特殊地质条件下地下截水帷幕结构设计及施工技术探讨

特殊地质条件下地下截水帷幕结构设计及施工技术探讨

作者：霍利生

来源：《中国科技纵横》2013年第23期

【摘 要】 本文介绍在北京山前特殊地质条件下为实现截潜流而需建造地下帷幕结构的设计和施工技术。从地质条件、施工条件、周边环境条件分析到方案设计、施工工艺、质量控制、成桩检测、施工效果等方面进行论述，阐明了采用人工挖孔实现咬合水泥土桩形成地下帷幕结构在山前地带拦蓄地下水工程中的有效性及可行性，为类似条件下的地区地下帷幕结构设计、施工提供参考。

【关键词】 人工挖孔桩 水泥土 帷幕截流 压水试验 桩体检测 1 概述

李家峪村位于北京市丰台区王佐乡，为浅山丘陵地貌，东、西、北三面均向穿村而过的李家峪沟倾斜，形成李家峪沟的源头。李家峪特有的地形及地质条件决定了李家峪村循环水务为流域型，根据李家峪村新农村规划，改变该村严重缺水的现状，改善农村人居环境，推动区域经济的发展。根据李家峪村的地形地貌、工程及水文地质条件，结合现场查勘的情况，拟在村北利用现状冲沟建设一座截潜坝，将降雨补给的潜水截留下来，供灌溉果园和大棚蔬菜以及塑造景观使用。此项工程将为李家峪新农村改造带来极大的经济效益，通过充分有效的利用地下水资源，带动了农业、商业、旅游业等的市场发展和加快了丰台地区新农村建设的步伐。 2 工程地质及水文地质条件 2.1 工程地质条件 人工堆积层：

粘质粉土填土①层：含砖渣、煤灰渣、碎石等，土质软硬不均。人工堆积层厚0.40～0.80m，该层为新近堆积，土质松散，结构性差，工程性质差。 第四纪冲洪积层：

碎石②层：中密，卵石成分为灰岩、砂岩，含量约占50%，Dmax=16cm，D一般=2～4cm，次棱角状，中粗砂充填，偶含块石，该层在拟建场地内分布连续。该层厚0.40～1.90m。

第三纪（长辛店组）沉积层：

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强风化砾岩③层：密实，强风化，低压缩性，用手可掰动，泥钙质半胶结，夹半胶结的砂岩、泥岩薄层，该层风化强烈，破碎程度变化较大，风化裂隙发育多呈闭合状态，自上而下渗透性由强渐弱，岩体自上而下逐渐趋于完整。

中等风化砾岩③1层：密实，中等风化，低压缩性，用手难以掰动，泥钙质半胶结，岩体较完整。该大层最大揭露厚度6.00m。 2.2 水文地质条件 2.2.1 勘探时地下水位

勘探深度内揭露一层地下水，地下水类型为潜水-强风化带孔隙水。地下水主要接受大气降水的入渗、地下水侧向迳流补给，并以蒸发、地下迳流及人为抽排地下水为主要排泄方式。拟建场地属山前丘陵地带，属山前坡洪积弱含水岩组和岩石风化裂隙弱含水岩组，含水层主要由坡残积的卵砾石和强风化破碎的砾岩等组成，出水量较小且水位、水量随季节变化大，地下水的分布及埋深亦受地形和地层的影响，一般埋深为0.2m。 2.2.2 历史水位

根据勘察资料，该区历史最高地下水位接近自然地面，地下水水位较高。历史洪水最高水位曾“漫过河滩”。受地势、地层岩性的影响，地表水和地下水水量、水位变化较大，李家峪村民谓之“下三天雨就有水，三天不下雨就没水”。

由于拟建截潜流坝场地在地貌单元上属构造剥蚀形成的丘陵垅岗区，位于“U” 型和近“U”型山间沟谷的前缘，地势上两侧较高，中部稍低。地层条件为上部孔隙水接受补给条件较好，但迳流排泄也很快，下部为第三纪砾岩，从上到下由强风化过渡至中风化，地下水渗透性由强至弱，接近中风化-中风化的第三纪砾岩可考虑作为弱透水或不透水的含水层底板，即从地形上和地层上考虑都具备了做截潜流坝的良好条件。 3 方案选取

截潜流坝是一个地下阻水结构，根据北京地区以往的经验，地下阻水结构一般采用地下连续墙、旋喷桩、咬合桩、高压注浆等方法形成，一般采用施工机械来完成。但在本工程场地，若采用过去传统的方法则存在较多的问题：①采用大开挖方式砌筑挡水墙受现场条件限制不能实施；②采用地下连续墙机械成槽水下灌注形成挡水墙同样受场地条件限制不能实施，同时成本也较高；③若采用旋喷桩方案，由于地层中含卵石、漂石较多，且还有强风化砾岩，不但钻进困难，而且很难形成相互咬合完整的旋喷桩体，阻水结构质量难以保证；④采用机械成孔咬合桩，既便是桩体材料强度不大，地层中的漂石和风化砾岩中的大块石也使机械成孔非常困难，且施工成本也很高；⑤由于地下水迳流条件很好（水力坡度大、渗透性好），且地层的不均一性，若采用注浆方法很难形成较完整的结石体，孔隙充填率大大降低，因此达不到阻水之目的。

