长江堤防深层搅拌水泥土防渗墙设计指标探讨

摘要：在长江重要堤防隐蔽工程的垂直防渗施工工法中，深搅水泥土防渗墙工法占多数。对深层搅拌水泥土防渗墙的有关设计指标应包括：防渗墙厚度、渗透系数、抗压强度和允许比降等，在长江堤防深层搅拌水泥土防渗墙设计指标中渗透系数是控制性指标，因此防渗墙渗透系数在１０－６ｃｍ／ｓ时，量级、厚度不小于０．２ｍ是合适的，以水泥土９０ｄ龄期的抗压强度作为标准强度，防渗墙抗压强度设计值不低于０．５ＭＰａ，允许比降可以不作为控制性指标。 

关键词：长江堤防 深层搅拌 水泥土防渗墙 设计指标 

　　　一、深搅水泥土防渗墙功能和材料特点分析 
１．深搅水泥土防渗墙结构和功能
深搅水泥土防渗墙是由水泥土搅拌桩多桩搭接而形成连续密实的墙体。水泥土搅拌桩加固地基是通过每一个独立桩组成的桩群来实现的，防止堤防渗透破坏则需要建立起连续完整的桩墙（即深搅水泥土防渗墙），从这个意义上讲，将搅拌桩技术用于防渗要比加固地基的要求高，难度也大。与水泥土深层搅拌桩不同，深搅水泥土防渗墙的主要功能是在截渗或增加渗径，提高堤防的抗渗能力，深搅水泥土防渗墙本身不是传统意义上的承载结构，故防渗墙应达到的主要性能指标也与加固地基的搅拌桩不同，讨论防渗墙设计指标时应围绕堤防工程特点和防渗要求进行。
深搅水泥土防渗墙技术大规模应用于水利工程是近几年的事情，防渗墙的设计内容包括墙体位置、墙体深度、墙体厚度以及墙体材料物理力学参数（渗透系数、抗压强度、允许渗透比降）和相应的水泥掺量等。其中防渗墙位置、深度以及水泥掺入量视深搅水泥土防渗墙的功能要求和施工条件等因素的不同而定。为简化起见，本文主要针对堤基防渗墙的设计指标进行讨论，重点对防渗墙渗透系数、厚度、允许比降和强度指标的合理范围进行较为深入的探讨。堤身防渗墙如果是用于隐患处理（如切断堤身内的横向裂缝或生物洞穴），则应针对性地考虑其设计指标，这里不做讨论。长江重要堤防的断面为：顶宽一般为８～１０ｍ，堤身高度在６～１０ｍ之间，内外坡比均为１∶３。设计水头一般在８ｍ以下。长江堤防除个别堤段有新培土（新培土层一般不超过２ｍ），绝大多数为老堤，已有数百年的，在以下的讨论中均指的是老堤的加固工程，并且认为老堤已经完成固结过程。
２．水泥土材料特性概述
根据大量试验研究结果可知，影响水泥土的抗渗性能和力学性能的主要因素有：水泥掺量和水泥标号，被加固土质特性和含水量，拌和程度，成型环境和龄期。下面重点讨论水泥土抗压强度与龄期的关系以及水泥土的破坏机理等，它们直接影响抗压强度的设计取用值。
水泥土的抗压强度随龄期的增加而增加，渗透系数随龄期的增长不断变小。长江堤防的几种常见土质类型，如淤泥、粉质黏土、壤土、极细砂等，在掺入水泥后的抗压强度随龄期增长的有一定的差异。室内试验结果表明：粉细砂、粉土、粉质黏土在实验室条件下制备的水泥土，不同龄期的抗压强度的大致比例（以９０ｄ龄期的强度为比较基准１）为：２８ｄ龄期为０．５～０．７；１８０ｄ龄期为１．１～１．３。水泥土抗压强度设计取值究竟应采用何种龄期的指标为标准，应根据水泥土力学性能的龄期特性以及防渗墙的施工进度和实际承载时间等综合考虑。长江堤防工程深搅水泥土防渗墙的施工主要在非汛期进行，防渗墙竣工后至汛期承担设计水头还有一段时间。因此，考虑到长江堤防工程深搅水泥土防渗墙的施工进度、防渗墙实际的承载时间以及水泥土材料的特性等综合因素，本文建议深搅水泥土防渗墙抗压强度设计值取用９０ｄ龄期的抗压强度值。
室内试验结果表明，在单轴压缩条件下，水泥土呈现压缩破坏；在三轴剪切试验中，水泥土则呈现剪切破坏，有清晰的剪切面。堤防工程深搅水泥土防渗墙处于堤身和堤基内部，承受一定的围压作用，其力学破坏类型为剪切破坏。因此，用剪应力水平来评价深搅水泥土防渗墙的力学稳定性更为合理。
二、水泥土防渗墙抗渗透性指标的合理范围
１．深搅水泥土防渗墙渗透系数
从堤防加固工程中防渗墙的功能看，其防渗功能是第一位的。所以墙体的抗渗透性能至关重要。若按等效渗径方法近似考虑，防渗墙渗透系数比原土层的渗透系数降低多少倍，就等于渗径延长至多少倍。所以从渗流理论上讲，防渗墙渗透性与其所穿过地层的渗透系数之间的比例关系和墙体厚度一起决定了防渗墙所能起到的防渗作用。
从长江重要堤防的地层条件看，浅部粉质黏土、粉质壤土层的渗透系数一般在１０－６～１０－５ｃｍ／ｓ量级，它们存在的问题主要是密实度（固结程度）不够，或由于陆相沉积环境的频繁变化使得土性不均匀，常见有砂壤土、粉细砂夹层或透镜体，深搅水泥土防渗墙在这类地层中的任务主要是提高胶结程度，并形成一道防渗性能均匀的墙体。表层或浅部的砂壤土、粉砂、细砂土层是造成长江重要堤防堤基险情的主要原因，因而是深搅水泥土防渗墙的主要处理对象，其天然状态下的渗透系数一般在１０－４～１０－３ｃｍ／ｓ量级。
采用半封闭式防渗墙的典型结构模型和分析方法，可以对比研究防渗墙渗透系数对渗控效果的影响[1]。防渗依托层渗透系数为１×１０－６ｃｍ／ｓ，厚度为１０ｍ，其下伏强透水层渗透系数为０．０１ｃｍ／ｓ，河泓切穿防渗依托层，其他条件详见[2]。防渗墙厚度为２０ｃｍ，对比了渗透系数由５×１０－７ｃｍ／ｓ逐渐增大至５×１０－５ｃｍ／ｓ共５种条件。令ＫＲ为防渗墙渗透系数与被其切穿的第一层强透水层渗透系数（１×１０－３ｃｍ／ｓ）的比值。图１是平台脚垂直出逸比降随ＫＲ值的变化曲线。由图可见，渗控效果随ＫＲ值的增大而急剧降低，当墙体比强透水层的渗透系数仅小一个量级时，其渗控效果很小，堤后渗流状态与无防渗墙时差别不大。由此可见防渗墙低渗透性的重要意义。
