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【摘 要】针对长江口青草沙水库砂性土堤基上水力充填堤坝的结构特点和渗流特性，提出采用三轴搅拌桩作为堤坝垂直截渗墙，通过分析和现场试桩确定墙体的设计参数和工程质量检测项目与手段。工程应用实践表明三轴搅拌桩工法在砂性土堤基上水力充填堤坝采用，具有施工质量可控、截渗效果和投资省的明显优势，对类似工程建设具有借鉴意义。
【关键词】水力充填；堤坝；防渗；三轴搅拌桩；检测指标
1. 引言
（1）青草沙水库位于长江口南支下段南北港分流口水域，为江心蓄淡避咸大型水库。水库新建堤坝采用水力充填砂构筑，堤身为充填管袋斜坡堤结构以及抛填袋装砂斜坡堤结构，其特点是堤身两侧及下部主要由土工织物管袋充填砂土堆叠而成，堤身中上部由砂性土散吹形成。地基土多为砂性土或者粉性土，堤坝承受双向非稳定渗流作用，极易发生渗透破坏。渗流控制措施是整个水库工程的关键性项目之一，渗控措施的成功与否，直接关系到水库堤坝的安全运行。
（2）为解决砂性土堤身和堤基得渗透稳定问题，青草沙水库堤坝采用垂直封闭防渗墙进行控制。设计通过多方案的调研、反复比选论证和现场试桩成果，提出采用三轴搅拌桩作为水库临江堤坝垂直截渗墙。
（3）本文针对长江口青草沙水库水力充填堤坝及砂性土堤基，在分析水力充填堤坝结构特点和渗透特性的基础上，通过工程现场试桩等一系列研究工作，提出采用三轴搅拌桩作为垂直封闭截渗墙和相关施工设计参数及质量检测手段。工程实施后，质量检测情况良好，截渗效果达到设计要求。
2. 水力充填堤坝结构特点和渗透特性
2.1 水力充填筑堤工艺是随沿海地区实施圈围造地工程而逐步发展起来的，已成为一种常规工艺。尤其是像上海地区因缺乏筑堤土石材料，水力充填工艺可以利用长江口大量淤积泥沙，结合航道疏浚要求、就地取材，可大大降低工程投资，水力充填筑堤得到较好的发展和应用。
2.2 水力充填堤坝不同于常规的碾压土石坝，堤坝渗透稳定的影响因素多且突出，主要由其特殊的构筑方式和构筑条件决定的，具体体现在以下几个方面：
2.2.1 水力充填堤身构造特殊。
水力充填堤坝采用吹填袋装砂筑堤，堤坝两侧为吹填土工管袋棱体，堤芯中上部为吹填散砂，堤身底部滩面上一般铺设一层护底防冲的土工织物软体排。由此吹填管袋之间及与护底排体的搭接处都极易形成孔隙，尤其对于深槽堤段采用水上抛填袋，袋体采用高强土工布，水上散抛，无规律性排列，极难密实。即使堤身形成后部分孔隙也很难弥合，在水库运行后可能形成渗漏通道。试验显示，堤芯吹填砂的渗透性一般在10-3～10-4cm/s量级，土工管袋结构透水性为吹填砂体2～4倍，水上抛填袋达到在10-3～10-2cm/s量级。
2.2.2 堤基土易渗透变形。
受到河口海湖相沉积特点影响，堤基土在空间上分布不均匀，尤其是表层土，层位不稳定，离散性大。上部砂质粉土和粉砂层一般厚度在5～20m之间，密实度松散～稍密，属于不易判别渗透变形类型的土质，且特殊的沉积环境导致渗透破坏型式多变，既有可能发生管涌，也有可能发生流土。流土破坏时，临界坡降在0.85～1.35，渗流破坏主要由砂层的水平破坏控制，而试验得出的水平坡降为0.08～0.13；管涌破坏时，临界比降在0.5～0.8之间。因此堤基土渗透性大、抗渗透变形能力极弱。
2.2.3 江心施工反滤防渗构造有限制且难以精确控制。