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对比了各种施工方法之利弊，对现场水文地质、工程地质条件进行分析，并进行了工程试验后，确定截潜流坝采用人工挖孔灌注水泥土桩+注浆+井点降水方法施工。 4 方案设计 4.1 帷幕桩设计 4.1.1 帷幕桩设计参数

桩径D=800mm，取桩间距L=700mm。

计算交圈厚度e==387mm>300mm，满足防渗体搭接厚度要求。 桩体质量要求：桩体强度2～5Mpa，桩体渗透系数K≤1×10-5cm/s。 4.1.2 帷幕桩深度确定

根据地勘资料分析，第三纪砾岩到中风化带为泥钙质半胶结，岩体较完整、密实。根据现场钻探和挖探的结果表明，进入砾岩层后1-3m为强风化带，3m以下进入砾岩中风化带。通过对砾岩3m以下段的压水试验结果表明，砾岩中风化带的渗透性K 4.1.3 桩体材料选择

一般阻水结构的材料有钢筋混凝土、素混凝土、素水泥砂浆、粘土浆液、素水泥浆拌合地层土（旋喷桩）等，由于本工程截潜流坝仅要求阻水材料的阻水效果好，对阻水结构强度并无太大要求，因此在阻水结构材料的选择上可大大降低成本。混凝土、素水泥浆等成本太高，粘土浆液初凝时间长，且收缩性较大，素水泥浆拌合地层土作桩体材料是成本最低的选择，但由于地层土的均匀度较差，桩体很难达到较均匀的防渗效果。因此选用水泥浆拌合粘性土作为阻水结构体材料。经过多次配比试验，最终确定粘土+水泥+水配比满足渗透性，桩体强度达到1～3Mpa，可满足设计要求。 4.1.4 帷幕桩边界确定

拟建截潜流坝呈东西向布置，场地在地貌单元上属构造剥蚀形成的丘陵垅岗区，位于“U” 型和近“U”型山间沟谷的前缘，地势上两侧较高，中部稍低。东西方向边界以砾岩面基本达到中部坝顶标高位置为准，而坝顶标高则应小于场区西侧公路路基标高，以避免对公路造成破坏。

4.2 辅助措施 4.2.1 井点降水

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由于场区地下水位较高，为确保人工成孔施工的顺利及安全，在帷幕桩孔北侧施工一排降水井，来有效控制地下水位。设计井数25眼，井间距3.0m，井深5～8m，井径127mm，井管采用Φ75PVC管，外缠80目尼龙网，井内下10m3/h潜水泵，在挖孔期间进行合理抽排地下水来保证孔内无水作业。 4.2.2 桩间预埋注浆管

（1）为提高帷幕桩墙的防渗效果，在相邻每2棵桩间预埋Φ25mm塑料管，在帷幕桩施工完毕后进行注浆。（2）考虑人工挖孔桩施工难度，在挖孔深度不能保证的情况下，在孔中央位置预埋Φ75mm的PVC管，桩浇注完毕后，在PVC管内钻进强风化砾岩面以下不小于3.0m，然后进行孔底压浆。 5 质量控制 5.1 材料质量控制

（1）水泥采用P·O425硅酸盐水泥。（2）土料不得含有冻土或膨胀土，土料中有机质含量不得超过5%，使用时应过10～20mm筛。（3）水灰比根据配比试验确定。水泥土试块室内标准养护28d抗压强度不小于2Mpa，抗渗指标不小于P5。 5.2 施工质量控制

（1）按设计间距、位置测放桩孔控制点，并妥善加以保护，布设桩位偏差不大于50mm。成孔过程中严格控制孔的垂直度及孔径。（2）桩孔垂直偏差不应大于0.5%，桩孔直径不得小于设计桩径，桩孔搭接厚度不得小于设计厚度。（3）成孔过程中应严格控制成孔深度，若挖至设计深度时，岩层风化程度较大，应继续向下挖掘，直至岩层风化程度较小为止。（4）水泥土应先干拌，后湿拌。土料和水泥应拌和均匀，水泥用量不得少于按配比试验确定的重量。（5）水泥土拌和应选用合格水泥，每次拌制的浆量应为该单桩所需总量。搅拌好的水泥土应及时灌入孔内，并用振捣器振捣密实，对停置时间超过12小时的水泥土应做废弃处理。（6）水泥土灌注必须保证连续灌注，均匀作业。（7）雨季施工应采取防雨措施，冬季施工采取防冻措施。（8）桩孔灌注完毕后应覆盖养护，达到一定强度后方可进行下步作业。 6 质量检测 6.1 桩体压水试验