从堤防工程防渗墙的防渗功能看，防渗墙的渗透系数当然是越小越好，但防渗墙渗透系数的降低还受到施工技术和成本的限制。从目前绝大多数施工的施工技术、控制能力和成本来看，将深搅水泥土防渗墙的渗透系数设计指标定为ｉ?１≤ｉ＜１０?×１０－６ｃｍ／ｓ较合适。
２．防渗墙厚度和允许渗透比降
（１）深搅水泥土防渗墙的厚度
长江堤防工程中使用的都是单排桩深搅水泥土防渗墙，这意味着每根桩以及每相邻两根桩的搭接部分都必须满足设计指标要求。所以防渗墙的厚度指标是指其最小厚度。
同样可以用半封闭式防渗墙结构模型分析防渗墙厚度对渗控效果的影响。防渗墙渗透系数为ｉ?１≤Ｉ＜１０?×１０－６ｃｍ／ｓ，厚度考虑了１２、１５、２０、２５和３０ｃｍ等几种情况，其他条件同文献[2]。模拟结果表明，平台脚垂直出逸比降随防渗墙厚度增大而降低，在这几种厚度条件下，两者近乎线性关系。令防渗墙厚度与其渗透系数的比值为ＴＫＲ，这一变量综合反映了防渗墙的两项关键指标。图２是平台脚垂直出逸比降随ＴＫＲ值的变化曲线。由图可见，随ＴＫＲ值的增大，渗控效果显著增强。综合考虑技术、等因素，本文建议目前堤防工程深搅水泥土防渗墙的厚度宜不低于２０ｃｍ。
（２）深搅水泥土防渗墙的允许比降
深搅水泥土防渗墙的允许比降Ｊ允可用下式表示：
Ｊ允＝ΔＨ／Ｄ／η
式中?Ｄ为墙体的最小厚度；ΔＨ为其上游面承受的水头与下游面水头的差值；η为安全系数。
从目前已掌握的长江流域堤防情况看，防渗墙承担的实际作用水头一般小于８ｍ，最大不超过１０ｍ。如果按最小墙厚２０ｃｍ承受全部作用水头考虑，根据允许比降的定义，承受１０ｍ的作用水头时防渗墙内的渗流比降为５０，所以５０的允许比降应该能够满足一般要求。
值得指出的是，深搅水泥土防渗墙的渗透变形机理与黏性土相似程度如何目前还缺乏足够的实验研究，但可以肯定目前搅拌工法建成的深搅水泥土防渗墙不具备已知的四种形式渗透破坏的形成条件[3]，而且长江堤防中防渗墙的作用水头也较小，因此，允许渗透比降可以不作为长江堤防工程防渗墙的控制指标。
３．深搅水泥土防渗墙的抗压强度
下面通过对堤防工程深搅水泥土防渗墙应力应变计算，揭示不同条件下防渗墙的受力状态，结合水泥土材料的力学特性和长江重要堤防隐蔽工程的特点，综合讨论深搅水泥土防渗墙抗压强度的取值问题。
二维有限元应力应变计算断面（图３）：土堤顶宽８ｍ，高度８ｍ，内外坡比１∶３。基础取深度３０ｍ。堤身为黏性土，堤基为砂性土（粉砂）。计算水位８．０ｍ。其中：Ⅰ为堤基、Ⅱ为堤身、Ⅲ为防渗墙墙体。堤身、堤基均按均质土考虑，并且为老堤，均已完成固结。
防渗墙布置在堤顶中轴线。防渗墙厚度０．２ｍ。计算中防渗墙深度分别取１３．０ｍ、２３．０ｍ，相应地防渗墙在堤基中的深度分别为５．０ｍ、１５．０ｍ，以研究不同深度和型式防渗墙的受力特征。防渗墙分别采用三种水泥土材料（抗压强度分别为２．０ＭＰａ，１．０ＭＰａ，０．５ＭＰａ）进行计算，研究材料参数对防渗墙受力性状的影响。采用二维平面应变分析方法。堤基、堤身和防渗墙用邓肯－张模型[4]。有关材料参数取值如表１。
对堤内、外各取２４ｍ作为计算的横向边界进行计算，自地表向下取３０ｍ作为底部边界进行计算。横向边界设滚轴支座，底部边界设铰支座。计算网格（图略）单元总数１４５０，节点总数１５１６。
计算分期为：第一期对堤基进行计算。第二期对堤身填筑进行计算。第三期模拟搅拌法施工，计算到第三期时，将前期单元计算成果累加上本期按水泥土容重与防渗墙所在位置土容重之差计算所得体系应力应变增量，作为本期计算成果。第四期为加载期，计算设计水位的水荷载作用下防渗墙的受力情况。表２、表３、表４分别给出了三种水泥土材料情况下防渗墙中应力的最大、最小值及应力水平的最大值，应力以压为正。
从计算结果可以看出，不论选用那种水泥土材料，在防渗墙的深度不超过２０ｍ，作用水头不超过８ｍ的条件下，堤防防渗墙中的最大主应力均不超过５００ｋＰａ?０．５ＭＰａ?，最小主应力不小于０，即不存在拉应力，防渗墙中应力水平最大值不超过０．３３。
防渗墙抗压强度设计值的选取除了考虑深搅水泥土防渗墙在设计水位下的受力状态外，还涉及到两个问题：一是用什么标准判断防渗墙的力学破坏？二是选用多大的安全系数。
如果按照压缩破坏标准，根据上述应力计算结果，深搅水泥土防渗墙抗压强度设计值为１．０ＭＰａ时，力学破坏的安全系数为２．２左右；设计值为０．５ＭＰａ时，力学破坏的安全系数为１．１左右。如果按照剪切破坏标准，根据上述应力计算结果，深搅水泥土防渗墙抗压强度设计值为１．０ＭＰａ时，应力水平最大值０．１２，相应单元的安全系数大于５；设计值为０．５ＭＰａ时，应力水平最大值０．３３，相应单元的安全系数在３左右。
根据深搅水泥土防渗墙的功能和受力方式，应当考虑围压作用，同时由于水泥土在围压作用下的力学破坏为剪切破坏，应按照剪切破坏标准评价其力学稳定性，因此本文建议长江堤防深搅水泥土防渗墙的抗压强度取值宜不低于０．５ＭＰａ。

