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1、长江堤防建设垂直防渗技术评述 蒋振中 ( 中国水利水电基础工程局) 摘要 通过对多 个工地和多 项垂直防渗技术的考察研究， 对堤防垂直防渗技术进行述评， 对 勘探、 质检等工作进行探讨。 关 . 词 堤 防 垂 直 防 渗 丝 笙 长 江 长江堤防建设正在大规模展开， 其中的垂直防渗工程是加固堤防的重要措施， 笔者近几年 来对堤防垂直防渗技术做了 一些研究， 2 0 0 0 年a 月又考察了长江堤防建设十余个工地， 收集 了 一 些 资 料。 拟 对 该 项 技 术 做 一 个 综 合 性 评 述， 并 对 长 江 捍 防 建 设 提出 一 些 建 设 性的 意 见 。 一、 堤防垂直防渗技术
2、简介 在 堤 防 建 设 重 点 防 渗 工 程 中 由 于 其 具有 工 程 量 大、 承 受 水 头 较 小 且 历 时 较 短 等 特 点， 有 别 于其它水利水电 工程的基础处理， 所以 不少单位都在9 0 年代初开始致力于开发适应堤防 垂直 防渗要求的设备和工艺， 其中比 较有代表性的是福建水利系统开发的射水成槽机、 东北岩土公 司 研制的 锯槽机， 辽宁、 山 东等省水利系统开发的 链斗式挖槽机等。近年来， 为适应大规模堤 防 建设的 需要， 不少 单位又 陆 续开发出了 多项垂直防 渗的 新技术， 这些 技术的 共同 特点 是所建 造的防渗墙墙体薄、 造价低。 按其形成的防渗幕体
3、的特性， 可大致分为混凝土地下连续墙、 浆 体地下连续墙、 水泥土防渗墙、 高压喷射灌浆防渗墙和垂直开槽铺膜5 种。 由于 设备和工艺不 同， 这些技术可进一步细分， 见图1 0 混凝土地下连续墙 堤防垂直防渗 浆休地下连续墙 水泥土防渗墙 - 高喷灌桨防渗墙 垂直开槽铺膜 薄形抓斗 机械/ 液压) 射水成槽机 链斗( 刮板) 式挖糟机 锯槽机 液压/ 机械) 冲击反循环钻机 振动板桩( 电 动/ 液压) 振动切槽 振动沉模 单头或多头深层搅拌 钻子 L I 振孔高喷 刮板式 / 往复式 圈1 提防 垂直防渝技术分类圈 二、 长江堤防地层的特性 在长江堤防建设中， 通过勘察揭露的堤身及其基础的
4、主要地层有侏罗系中下统， 白奎系下 统， 第三系、 第四系下更新统， 全新统和近代人工堆积层。由于长江中 下游多数堤段的地基第 四系地层的厚度较大， 从技术和经济的可行性和必要性出发， 设计单位确定的堤防的垂直防渗 系统也多为悬挂式， 其深度在2 0 m以内。在其处理范围内， 地层上部主要由粉质翰土、 粉质壤 土、 砂镶土组成， 并有粉细砂层或透镜体， 也有少数堤段地层中有淤泥， 淤泥质勃土地层。下部 主要由砂壤土和粉细砂层组成。 少数堤段由 于基岸埋藏较浅， 设计确定的 垂直防渗系统穿透覆盖层嵌入基岩， 其深度一般 都超过2 5 m， 个别堤段( 如咸宁邱家港段) 达到3 7 m 。 其地层
5、上部与上述悬挂式防渗幕墙相同， 下部有厚度不等的中、 粗砂， 砂砾石和卵砾石层。 有的堤段垂直防渗系统是从堤顶开始施工， 所穿过的堤身为近代人工堆积层， 主要由 粉质 戮土、 粉质壤土、 砂壤土构成， 不少堤段内含有瓦砾、 树根和建筑垃圾。 三、 对各种垂直防渗技术特点及适用性的评述 各种垂直防渗技术尽管都有其自 身的特点和优势， 但对不同的地层而言， 其经济和技术上 的适用性都是有一定的范围的。 下面拟对已用于长江堤防建设的主要垂直防渗技术做一简要 的评述。 ( 一1 深层搅拌 具有施工设备市场占 有量大， 施工速度快， 造价低廉等优点。 但对该技术形成的水泥土防 渗帷幕均匀性和底部的连续性