根据《水利水电工程钻孔压水试验规程》对桩体进行压水试验，以检测其桩体渗透性。本工程压水试验采用“三个压力、五个阶段”的循环试验方法，即试验压力分别取：0.05MPa、0.10MPa、 0.15MPa、0.10MPa、0.05MPa。

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压水试验过程如下：（1）在成桩28d后，采用钻机取芯成孔，孔内置入压水试验预埋管，预埋管底距孔底为5m，为试验段部分。试验段以上部分应保证预埋管与桩孔之间密封牢固。（2）安装试验装置，并试水加压检验装置的密闭性。同时，打开排气阀排除装置内空气，待排气阀连续出水后，再将其关闭。（3）调节变压阀门使压力表读数升至0.05Mpa并保持稳定。记录水表读数，并开始计时。间隔2分钟观测记录一次水表读数，根据水表读数及间隔时间计算出对应的流量，当流量无持续增大趋势，且5次流量读数中最大值和最小值之差小于最终值的10%时，本阶段时间即可结束，取最终值作为计算值。（4）将试段压力按顺序分别调整到0.1Mpa、0.15Mpa、0.1Mpa、0.05Mpa，重复上述试验步骤2过程，记录读数及时间，直到各试段的试验结束。（5）将上述试验数据记录并整理，计算试段透水率。透水率计算公式如下： q=

式中q-试段的透水率（Lu） L-试段长度（m）

Q3-第三阶段的计算流量（L/min） P3-第三阶段的试段压力（MPa） 试验数据：

P3=0.15MPa，Q3=0.05L/min，代入上述公式得： q=0.0667 Lu 6.2 桩体完整性检测

依据水泥土灌注桩防渗墙的特点及规范要求，采取低应变检测和地震映像方法对防渗墙水泥土桩进行测试，结合压水试验结果，对水泥土灌注桩防渗墙防渗处理效果进行评价。 ①地震映像方法按工作长度的30%抽检，对防渗墙进行检测，检测防渗墙的均匀性。地震映像方法所使用仪器为北京水电物探研究所产SWS-7型工程勘察与工程检测仪。

②低应变桩身完整性检测按30%抽检。对单根水泥土桩进行检测，检测成桩完整性判定缺陷位置；对地震映像方法发现的不均匀异常区域进行深度验证。低应变法使用仪器为美国产PIT桩身完整性检测仪，传感器为加速度型传感器。

通过随机选取40棵帷幕桩进行地震映像和低应变检测，与进行压水试验的桩孔检测数据进行比较分析，随机选取的40棵桩桩身完整性较好，无明显缺陷。

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7 施工效果

本工程施工完成后，帷幕桩北侧蓄水池内水位明显升高，至施工撤场时已升至池顶以下约2.0m位置，比蓄水池内原始水位增加约1.5m。帷幕桩北侧原一自然水井，目前水位上涨较快，距地表约0.8m，且补给源丰富。上述情形表明，帷幕桩截流以后，上游水位在逐渐抬升，个别地表有溢出水流现象发生。综上所述，采用人工挖孔灌注水泥土桩形式的地下截流帷幕非常成功，截水效果显著。 8 结语

①通过李家峪截潜流坝试验工程的实施和工程效果分析，证明采用人工挖孔灌注水泥土桩的截流帷幕的试验设计方案是可行的，并且截流效果达到了预期目的。②尽管施工过程中各种影响因素较多，但施工过程中的质量、安全、进度是可以有效控制的，即试验设计方案不是在特定条件下才能完成，而是可以推广使用的。③由于截潜流坝的实施，虽然对浅层潜水形成了拦截，实现了可人工调蓄，但也改变了一定区域的自然环境，若考虑不周容易造成次生地质灾害，比如“U”型山间沟谷两侧坡体的稳定性，原工业与民用建筑的地基问题等等，因此建议在方案实施前应进行环境评估。④由于截潜流坝的实施，从真正意义上实现了地下水人工调蓄，若加以周边环境的配套工程，可大大改变山前地带缺水却又容易被泥石流破坏的现状，利国利民，建议在北京地区山前地带因地制宜大力推广。 参考文献：

[1]黄生根.地基处理与基坑支护工程.中国地质大学出版社. [2]彭振斌.注浆工程设计计算与施工.中国地质大学出版社.

[3]工程地质手册编委会.工程地质手册（第四版）.中国建筑工业出版社. [4]水利水电工程钻孔压水试验规程钻孔压水试验规程（SL31-2003）. [5]水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）. [6]建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）.