三、主要结论
一是堤防防渗墙的功能是截渗或增加渗径，防止堤身和堤基的渗透破坏。因此，从防渗的功能看，防渗墙的完整性和连续性是关键。在长江堤防深搅水泥土防渗墙设计指标中渗透系数是控制性指标。防渗墙渗透系数在１０－６ｃｍ／ｓ量级、厚度不小于０．２ｍ是合适的。
二是水泥土的抗压强度在堤防防渗工程中不是控制指标，但由于它是直观反映水泥土质量的主要指标，在应用中也作为一项设计指标。水泥土抗压强度与水泥的掺量、土质类型和含水量、搅拌的均匀性以及成型环境和龄期有关。考虑到龄期特性，土质特性，成型环境以及堤防防渗墙施工进度等综合因素，建议以水泥土９０ｄ龄期的抗压强度作为标准强度。
三是考虑到长江堤防防渗墙承担的作用水头不高（一般小于８ｍ），深搅水泥土防渗墙最大深度不超过２０ｍ，从应力应变结果看，防渗墙中最大主应力不超过０．５ＭＰａ，防渗墙中无拉应力。建议深搅水泥土防渗墙抗压强度设计值宜不低于０．５ＭＰａ。
四是针对长江堤防工程的实际条件，深搅水泥土防渗墙本身不具备产生渗透破坏的前提条件，因此，建议在深搅水泥土防渗墙质量标准中，允许比降可以不作为控制性指标。

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１ 李思慎，长江重要堤防隐蔽工程建设中的防渗处理，长江院院报增刊.２０００．１２．
２ 张家发，吴昌瑜等.堤防加固工程中防渗墙防渗效果及应用条件研究.长江科学院院报.２００１．５．
３ 刘杰．土的渗透稳定与渗流控制．水利电力出版社.１９９２．
４ 朱百里，沈珠江．计算土力学．上海：上海科技出版社.１９９０．