長江堤防深層攪拌水泥土防滲墻設(shè)計指標(biāo)
1 前言
深攪水泥土防滲墻技術(shù)是在深層攪拌樁原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種江堤截滲新技術(shù)。最初的水泥土攪拌樁技術(shù)僅用于加固軟基。在我國，水泥土深層攪拌樁技術(shù)用于軟基加固始于二十世紀(jì)七十年代，迄今已有三十年的歷史，其技術(shù)和應(yīng)用也較為成熟，國內(nèi)已頒布了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。將用于軟基加固的深層攪拌樁技術(shù)移植到水利工程中進(jìn)行地下防滲墻(本文簡稱深攪水泥土防滲墻)的構(gòu)筑是近幾年才起步的工作，目前還沒有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。因此，在深攪水泥土防滲墻應(yīng)用中還存在一些有待研究的技術(shù)問題。
在長江重要堤防隱蔽工程的垂直防滲施工工法中，深攪水泥土防滲墻工法占多數(shù)。由于隱蔽工程建設(shè)時間緊、任務(wù)重，在深攪水泥土防滲墻設(shè)計、施工和驗收過程中也存在一些需要深入研究解決的問題。例如，防滲墻設(shè)計指標(biāo)的選取依據(jù)和范圍問題就是長江重要堤防隱蔽工程的建設(shè)者及同行專家們所共同關(guān)心和重視的問題[1]。
本文從堤防防滲墻防滲功能和受力角度，探討了深攪水泥土防滲墻技術(shù)指標(biāo)的合理范圍，這些指標(biāo)包括：防滲墻厚度，滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和允許比降。在此基礎(chǔ)上，針對深攪水泥土防滲墻的施工工法和材料特點(diǎn)，綜合討論了深攪水泥土防滲墻設(shè)計指標(biāo)的合理范圍，研究結(jié)果可供堤防加固設(shè)計和質(zhì)量監(jiān)督等部門參考。
2 深攪水泥土防滲墻功能和材料特點(diǎn)分析
2.1深攪水泥土防滲墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能
深攪水泥土防滲墻是由水泥土攪拌樁多樁搭接而形成連續(xù)密實的墻體。水泥土攪拌樁加固地基是通過每一個獨(dú)立樁組成的樁群來實現(xiàn)的，防止堤防滲透破壞則需要建立起連續(xù)完整的樁墻（即深攪水泥土防滲墻），從這個意義上講，將攪拌樁技術(shù)用于防滲要比加固地基的要求高，難度也大。與水泥土深層攪拌樁不同，深攪水泥土防滲墻的主要功能是在截滲或增加滲徑，提高堤防的抗?jié)B能力，深攪水泥土防滲墻本身不是傳統(tǒng)意義上的承載結(jié)構(gòu)，故防滲墻應(yīng)達(dá)到的主要性能指標(biāo)也與加固地基的攪拌樁不同，討論防滲墻設(shè)計指標(biāo)時應(yīng)圍繞堤防工程特點(diǎn)和防滲要求進(jìn)行。
深攪水泥土防滲墻技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于水利界是近幾年的事情，防滲墻的設(shè)計內(nèi)容包括墻體位置、墻體深度、墻體厚度以及墻體材料物理力學(xué)參數(shù)（滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、允許滲透比降）和相應(yīng)的水泥摻量等。其中防滲墻位置、深度以及水泥摻入量視深攪水泥土防滲墻的功能要求和施工條件等因素的不同而定。為簡化起見，本文主要針對堤基防滲墻的設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行討論，重點(diǎn)對防滲墻滲透系數(shù)、厚度、允許比降和強(qiáng)度指標(biāo)的合理范圍進(jìn)行較為深入的探討。堤身防滲墻如果是用于隱患處理（如切斷堤身內(nèi)的橫向裂縫或生物洞穴），則應(yīng)針對性地考慮其設(shè)計指標(biāo)，這里不做討論。長江重要堤防的斷面為：頂寬一般為8~10m，堤身高度在6~10m之間，內(nèi)外坡比均為1:3。設(shè)計水頭一般在8 m以下。長江堤防除個別堤段有新培土（新培土層一般不超過2 m），絕大多數(shù)為老堤，已有數(shù)百年的歷史，在以下的討論中均指的是老堤的加固工程，并且認(rèn)為老堤已經(jīng)完成固結(jié)過程。