（1）水力充填堤坝筑堤工艺主要采用水下抛填和吹填工艺，中高滩采用人工赶潮作业，深低滩采用船上作业。且均为临水施工，水力充填存在施工速度快，施工质量控制难度大，施工质量不确定性因素多等特点。堤身密实完全依靠土体自重水上水下自然固结。堤坝承受一定水头后，容易形成连续贯穿性的渗漏通道。
（2）与碾压土石坝的干地施工条件不同，潮汐河口地区水库堤坝施工受到潮水影响，因此传统的级配反滤层施工质量无法保证和控制。青草沙水库环库大堤坡面上虽设置了反滤复合土工布和袋装碎石组成的反滤层，但反滤层与堤脚先期为保护管袋的抛石结构之间无法在水下形成连续整体，该处恰好又是流土破坏时出逸坡降最大产生部位。另外在实际施工过程中，因施工抛石备料、机械设备的穿行以及整理边坡过程中的削切，反滤层的施工质量很难得到保障。
2.2.4 堤坝承受双向渗透水流。
青草沙水库在运行过程中咸潮期和非咸潮期庫内水位不断变化，库内最大水位差达8m，同时库外潮水位每日两涨两落，最大潮差达5m以上。因此水库堤坝存在双向渗流稳定问题，既存在库内向库外的渗流（稳定渗流），也存在库外向库内的渗流（非稳定渗流）。
2.2.5 渗透破坏具有隐蔽性。
青草沙水库最高蓄水位7.00m，比库外100年一遇高潮位高，且库内水位变化较为缓慢，而临江侧潮位起伏变化较快（一天二潮），因此库内向库外渗流状况比库外向库内危险。库内向库外渗流，下游坡为长江口（潮涨潮落），加之堤脚有保滩护底抛石结构，边坡或堤脚一旦出现问题，很难发现，而且反滤层修复难度大。
3. 渗流控制方案确定
3.1 试验和计算表明没有渗控措施的围堤在渗流作用下主要存在如下三个方面的问题：出逸点过高导致的散浸问题；出逸比降过大导致的渗透破坏问题；浅层弱透水层承受过大的水头引起的抗浮稳定不足问题。
3.2 渗流控制的原则是前堵后排、保护渗流出口，即控制堤坝的堤身与堤基内的渗流状态，使渗流水头和渗透比降等均在允许的范围内以确保堤坝的安全稳定。
3.3 通过渗流计算可知，水力充填堤坝堤坡出逸段可能出现渗透破坏，坡脚部位出逸比降不满足规范要求，堤身与地基接触面会发生接触冲刷破坏，必须有针对性地采取渗控措施，防止渗透破坏。
3.4 通过对悬挂式截渗墙与封闭式截渗墙这两种型式的效果对比研究，选定封闭式截渗墙。垂直截渗墙有多种形式，合理的墙型不仅需要截渗质量可靠，还需考虑堤身及堤基的特殊工程条件，其施工工艺能解决以下几个核心问题：（1）堤身和堤基多为砂性土，对成槽工艺不利，易塌孔。（2）堤身均采用充砂管袋结构，成墙工艺必须能有效突破土工布，避免土工布夹杂对墙体强度的不利影响。（3）技术合理可行的前提下，必须做到经济也合理，尽量降低工程造价。 3.5 为此，对垂直封闭截渗墙的多种工法、近二十多种具体施工工艺进行详细调查，主要分析研究了高喷法、深层搅拌桩法、三轴搅拌桩法、TRD工法、双轮铣深搅工艺、钢板桩、垂直铺塑、射水造墙、抓斗成槽造墙等工法的适应性。针对工程结构特殊性，初选定了三轴搅拌桩法、高压旋喷桩法和高压摆喷桩法三种工法在现场构造施工场地进行试桩，试桩场地完全按水力充填堤坝构造特点进行建设。试桩主要对上述三种工法功效、施工质量、固化剂参量和相应施工参数进行了分组对比，同一工法又进行不同设计参数的对比。试桩后质量检测表明三轴搅拌桩具有桩架设备稳重、垂直度易控制、墙体均匀性和连续性好、质量可控性强且造价低廉等诸多优点，尤其对水力充填堤坝内土工织物管袋堤基上排布切割效果较好，因而最终选定三轴搅拌桩作为垂直截渗墙的施工工艺。
