蓄水池工程水泥土防渗墙试验及施工综述

赵 晋

（山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002）

1 概述

水泥土防渗墙，是使用深层搅拌机械，将地基深处的土体与注入的水泥浆强制搅拌，形成一定厚度的水泥体，使地基满足一定强度和截渗性能。利用土颗粒表面以及颗粒间水泥水化反应生成物，来填充土、封闭颗粒间的孔隙，达到防渗的目的。

汾河太原段综合治理三期工程（水利工程部分）1号蓄水池工程，施工七标水泥土防渗墙，北起祥云桥下游500 m，南到小店桥下游2.0 km。东岸轴线长度约6.988 km，西岸轴线长度约6.335 km，最大孔深24.0 m，合同工程量169 151.00 m2。工程区地处太原—晋中断陷盆地北端，地貌单元属汾河洪冲积平原区。目前地表处于相对稳定期，区域稳定性尚好。

根据设计要求，防渗墙主要指标：有效墙厚度不小于20 cm；渗透系数K≤A×10-6cm/s（1＜A＜10）；水泥搅拌桩抗压强度要求不小于0.5 MPa。

为满足设计要求，前期进行了室内原材料检测及配合比设计，以确定水泥掺合量。现场试验验证了所选用的施工设备和施工工艺，针对本工程地质条件的可行性，验证了施工技术参数的可靠性。主要施工参数：水泥掺入比、水泥浆的水灰比；搅喷次数；下沉速度、提升速度与水泥浆液注浆量的关系。

2 室内试验

2.1 原材料

水泥：一定比例的水泥和土均匀搅拌后，在土中水的作用下，发生一系列物理化学反应，新化合物的产生改变了土体原有结构，使之成为较高强度、低渗透性、整体性和水稳性好的水泥固化材料，试验所选用的P.O.42.5水泥理化性能检测结果符合《普通硅酸盐水泥》（GB 175-2007）的标准要求，其检测结果见表1。

表1 水泥理化性能试验结果表

土样：依据《土工试验规程》（SL 237-1999）要求，粒径小于5 mm的土，用比重瓶法进行土样比重试验，经试验所取土样比重为2.68。颗粒分析试验是测定干土中各种粒组所占土总质量的百分数，以明了颗粒大小分布情况，以供土的分类、判断土的工程性质及选料之用，采用筛析法（适用于粒径大于0.075 mm土样）和密度计法（适用于粒径小于0.075 mm土样）联合测定该土样颗粒大小，其颗分曲线见图1。

经试验得出该土样砂粒（2.0 mm≥d＞0.075 mm）占84.7%，粉粒（0.075 mm≥d＞0.005 mm）占13.9%，粘粒（d≤0.005mm）占1.4%，d为粒径，该土样砂粒占比大。

2.2 配合比设计

参考山西省前期类似工程，以水泥掺量分别为10%、12%、15%进行水泥土配合比试验，根据试验结果确定水泥掺量。要求其抗压强度大于0.5 MPa，配合

图1 土样颗分曲线

比用料单见表2。

表2 配合比用料单

按照设计配合比成型试件（外观尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每组三块取平均值），在龄期为7 d和28 d时进行了立方体抗压强度试验，利用变水头法测定渗透系数，其结果见表3。

表3 强度及渗透系数结果表

从试验结果看，三种掺量下强度及渗透系数均可满足要求，考虑到本工程地连墙的主要功能是防渗，且地质主要成份为粉砂层，在施工中采用15%水泥掺量。

3 现场试验

3.1 施工设备

根据国内深层搅拌机械能力状况，并结合本工程地质条件和搅拌桩设计指标，拟选用三头深层搅拌桩机施工。试验设备主要技术参数见表4。

3.2 实施方案及流程

拟采用三轴桩机，二搅二喷的施工工艺，施工流程：施工准备，测量放线，安装深层搅拌机，搬迁、就位，建造水泥浆制浆站，水泥浆拌制，输送水泥浆，下沉喷浆（进行一喷一搅，边喷浆边切土搅动拌合，按设计确定的提升速度进行提升，同时控制注浆量），二喷二搅，停止送浆，质量检查，关闭搅拌机，下一个搅拌桩（分序加密法），质量跟踪检验。

表4 SJB－III深层搅拌机械技术参数表

3.3 桩孔位布置

试验段按三幅试验桩联体形式布置，试验桩布置见图2。

图2 试验桩布置方式示意图（单位：cm）

3.4 施工参数的选择

3.4.1 水泥掺入比选择

经前期试验得知，水泥掺入比分别为10%、12%和15%，三种配合比均满足设计的防渗指标，保守采用15%水泥掺量。

3.4.2 水泥浆液的水灰比选择

水灰比设计为1∶1的浆液，施工质量满足设计要求。

3.4.3 搅拌次数的选择

选用了三轴设备，采用二搅二喷的施工工艺。

3.4.4 下沉、提升速度的参数选择

下沉速度和提升速度，根据设备的出轴转速与浆液注入量控制。搅拌叶宽度为5.5 cm，提升或下沉搭接厚度按0.5 cm计算，搅拌叶的单转搅拌厚度为5 cm，理论上每分钟的提升或下沉速度可以达到215 cm，设备的提升或下沉能力每分钟为1.5 m，可以满足均匀搅拌目的。为保证施工质量，本工程采用提升和下沉速度分别为1.0 m和1.2 m。

3.4.5 注入浆量的参数选择

计算公式：单位干灰量=土体干密度×成墙面积×水泥掺入比

根据上式，计算单位延米需要注入地连墙的最小水泥使用量，再按1∶1的水灰比，计算出需要的水泥浆液最小总用量。下沉搅拌时注入量为总注入量的60%控制，提升搅拌按40%控制，分别计算出下沉、提升时每分钟的浆液最小控制注入量。

经过计算水泥掺入比为15%时的控制参数为：每延米搅拌桩最小总用浆量为106.9 L；下沉每分钟用浆量应大于或等于64.1 L；提升每分钟用浆量应大于或等于42.8 L。

4 施工质量控制

第一，施工场地要求平整，施工所测放的轴线经复核后，妥善保护，桩位布置与设计图误差不大于2cm。施工前必须做好施工机具准备工作，进行机械组装和试运转，注意起吊设备的平整度和导向架对地面的垂直度。搅拌轴的垂直度主要依靠桩机塔架的垂直度来控制，因此在开钻和钻进过程中，可以在塔架一定高度挂铅锤的办法量测塔架的垂直度。

第二，对搭接桩体，其搭接时间不超过12 h。否则，搭接长度不小于1.0 m。供浆、供水必须连续。一旦中断，将搅拌轴下沉至停供点以下0.5 m，待恢复供浆后再边搅拌边提升。当喷浆口提升到达设计桩顶时，停止提升，搅拌5～10 s，以保证桩头均匀密实。搅拌机喷浆提升的速度必须符合施工工艺的要求，如实记录搅拌机下沉和提升的时间和长度。深度记录误差不得大于50 mm，时间记录误差不得大于5 s。在搅拌压浆作业过程中，及时准确填写施工记录。