6、应引起足够的重视。 该技术适用于粉细砂以下的细颗粒地层， 处理深度一般不超过2 0 m ， 其成墙平均效率一般可达2 0 0 澎/(台旧 ) 左右 ( 二) 锯抽机 这是一种连续成槽， 分段成墙的技术。 具有墙体连续性好、 施工速度较快、 造价适中等特 点。 在 施工中， 墙段之间 分隔 体的 建 造是该项技术成败的 关键。 实践证明 柔性分隔 体优于刚 性分隔体。 该技术如用在填筑质量较差或堤坡较陡的堤身中， 可能产生堤身劈裂现象。 其适 用 地 层 汽 不 含 或 具 有 猫 性 土 的 细 颗 粒 地 层， 处 理 深 度 一 般 在2 0 m 以 内 。 在 长 江 大 堤 和 县 牛
7、 屯 河堤段达到2 7 m， 其成墙平均效率可达 1 3 0 . 2 / 台 日 ) 左右。在地下障碍物较多的地层中 施 工， 由 于起下锯杆频繁， 成墙效率将大幅下降， 甚至不能使用。 三) 链斗式挖植机 其特点、 弱点和适用地层与锯槽机相近， 成墙平均效率在相同地层中高于锯槽机， 如在和 县牛屯河堤段达1 8 0 . 2 / ( 台旧 ) 。 该技术处理深度较浅， 一般不超过1 5 m 。 在施工中， 应注意 清除干净链斗( 或刮板) 在切割地层时散落在槽底的钻渣， 以确保墙底质量， 清孔方法可用反循 环泵吸法。此外， 由于链杆较长， 如防渗帷幕轴线为一曲线时， 机械转弯比较困难， 成墙效
8、率较 低， 也易出机械事故。 这种设备既可建造混凝土地下连续墙， 也可用于铺设防 渗薄膜。 四) 射水机 这种设备和技术经多年的研究和改进， 已由最初的射水正循环排渣第一代机型， 发展到了 现在的射水反循环排渣的第三代机型。 就第三代机型而言， 它具有地层适应性较强、 工效较 高、 成本适中 等特点， 但其最大的弱点是墙体的接缝多且为平接， 墙段底部的连接是一种隐优。 一1 3 一 其适用范围主要是不含卵石的砾石层以下的细颖粒地层， 处理深度一般在2 0 m以内， 成墙平 均效率一般在1 0 0 - 1 5 0 , Z / ( 台 日) 之间， 福建水科所研制的第四 代射水成槽机性能有较大的
9、改进， 可钻进卵砾石层， 在江西赣抚大堤第二标段施工中， 地层中有厚达1 0 余m的卵砾石层， 其平均效率仍可达1 3 0 时汉台旧 ) 左右。 ( 五) 振动切. 振动切槽与振动板桩、 振动沉模的工作原理是一样的， 即通过振动锤将切头( 或板桩、 模 板) 插人地层中， 挤压成槽， 同时注人水泥砂浆( 或水泥浆) 以形成连续的墙体。该技术具有工 艺较简单、 施工速度很快、 造价低、 墙体连续性好等特点。该技术主要适用范围是一般钻性土、 粉土、 松散至中密的砂土等地层， 处理深度一般不超过2 0 m 。所形成的 墙体厚度一般不超过 2 0 c m ， 在长江堤防彭泽芙蓉堤、 黄岗黄州堤建造厚1
10、 5 。 左右的墙体， 其平均工效高达4 0 0 m 2 / ( 台旧 ) 左右。 该技术用于厚度较大、 含水量和灵敏度高的淤泥等软土中时， 必须制定防止缩 孔、 断坡等保证质量措施。遇标准贯人度N值较大且厚度较大的 砂土、 勃性土层时， 其施工效 率将会大幅降低以致不适用。国内使用的振动锤一般为电动， 其功率一般不超过9 0 k W， 而国 外使 用的 液压 振动 锤功率可达3 0 0 一 5 0 0 k W， 用这种振动锤建筑薄 板墙， 效率更高， 且能穿透 砂砾石层， 当然其造价也由于设备购置费用高而大幅度增加。在堤身用振动切槽及类似方法 时， 注意因振动对土体的破坏作用而产生滑坡事故，
11、 浙江某工程已 有这样的报道。 ( 六) 薄型抓斗 具有地层适应性最广、 墙体连续性好、 墙体质量易于控制和检查、 施工速度较快等特点， 但 由 于最小施工墙厚为3 0 c m ， 且设备购置费高， 以致造价相对较高， 从长江堤防施工看， 如采用 “ 纯抓” 法或“ 两钻抓” 法， 所有的地层都能适应， 成墙深度可达4 0 m ， 平均工效因地层而异， 在 1 0 0 - 3 0 0 m z / ( 食日 ) 之 间 。 除 此 之 外 ， 抓 斗 的 机 况 好 坏 对 施 工 效 率 有 较 大 的 影 响 ， 如 和 县 牛 屯河段堤防， 机况好的单机平均效率达1 8 0 m Z / (
