多头小直径深层搅拌防渗墙在非洲马里杰内

大坝围堰防渗中的应用

刘中华 席月鹏

（中国地质工程集团有限公司）（堤坝安全（北京）科技有限公司）

摘要：多头小直径深层搅拌防渗墙技术（简称多头防渗）在马里杰内大坝围堰防渗中的应用，在国外属首次应用。马里杰内大坝围堰地质条件复杂，原设计使用钢板桩防渗方案，由于施工十分困难、造价高，后改为多头防渗。本文主要介绍了多头防渗应用的工程概况、施工方法、施工方案、施工质量控制和工程效果。

关键词：多头小直径 深层搅拌 防渗墙 非洲马里 大坝围堰 应用

1 工程概况

1.1工程简介

马里杰内大坝工程位于马里尼日尔河的主要支流巴尼河上。距前往杰内古城的巴尼河轮渡上游约8.6km。

工程的主要任务是灌溉，估计可灌溉面积68000公顷，正常蓄水位对应库容为3.2亿m3。主要建筑物包括一座7孔单孔宽42m的水闸（溢流堰）、一个鱼道，鱼道位于工程右岸，在封闭堤和水闸之间，水槽尺寸为2.00m×3.40m（长×宽）。左右岸的封闭堤总长约1144m，高约10 m ～12m，顶宽9m。

本工程施工导流采用分期围堰导流，围堰填筑材料主要为当地土料。

1.2工程地质

坝址区揭露地层主要为上部第四系（Q）松散堆积物覆盖层和下部基岩地层寒武系下统（∈1）泥页岩。其中覆盖层包括：第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系上更新统残坡积层（Q3 el+pl）。

勘探深度内揭露的主要地层如下：

①层为中细砂（Q4al+pl）：褐黄色，湿～饱和，稍密。质纯，不均。局部含小砾石。具有中等压缩性和中等透水性。主要分布于主河道和左岸，较连续稳定。层厚 0.3 m～7.8m，层底高程262.98 m～260.06m。共进行2段次标贯试验，标贯击数为12、16击，平均击数14击。
    ①-1层为壤土或砂壤土（Q4al+pl）：褐黄色，湿，可塑～软塑，土质不均。局部夹粉砂团块。具有中等压缩性和弱透水性。主要分布于左岸，不连续，局部缺失。层厚 1.3 m～4.5m，层底高程265.54 m～267.94m。共进行1段次标贯试验，标贯击数为9击。
    ①-2层粘土为主（Q4al+pl）：灰黄～褐黄色，干～湿，可塑～硬塑，土质较均。局部含砾石。具有高压缩～中等压缩性和微透水性。主要分布于右岸，连续稳定。层厚约9m，层底高程262.62 m～ 263.10m。共进行7段次标贯试验，标贯击数12 m～33击，平均击数25.4击。

②层砾质粘土或红土砾石（Q4al+pl）：棕红色、棕黄色、肉红色，湿，硬塑～坚硬，土质不均。砾石粒径多0.5 cm～1.0cm，最大可达6cm，次棱角状，含量20%～30%。局部富集状。局部夹含砾砂质壤土。具有中等压缩性和弱～微透水性。普遍分布于坝基以下，连续。层厚1.7 m ～7.5m，层底高程255.12 m～258.64m。

工程地质和水文地质问题：围堰基础以下中细砂层渗漏较为严重，局部砾石富集处渗漏也非常严重。汛期河水位较高，水量大，基坑内外水位差高达10余米，因此在基坑开挖前需对围堰进行防渗处理。

1.3设计指标

多头防渗墙沿围堰轴线布置，成墙有效厚度不小于20cm，墙体进入粘土层不小于2米，固化剂采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为12%，水灰比1.5：1～1.8：1。

2 施工方法

2.1技术原理

2.1.1水泥土的固化机理

水泥和土的固化过程有以下物理化学反应：（1）水泥的水解和水化反应；（2）离子交换与团粒化反应；（3）硬凝反应；（4）碳酸化反应。

2.1.2施工过程中，水泥浆液、原土和原土中水、土中孔隙发生的物理变化

（1）在砂层中，由于砂层透水性强、水泥浆液比重大于水的比重、喷入的水泥浆液将砂层中的部分水挤出，砂粒间部分空隙被水泥浆填满。因此砂层中吃浆量较大。加固一段时间后孔口有一定的陷落。

（2）在粘性土中，由于粘土透水性差，水泥浆喷入后，原土中水体不易被挤出或挤出甚少，被搅拌的水泥土体积大于原土体积，施工时，出现浆液溢出现象。

（3）原土层中存在空洞、裂隙（多出现在填筑而成的堤身），在搅拌施工中会出现土体吃浆量增大现象。尤其在水泥土浆达到流态时，水泥土浆还会填充被搅拌土体周围空隙。经现场开挖及探地雷达检测，发现其影响范围最远可达被搅拌土体外约1.0m。

上述物理变化过程表明：在水泥土被搅拌达到流态的情况下，若保持孔口微微翻浆，则可形成密实的水泥墙，而且水泥土浆在自重作用下渗透可填充被加固土体和被加固土体周围一定距离土层中的裂隙，在土层中形成防渗宽度大于搅拌宽度的一条防渗带。

