量大于12，位于高程-10～0.0米。

　　第四層：卵石層，分布廣，厚度4～9米，粒徑2～7㎝，磨圓度好，成分較雜，分選性差，含有礫石、砂。

　　第五層：殘積層，花崗巖（花崗閃長巖）全風(fēng)化土，粉質(zhì)土，含少量砂粒和粘粒，濕重度1.83X10KN/m³，內(nèi)聚力15Kpa，內(nèi)摩擦角22°。

　　由工程地質(zhì)資料表明，堤基地質(zhì)條件復(fù)雜，透水層深厚，為解決堤身堤基滲漏問題，非常適合采用射水法造墻機(jī)建筑地下懸掛式垂直防滲墻。

　　3、影響因素及施工準(zhǔn)備

　　工程自1999年8月底開工，采用射水法造墻二代機(jī)造墻，2001年3月完工。工程吸收了1996年造墻施工過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，把重點(diǎn)放到造孔和孔壁穩(wěn)定上，充分認(rèn)識到造孔和孔壁穩(wěn)定是防滲墻施工中的主要和關(guān)鍵，它受地層等自然條件影響最大，是影響工期、工程成本，甚至決定工程成敗的重要因素。影響造孔和孔壁穩(wěn)定因素主要有：

　?、拍酀{的質(zhì)量

　?、频叵滤坏母叩?/p>

　?、强妆谕馏w的組成和密實(shí)度

　　⑷孔長度

　?、煽卓诘孛婧奢d（如吊車、裝載機(jī)、輔助施工設(shè)施等）

　　以上各因素中，孔壁土體的組成和密實(shí)度、孔長度是由各堤段實(shí)際和采用的造墻機(jī)確定的；因此，工程指揮部制訂了施工堤段禁止通車，同時(shí)施工單位也在施工場地劃定了限制范圍，禁止有關(guān)施工機(jī)械和載重車輛靠近。下面談泥漿的質(zhì)量和地下水位的高低對造孔和孔壁穩(wěn)定影響：

　　4、泥漿的質(zhì)量影響

　　泥漿固壁機(jī)理：泥漿固壁即在槽孔施工的過程中，保持孔壁的穩(wěn)定，其機(jī)理是槽孔內(nèi)的泥漿壓力高于所在地層的地下水壓力，使泥漿滲入槽壁土體中，其中較細(xì)的顆粒進(jìn)入孔隙中，較粗的顆粒附著在孔壁上，形成泥皮。隨著泥皮厚度的增加，對水的流動阻力也會增加，最終達(dá)到了平衡，水不再進(jìn)入地層，泥漿與土層被泥皮隔開。泥漿所產(chǎn)生的側(cè)壓力通過泥皮作用在孔壁上，保證了槽壁的穩(wěn)定。

　　泥漿之所以能保證孔壁穩(wěn)定，其主要依據(jù)：

　　①泥漿靜壓力（固壁側(cè)壓力，取決于泥漿水頭和泥漿密度）；

　　②泥漿的強(qiáng)度（孔壁失穩(wěn)時(shí)，泥漿受到擠壓，泥漿強(qiáng)度有陰止孔壁滑塌的作用）；

　?、勰嗥?qiáng)度（泥皮有一定的粘接強(qiáng)度可以阻止孔壁滑塌）；

　?、苣酀{流動的拖曳力（向上的拖曳力有利孔壁穩(wěn)定，向下的拖曳力對孔壁穩(wěn)定不利）。

　　1999年9月，在九龍江下游防洪堤三期工程步文堤段進(jìn)行堤身堤基射水法造墻施工。該堤段地下-15m～3.0m為中粗砂、卵石層。

　　設(shè)計(jì)從理論上采用泥漿固壁常用的計(jì)算泥漿密度公式計(jì)算：

　　γs=｛γh+［γoα+ （γe-γ）h］×K｝／H

　　式中：γs為泥漿容重，KN/m³；

　　r為水的容重，kN/m³；

　　γo為地基干容重，kN/m³；

　　γe為地基土的飽和容重，kN/m³；

　　H為計(jì)算點(diǎn)距泥漿液面深度，m；

　　α為地下水面距地表面的深度，m；

　　h為計(jì)算點(diǎn)距地下水面的深度，m；

　　K為地基土的側(cè)壓力系數(shù)。

　　公式以孔壁穩(wěn)定為平衡條件，從理論上計(jì)算孔中某一計(jì)算點(diǎn)所需的泥漿密度，即該點(diǎn)的泥漿靜壓力，由公式可看出，h（即地下水位）對計(jì)算結(jié)果影響最大，這里不考慮泥漿固壁其它要素。該施工地段，據(jù)土工實(shí)驗(yàn)得中粗砂層干容重為18kN/m³，飽和容重為21kN/m³，內(nèi)磨擦角為28度，地下水位高程按4.00m，堤頂高程按9.0m計(jì)算。按水利部SL174-96《水利水電混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》要求：造孔時(shí)，所需孔口高程應(yīng)高出地下水位2.0m，采用上述公式計(jì)算（在射水法條件下，因泥漿流出孔口，故H=α+h）。