2.2 水泥土材料特性概述
根據(jù)大量試驗研究結(jié)果可知，影響水泥土的抗?jié)B性能和力學(xué)性能的主要因素有：水泥摻量和水泥標(biāo)號，被加固土質(zhì)特性和含水量，拌和程度，成型環(huán)境和齡期。下面重點(diǎn)討論水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系以及水泥土的破壞機(jī)理等，它們直接影響抗壓強(qiáng)度的設(shè)計取用值。
水泥土的抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加而增加，滲透系數(shù)隨齡期的增長不斷變小。長江堤防的幾種常見土質(zhì)類型，如淤泥、粉質(zhì)粘土、壤土、極細(xì)砂等，在摻入水泥后的抗壓強(qiáng)度隨齡期增長的規(guī)律有一定的差異。室內(nèi)試驗結(jié)果表明：粉細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)粘土在實驗室條件下制備的水泥土，不同齡期的抗壓強(qiáng)度的大致比例（以90 d齡期的強(qiáng)度為比較基準(zhǔn)1）為：28 d齡期為0.5~0.7；180 d齡期為1.1～1.3。水泥土抗壓強(qiáng)度設(shè)計取值究竟應(yīng)采用何種齡期的指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)水泥土力學(xué)性能的齡期特性以及防滲墻的施工進(jìn)度和實際承載時間等綜合考慮。長江堤防工程深攪水泥土防滲墻的施工主要在非汛期進(jìn)行，防滲墻竣工后至汛期承擔(dān)設(shè)計水頭還有一段時間。因此，考慮到長江堤防工程深攪水泥土防滲墻的施工進(jìn)度、防滲墻實際的承載時間以及水泥土材料的特性等綜合因素，本文建議深攪水泥土防滲墻抗壓強(qiáng)度設(shè)計值取用90 d 齡期的抗壓強(qiáng)度值。
室內(nèi)試驗結(jié)果表明，在單軸壓縮條件下，水泥土呈現(xiàn)壓縮破壞；在三軸剪切試驗中，水泥土則呈現(xiàn)剪切破壞，有清晰的剪切面。堤防工程深攪水泥土防滲墻處于堤身和堤基內(nèi)部，承受一定的圍壓作用，其力學(xué)破壞類型為剪切破壞。因此，用剪應(yīng)力水平來評價深攪水泥土防滲墻的力學(xué)穩(wěn)定性更為合理。
3 水泥土防滲墻抗?jié)B透性指標(biāo)的合理范圍
3.1 深攪水泥土防滲墻滲透系數(shù)
從堤防加固工程中防滲墻的功能看，其防滲功能是第一位的。所以墻體的抗?jié)B透性能至關(guān)重要。若按等效滲徑方法近似考慮，防滲墻滲透系數(shù)比原土層的滲透系數(shù)降低多少倍，就等于滲徑延長至多少倍。所以從滲流理論上講，防滲墻滲透性與其所穿過地層的滲透系數(shù)之間的比例關(guān)系和墻體厚度一起決定了防滲墻所能起到的防滲作用。
從長江重要堤防的地層條件看，淺部粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土層的滲透系數(shù)一般在10-6～10-5cm/s量級，它們存在的問題主要是密實度（固結(jié)程度）不夠，或由于陸相沉積環(huán)境的頻繁變化使得土性不均勻，常見有砂壤土、粉細(xì)砂夾層或透鏡體，深攪水泥土防滲墻在這類地層中的任務(wù)主要是提高膠結(jié)程度，并形成一道防滲性能均勻的墻體。表層或淺部的砂壤土、粉砂、細(xì)砂土層是造成長江重要堤防堤基險情的主要原因，因而是深攪水泥土防滲墻的主要處理對象，其天然狀態(tài)下的滲透系數(shù)一般在10-4～10-3cm/s量級。
采用半封閉式防滲墻的典型結(jié)構(gòu)模型和分析方法，可以對比研究防滲墻滲透系數(shù)對滲控效果的影響[2]。防滲依托層滲透系數(shù)為1×10-6cm/s，厚度為10m，其下伏強(qiáng)透水層滲透系數(shù)為0.01cm/s，河泓切穿防滲依托層，其它條件詳見文獻(xiàn)[2]。防滲墻厚度為20cm，對比計算了滲透系數(shù)由5×10-7cm/s逐漸增大至5×10-5cm/s共5種條件。令kr為防滲墻滲透系數(shù)與被其切穿的第一層強(qiáng)透水層滲透系數(shù)（1×10-3cm/s）的比值。圖1是平臺腳垂直出逸比降隨kr值的變化曲線。由圖可見，滲控效果隨kr值的增大而急劇降低，當(dāng)墻體比強(qiáng)透水層的滲透系數(shù)僅小一個量級時，其滲控效果很小，堤后滲流狀態(tài)與無防滲墻時差別不大。由此可見防滲墻低滲透性的重要意義。