3.6 因堤顶总宽度为9.5m，且库内侧布置有防浪墙和电缆沟，三轴搅拌桩对工作面要求较高，本工程施工时利用堤坝外坡平台搭设支架平台，图1为三轴搅拌桩（步履式桩机）在本工程现场施工时照片。
4. 三轴搅拌桩截渗墙设计
三轴搅拌桩截渗墙（800@600）采用单排布置，墙体与堤顶电缆沟之间净距1.0m，采用套接一孔法施工，形成连续封闭式垂直墙体，墙体有效厚度大于600mm，允许比降大于30；截渗墙顶高程7.3m，底部进入下卧淤泥质粘土层2m，防渗墙平均长度达26m以上。整个工程此类防渗墙共实施长约20Km。截渗墙典型设计断面如见图2。
4.1 设计参数。
三轴水泥土搅拌桩防渗墙采用850@600的三轴搅拌机施工，采用套接一孔法施工，固化剂掺入量不少于20%（其中水泥不少于75%，粉煤灰不大于25%），膨润土添加剂50Kg/m。
4.2 质量检测项目和指标。
（1）采用浅部开挖桩头（深度宜超过停浆面下0.5m），目测检查桩体的均匀性，量测成桩直径，桩径偏差不应超过±10mm。检验点的数量应为施工防渗桩总根数的1%。
（2）防渗墙的防渗效果采用现场钻孔检测。检测点数量为防渗桩总根数的2%。渗透系数应不大于5×10-6cm/s的保证率为80%，其中最大值不得大于5×10-6cm/s，且出现位置不得过于集中。注水试验水头按设计最大水头确定为不小于8.0m。
图3 钻孔取芯芯样照片
图4 空隙水压变化情况
（3）采用连续全桩长钻孔取芯，芯样完整率要求大于80%，对芯样进行室内抗压试验和抗渗试验，芯样无侧限抗压强度（28天）不小于0.5～1.0MPa（淤泥质粘性土取小值，砂性土取大值），室内抗渗试验不大于5×10-6cm/s。室内抗压试验和抗渗试验为取芯检验点的30%。
5. 实际应用效果
5.1 工程抽检效果。
图3为现场钻孔取芯芯样照片，抽检显示：三轴搅拌渗透系数（现场压力注水及室内渗透试验）均在5.0×10-6～5.0×10-7 cm/s之间，满足设计要求（不大于5×10-6cm/s）；芯样完整率85%～100%，满足设计要求（80%）；芯样无侧限抗压强度（28天）更好，砂性土中平均达到3.0MPa以上，远好于工程试桩和设计预期。
5.2 现场原位监测效果。
工程布置了孔隙水压动态检测断面，测孔位置离坝轴线3.85m，每孔內根据土层分布布置3～4支渗压计。典型断面的检测成果汇总曲线见图4。
从监测水压过程线看，当超静孔隙水压力消散基本完成后，截渗墙施工后孔隙水压力基本不受外江潮位影响，即不随外江潮位的变化而变化，说明三轴搅拌截渗墙达到了截渗目的。
6. 结语
在潮汐河口采用水力充填砂构筑的水库堤坝，堤身不均匀，渗透性强，护坡、护脚结构难以满足反滤防渗要求，需要采取垂直截渗。青草沙水库的实践表明采用800@600的三轴搅拌桩可以构筑深度约在26m以内质量良好的垂直截渗墙，可以满足双向8m左右的防渗水头。三轴搅拌桩工艺成熟，成墙工法设备稳重、垂直度易控制；效率较高，每天可实施约400m2；能够有效切割水力充填堤坝中土工管袋和护底土工织物；截渗墙体均匀和连续性好、施工质量可控；造价约为高压旋喷桩的一半，经济合理。
参考文献
[1] 三轴水泥土搅拌桩在水库防渗中的应用[J].建筑与工程. 2011，25.