12、 台 日) ， 而最低者仅为1 2 0 m Z / ( 台 日 ) ， 相距 甚远， 用抓斗建筑薄防渗墙， 其墙段连接方法， 在3 0 m以内可用接头管法， 大于3 0 m， 可采用大 角度摆动高压喷射或其它方法。 ( 七) 离压喷射瀚桨 具有对地层适应性强， 设备购买费少， 施工速度快， 适于在地下障碍物较多的地层中施工 等特点， 不足之处是造价较高， 且在孔深时其质量难以控制和检查。这种技术可用于长江堤防 垂直防渗的各种地层， 在帷幕深度较浅( 2 0 m ) 且有较大颖粒( 卵砾石) 地层中， 可用钻孔高喷技术。 ( ，)冲 击 反 循 环 钻 机 该技术与第三、 四 代射水成槽机的工作
13、原理有相近之处， 即 用反循环排渣， 可以钻进卵、 砾 石层， 不同 之处一 是用钥丝 绳悬吊 板 式钻头冲 击破 碎地 层， 所以 其钻进深度 较大， 可达3 0 m左 右; 二是它可以 按主孔钻进一副孔劈打的方法形成b -1 0 m长的槽孔， 墙段连接可采用接头管 法， 更为可靠。此技术已 在黄岗长孙堤试验成功， 证明可以在厚中细砂、 卵砾石和砂岩中成槽。 综上所述， 笔者对长江堤防垂直防渗施工技术提出下述建议: ( 1 ) 对于深度不超过2 0 m的细颗粒地层， 墙的厚度较小时， 可优先考虑深层搅拌和振动切 槽( 或振动板桩) 技术。 ( 2 ) 对于深度不超过2 5 m的细顺粒地层，
14、以采用锯槽机或射水机成槽为宜， 也可使用抓斗 薄墙技术。 ( 3 ) 对于深度超过2 5 m, 墙厚在3 0 c m以上， 且地层中有较厚中、 粗砂卵砾石层且要嵌人基 岩的工程， 以抓斗薄墙最为适宜。 四、 几个技术问题的探讨 ( 一) 对堤防地基勘察工作的一点建议 在对堤身和堤基进行勘察时， 一般都是通过钻孔取原状土样， 然后再对地层进行分类， 并 在试验室内对试样的物理力学性质进行测试， 用这些资料为设计和施工提供依据。从施工角 度 出 发 ， 在 选 用 设 备 和 确 定 工 艺 时 ， 十 分 关 注 的 一 是 地 层 成 芬 ， 二 是 地 层 的 密 实 程 度 。 对 这 第
15、 二点， 虽然也可从试验室测定的数据了解， 如粗粒土可按相对密度判其密实度， 而细粒土可用 液性指数判别其软硬程度等。但由于原状土样的取样在某些地层中如砂砾、 卵石层比较困难， 难以 提供比 较完全的资料， 更难以与地层的工程特性( 可钻性) 建立相关关系。 所以在国外和 国内 城建行业， 对第四系地层勘察时， 都进行动力触探试验， 通过标准贯人度和圆锥动力触探 侧定锤击数N值， 对土层的物理力学性质， 特别是密实程度进行判别， 并依此确定其可钻性， 如抓斗可建立其纯钻效率与N值的相关曲线， 振动沉管桩也可用N 值判定其适用性等等。 笔者建议: 我们在对堤防进行地基勘察时， 也宜进行动力触探试
16、验， 并提供相应的资料。 二) 场体连续性问题 对于堤防 垂直防渗系统， 由于其主要功能是防渗， 所以其连续性是十分重要的。对于不同 的技术， 确保墙体连续性方法和关键也是不同的: ( 1 ) 抓斗薄墙， 其关键是控制好槽端头孔斜率， 一般为5 9 6 0 以 下， 确保接头管成孔的质量; ( 2 ) 对链斗式挖槽机和锯槽机薄墙， 要十分注意分隔体的施工质量; ( 3 ) 深层搅拌和振动切楷， 要严格工艺， 确保工序质量， 特别要保证搅拌轴和振动切杆的 垂 直度， 另外对注人浆液的配比和注人量要严格控制; ( 4 ) 射水法， 在孔深较深时， 应对成槽孔斜率进行测定; ( 5 ) 高压喷射灌浆， 应注意测定钻孔的孔斜率， 一般应控制1 %以内。 三) 摘体质t检查 堤防的 垂直防渗系统， 墙体很薄， 一般不超过3 0 c r n ， 加之墙体材料多为水泥土或塑性混凝 土， 强度较低， 所以对其质量检查有一定的 难度。建议采用以下手段和方法进行检查: ( 1 ) 开挖试坑对墙顶进行直观检查， 主要检查墙体厚度与连续性， 试坑深度不宜超