從堤防工程防滲墻的防滲功能看，防滲墻的滲透系數(shù)當(dāng)然是越小越好，但防滲墻滲透系數(shù)的降低還受到施工技術(shù)和成本的限制。從目前絕大多數(shù)施工企業(yè)的施工技術(shù)、控制能力和成本來看，將深攪水泥土防滲墻的滲透系數(shù)設(shè)計指標(biāo)定為i(1≤i＜10＝×10-6cm/s較合適。
3.2 防滲墻厚度和允許滲透比降
（1）深攪水泥土防滲墻的厚度
長江堤防工程中使用的都是單排樁深攪水泥土防滲墻，這意味著每根樁以及每相鄰兩根樁的搭接部分都必須滿足設(shè)計指標(biāo)要求。所以防滲墻的厚度指標(biāo)是指其最小厚度。
同樣可以用半封閉式防滲墻結(jié)構(gòu)模型分析防滲墻厚度對滲控效果的影響。防滲墻滲透系數(shù)為i(1≤i＜10＝×10-6cm/s，厚度考慮了12，15，20，25和30cm等幾種情況，其它條件同文獻(xiàn)[2]。模擬結(jié)果表明，平臺腳垂直出逸比降隨防滲墻厚度增大而降低，在這幾種厚度條件下，二者近乎線性關(guān)系。令防滲墻厚度與其滲透系數(shù)的比值為tkr，這一變量綜合反映了防滲墻的兩項關(guān)鍵指標(biāo)。圖2是平臺腳垂直出逸比降隨tkr值的變化曲線。由圖可見，隨tkr值的增大，滲控效果顯著增強(qiáng)。綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素，本文建議目前堤防工程深攪水泥土防滲墻的厚度宜不低于20cm。
（2）深攪水泥土防滲墻的允許比降
深攪水泥土防滲墻的允許比降j允可用下式表示：
j允=δh/d/η
式中:d為墻體的最小厚度；δh為其上游面承受的水頭與下游面水頭的差值；η為安全系數(shù)。
從目前已掌握的長江流域堤防情況看，防滲墻承擔(dān)的實際作用水頭一般小于8m，最大不超過10m。如果按最小墻厚20cm承受全部作用水頭考慮，根據(jù)允許比降的定義，承受10m的作用水頭時防滲墻內(nèi)的滲流比降為50，所以50的允許比降應(yīng)該能夠滿足一般要求。
值得指出的是，深攪水泥土防滲墻的滲透變形機(jī)理與粘性土相似程度如何目前還缺乏足夠的實驗研究，但可以肯定目前攪拌工法建成的深攪水泥土防滲墻不具備已知的四種形式滲透破壞的形成條件［3］，而且長江堤防中防滲墻的作用水頭也較小，因此，允許滲透比降可以不作為長江堤防工程防滲墻的控制指標(biāo)。
3.3. 深攪水泥土防滲墻的抗壓強(qiáng)度
下面通過對堤防工程深攪水泥土防滲墻應(yīng)力應(yīng)變計算，揭示不同條件下防滲墻的受力狀態(tài)，結(jié)合水泥土材料的力學(xué)特性和長江重要堤防隱蔽工程的特點(diǎn)，綜合討論深攪水泥土防滲墻抗壓強(qiáng)度的取值問題。
二維有限元應(yīng)力應(yīng)變計算斷面（圖3）：土堤頂寬8 m，高度8 m，內(nèi)外坡比1:3?；A(chǔ)取深度30 m。堤身為粘性土，堤基為砂性土（粉砂）。計算水位8.0 m。其中：ⅰ為堤基、ⅱ為堤身、ⅲ為防滲墻墻體。堤身、堤基均按均質(zhì)土考慮，并且為老堤，均已完成固結(jié)。
防滲墻布置在堤頂中軸線。防滲墻厚度0.2 m。計算中防滲墻深度分別取13.0 m、23.0 m，相應(yīng)地防滲墻在堤基中的深度分別為5.0 m、15.0 m，以研究不同深度和型式防滲墻的受力特征。防滲墻分別采用三種水泥土材料（抗壓強(qiáng)度分別為2.0 mpa，1.0 mpa，0.5 mpa）進(jìn)行計算，研究材料參數(shù)對防滲墻受力性狀的影響。采用二維平面應(yīng)變分析方法。堤基、堤身和防滲墻用鄧肯-張模型模型［4］。
對堤內(nèi)、外各取24 m作為計算的橫向邊界進(jìn)行計算，自地表向下取30 m作為底部邊界進(jìn)行計算。橫向邊界設(shè)滾軸支座，底部邊界設(shè)鉸支座。計算網(wǎng)格（圖略）單元總數(shù)1450，節(jié)點(diǎn)總數(shù)1516。