[2] 上海青草沙水库三轴搅拌桩防渗墙施工技术[J]. 施工技术. 2011.6.
[文章编号]1006-7619（2013）08-19-782
[作者简介] 李锐（1971.11-），男， 学历：大学本科， 职称： 高级工程师，工作单位：上海市水利工程设计研究院有限公司， 现任职务：副总工程师工程事业部总经理。
【关键词】水力充填；堤坝；防渗；三轴搅拌桩；检测指标
1. 引言
（1）青草沙水库位于长江口南支下段南北港分流口水域，为江心蓄淡避咸大型水库。水库新建堤坝采用水力充填砂构筑，堤身为充填管袋斜坡堤结构以及抛填袋装砂斜坡堤结构，其特点是堤身两侧及下部主要由土工织物管袋充填砂土堆叠而成，堤身中上部由砂性土散吹形成。地基土多为砂性土或者粉性土，堤坝承受双向非稳定渗流作用，极易发生渗透破坏。渗流控制措施是整个水库工程的关键性项目之一，渗控措施的成功与否，直接关系到水库堤坝的安全运行。
（2）为解决砂性土堤身和堤基得渗透稳定问题，青草沙水库堤坝采用垂直封闭防渗墙进行控制。设计通过多方案的调研、反复比选论证和现场试桩成果，提出采用三轴搅拌桩作为水库临江堤坝垂直截渗墙。
（3）本文针对长江口青草沙水库水力充填堤坝及砂性土堤基，在分析水力充填堤坝结构特点和渗透特性的基础上，通过工程现场试桩等一系列研究工作，提出采用三轴搅拌桩作为垂直封闭截渗墙和相关施工设计参数及质量检测手段。工程实施后，质量检测情况良好，截渗效果达到设计要求。
2. 水力充填堤坝结构特点和渗透特性
2.1 水力充填筑堤工艺是随沿海地区实施圈围造地工程而逐步发展起来的，已成为一种常规工艺。尤其是像上海地区因缺乏筑堤土石材料，水力充填工艺可以利用长江口大量淤积泥沙，结合航道疏浚要求、就地取材，可大大降低工程投资，水力充填筑堤得到较好的发展和应用。
2.2 水力充填堤坝不同于常规的碾压土石坝，堤坝渗透稳定的影响因素多且突出，主要由其特殊的构筑方式和构筑条件决定的，具体体现在以下几个方面：
2.2.1 水力充填堤身构造特殊。
水力充填堤坝采用吹填袋装砂筑堤，堤坝两侧为吹填土工管袋棱体，堤芯中上部为吹填散砂，堤身底部滩面上一般铺设一层护底防冲的土工织物软体排。由此吹填管袋之间及与护底排体的搭接处都极易形成孔隙，尤其对于深槽堤段采用水上抛填袋，袋体采用高强土工布，水上散抛，无规律性排列，极难密实。即使堤身形成后部分孔隙也很难弥合，在水库运行后可能形成渗漏通道。试验显示，堤芯吹填砂的渗透性一般在10-3～10-4cm/s量级，土工管袋结构透水性为吹填砂体2～4倍，水上抛填袋达到在10-3～10-2cm/s量级。
2.2.2 堤基土易渗透变形。
受到河口海湖相沉积特点影响，堤基土在空间上分布不均匀，尤其是表层土，层位不稳定，离散性大。上部砂质粉土和粉砂层一般厚度在5～20m之间，密实度松散～稍密，属于不易判别渗透变形类型的土质，且特殊的沉积环境导致渗透破坏型式多变，既有可能发生管涌，也有可能发生流土。流土破坏时，临界坡降在0.85～1.35，渗流破坏主要由砂层的水平破坏控制，而试验得出的水平坡降为0.08～0.13；管涌破坏时，临界比降在0.5～0.8之间。因此堤基土渗透性大、抗渗透变形能力极弱。