2.2施工工艺流程

多头桩机就位、调平；启动主机，通过主机的传动装置，带动主机上的多个并列的钻杆转动，钻头搅拌，并以一定的推动力把钻头向土层推进至设计深度；然后提升搅拌到孔口；在上述过程中，通过水泥浆泵将水泥浆由高压输浆管输进钻杆，经钻头喷入土体。在钻进和提升的同时水泥浆和原土充分拌和。桩机纵移就位调平，多次重复上述过程形成一道防渗墙。施工工艺流程见图1。

图1 施工工艺流程图

2.3 施工作业程序

（1）测量放线，确定防渗墙的轴线；

（2）对将要施工的防渗墙段开挖导流沟，导流沟宽约0.8m，深1m。在挖导流沟的过程中，遇到地下障碍物须及时清除；

（3）确定机械行走的作业路面的承载力，然后做出相应处理；

（4）设置钻孔位置，确定每一钻的位置。并用平面几何方法确定每次移位桩机地盘的平面位置。

（5）移动主机至设计钻孔位置，并把桩机调正、水平，对准孔位；

（6）制浆站按照规定水灰比配制水泥浆，用泵把配制好的水泥浆输送到储浆罐，水泥浆应随配随用；

（7）搅拌机送浆，钻头触地，开动钻机，钻进过程中要保证孔口微微翻浆；

（8）钻头到达桩底高程后提钻搅拌、喷浆至孔口，但必须保证孔口微微翻浆；

（9）关闭浆泵完成第一组桩施工，桩机横移820mm后就位调平，然后重复上述过程进行下组桩的施工。

图2 单元墙施工示意图

3 施工方案

3.1选用施工设备

经现场勘察第②层砾质粘土或红土砾石较坚硬，设计要求进入该层不小于2米，又考虑到工程远在海外，设备可靠性要高，而且必须确保足够的动力，因此施工设备采用由北京振冲江河截渗技术开发有限公司生产的BJS-18B型多头小直径深层搅拌桩机，设备由国内运至马里。该设备主要参数见表1。

表1                BJS-18B型设备主要参数

3.2施工布置

该工程导流方式为分期围堰导流，共分三期施工，根据围堰施工情况多头防渗墙同样分三期施工，共布置1台套多头防渗墙桩机，施工平面示意图见图3。

图3 多头防渗墙施工平面示意图

3.3工程施工

（1）主机调平。施工前应核定主机上的水平测控装置，确保主机架处于铅垂状态。

（2）输浆。应尽量保证输浆均匀，根据地层吃浆变化可调整输浆量；输浆量应有专门的装置计量，如流量仪等。输浆压力，一般为0.3～1.0MPa。

（3）提升和下降速度。为保证不偏孔，开始入土钻进时不宜高速钻进，一般钻进速度不应大于0.8m/min；土层较硬时，速度不大于0.6 m/min；提升速度和输浆量应密切配合。提升速度快，输浆量也应大。二者对应关系根据水泥掺入量来定。

（4）移位对桩精度。对桩位是影响桩与桩之间的搭接尺寸的因素之一。尤其注意的是施工中也可能因振动造成整机滑移，带来桩位偏差。

（5）施工深度。应按设计要求及业主提供的高程点确定施工地面高程，分段计算施工深度；施工前核定深度盘读数，孔深允许误差应小于5cm。

4 施工质量控制

（1）桩机安装深度自动记录仪，严格按照设计要求控制下钻深度、喷浆面停浆面，确保桩长。

（2）输浆泵安装浆量自动记录仪，输浆时精确记录输浆量，并使浆液泵送连续，使桩体水泥掺入量达到12%。

（3）施工时保证水泥浆液浓度并使之与搅起的泥土充分搅匀，使在钻进和提升过程中孔口始终有微微翻浆。

（4）施工时定时检查搅拌桩的桩径、成墙厚度及搅拌均匀度，对使用的钻头定期复核检查。

（5）桩机安装水平调平装置，确保桩机机身施工时处于水平状态，使塔架垂直度不超过0.1%。

（6）桩位偏差不大于3㎝，桩间搭接长度、成墙厚度满足设计要求。

（7）喷浆钻进和提升的速度符合施工工艺要求，并设专人记录每桩下沉和提升时间，深度记录误差不得大于20cm，时间记录误差不得大于5s，施工中发现的问题及处理情况均应注明。

5 工程效果

在防渗墙施工前，围堰基础以下中细砂层渗漏较为严重，局部砾石富集处有渗漏，特别是围堰下方中细砂层渗漏呈流态，渗漏严重处基坑内侧已出现坍塌，情况比较危险。多头防渗墙施工分别采用了1.5：1、1.7：1和1.8：1的水灰比，均未出现明显漏浆现象，随着防渗墙的施工渗漏逐渐停止，多头防渗墙施工起到明显防渗效果。一期围堰防渗墙施工全部结束后，基坑开挖到基础底高程，基坑渗水量很小，配置一台30KW污水泵10小时左右抽排一次水即可保持基坑内基本没水。按该工艺及参数施工完成了二、三期围堰，经开挖均未有明显渗水，保证了工程顺利按期完工。多头防渗墙施工前后对比见图4、图5。

6 结束语

马里杰内大坝围堰多头防渗墙施工经实际基坑开挖检验证明达到了预期的工程效果，确保了本工程主体顺利施工。本工程的应用证明了该技术在砂层止水中防渗效果明显，成本较低，值得在水利工程施工中推广应用。