計算分期為：第一期對堤基進(jìn)行計算；第二期對堤身填筑進(jìn)行計算；第三期模擬攪拌法施工，計算到第三期時，將前期單元計算成果累加上本期按水泥土容重與防滲墻所在位置土容重之差計算所得體系應(yīng)力應(yīng)變增量，作為本期計算成果。第四期為加載期，計算設(shè)計水位的水荷載作用下防滲墻的受力情況。表2、表3、表4分別給出了三種水泥土材料情況下防滲墻中應(yīng)力的最大、最小值及應(yīng)力水平的最大值，應(yīng)力以壓為正。
從計算結(jié)果可以看出，不論選用那種水泥土材料，在防滲墻的深度不超過20 m，作用水頭不超過8 m的條件下，堤防防滲墻中的最大主應(yīng)力均不超過500kpa (0.5mpa)，最小主應(yīng)力不小于0，即不存在拉應(yīng)力，防滲墻中應(yīng)力水平最大值不超過0.33。
防滲墻抗壓強(qiáng)度設(shè)計值的選取除了考慮深攪水泥土防滲墻在設(shè)計水位下的受力狀態(tài)外，還涉及到兩個問題：（1）用什么標(biāo)準(zhǔn)判斷防滲墻的力學(xué)破壞？（2）選用多大的安全系數(shù)？
如果按照壓縮破壞標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)上述應(yīng)力計算結(jié)果，深攪水泥土防滲墻抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為1.0 mpa時，力學(xué)破壞的安全系數(shù)為2.2左右；設(shè)計值為0.5 mpa時，力學(xué)破壞的安全系數(shù)為1.1左右。如果按照剪切破壞標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)上述應(yīng)力計算結(jié)果，深攪水泥土防滲墻抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為1.0 mpa時，應(yīng)力水平最大值0.12，相應(yīng)單元的安全系數(shù)大于5；設(shè)計值為0.5 mpa時，應(yīng)力水平最大值0.33，相應(yīng)單元的安全系數(shù)在3左右。
根據(jù)深攪水泥土防滲墻的功能和受力方式，應(yīng)當(dāng)考慮圍壓作用，同時由于水泥土在圍壓作用下的力學(xué)破壞為剪切破壞，應(yīng)按照剪切破壞標(biāo)準(zhǔn)評價其力學(xué)穩(wěn)定性，因此本文建議長江堤防深攪水泥土防滲墻的抗壓強(qiáng)度取值宜不低于0.5mpa。
4 主要結(jié)論
（1）堤防防滲墻的功能是截滲或增加滲徑，防止堤身和堤基的滲透破壞。因此，從防滲的功能看，防滲墻的完整性和連續(xù)性是關(guān)鍵。在長江堤防深攪水泥土防滲墻設(shè)計指標(biāo)中滲透系數(shù)是控制性指標(biāo)。防滲墻滲透系數(shù)在10-6 cm/s量級、厚度不小于0.2 m是合適的。
（2）水泥土的抗壓強(qiáng)度在堤防防滲工程中不是控制指標(biāo)，但由于它是直觀反映水泥土質(zhì)量的主要指標(biāo)，在應(yīng)用中也作為一項設(shè)計指標(biāo)。水泥土抗壓強(qiáng)度與水泥的摻量、土質(zhì)類型和含水量、攪拌的均勻性以及成型環(huán)境和齡期有關(guān)。考慮到齡期特性，土質(zhì)特性，成型環(huán)境以及堤防防滲墻施工進(jìn)度等綜合因素，建議以水泥土90 d齡期的抗壓強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。
（3）考慮到長江堤防防滲墻承擔(dān)的作用水頭不高（一般小于8 m），深攪水泥土防滲墻最大深度不超過20 m，從應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果看，防滲墻中最大主應(yīng)力不超過0.5 mpa，防滲墻中無拉應(yīng)力。建議深攪水泥土防滲墻抗壓強(qiáng)度設(shè)計值宜不低于0.5 mpa。
（4）針對長江堤防工程的實際條件，深攪水泥土防滲墻本身不具備產(chǎn)生滲透破壞的前提條件，因此，建議在深攪水泥土防滲墻質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，允許比降可以不作為控制性指標(biāo)。