2.2.3 江心施工反滤防渗构造有限制且难以精确控制。
（1）水力充填堤坝筑堤工艺主要采用水下抛填和吹填工艺，中高滩采用人工赶潮作业，深低滩采用船上作业。且均为临水施工，水力充填存在施工速度快，施工质量控制难度大，施工质量不确定性因素多等特点。堤身密实完全依靠土体自重水上水下自然固结。堤坝承受一定水头后，容易形成连续贯穿性的渗漏通道。
（2）与碾压土石坝的干地施工条件不同，潮汐河口地区水库堤坝施工受到潮水影响，因此传统的级配反滤层施工质量无法保证和控制。青草沙水库环库大堤坡面上虽设置了反滤复合土工布和袋装碎石组成的反滤层，但反滤层与堤脚先期为保护管袋的抛石结构之间无法在水下形成连续整体，该处恰好又是流土破坏时出逸坡降最大产生部位。另外在实际施工过程中，因施工抛石备料、机械设备的穿行以及整理边坡过程中的削切，反滤层的施工质量很难得到保障。
2.2.4 堤坝承受双向渗透水流。
青草沙水库在运行过程中咸潮期和非咸潮期庫内水位不断变化，库内最大水位差达8m，同时库外潮水位每日两涨两落，最大潮差达5m以上。因此水库堤坝存在双向渗流稳定问题，既存在库内向库外的渗流（稳定渗流），也存在库外向库内的渗流（非稳定渗流）。
2.2.5 渗透破坏具有隐蔽性。
青草沙水库最高蓄水位7.00m，比库外100年一遇高潮位高，且库内水位变化较为缓慢，而临江侧潮位起伏变化较快（一天二潮），因此库内向库外渗流状况比库外向库内危险。库内向库外渗流，下游坡为长江口（潮涨潮落），加之堤脚有保滩护底抛石结构，边坡或堤脚一旦出现问题，很难发现，而且反滤层修复难度大。
3. 渗流控制方案确定
3.1 试验和计算表明没有渗控措施的围堤在渗流作用下主要存在如下三个方面的问题：出逸点过高导致的散浸问题；出逸比降过大导致的渗透破坏问题；浅层弱透水层承受过大的水头引起的抗浮稳定不足问题。
3.2 渗流控制的原则是前堵后排、保护渗流出口，即控制堤坝的堤身与堤基内的渗流状态，使渗流水头和渗透比降等均在允许的范围内以确保堤坝的安全稳定。
3.3 通过渗流计算可知，水力充填堤坝堤坡出逸段可能出现渗透破坏，坡脚部位出逸比降不满足规范要求，堤身与地基接触面会发生接触冲刷破坏，必须有针对性地采取渗控措施，防止渗透破坏。
3.4 通过对悬挂式截渗墙与封闭式截渗墙这两种型式的效果对比研究，选定封闭式截渗墙。垂直截渗墙有多种形式，合理的墙型不仅需要截渗质量可靠，还需考虑堤身及堤基的特殊工程条件，其施工工艺能解决以下几个核心问题：（1）堤身和堤基多为砂性土，对成槽工艺不利，易塌孔。（2）堤身均采用充砂管袋结构，成墙工艺必须能有效突破土工布，避免土工布夹杂对墙体强度的不利影响。（3）技术合理可行的前提下，必须做到经济也合理，尽量降低工程造价。 3.5 为此，对垂直封闭截渗墙的多种工法、近二十多种具体施工工艺进行详细调查，主要分析研究了高喷法、深层搅拌桩法、三轴搅拌桩法、TRD工法、双轮铣深搅工艺、钢板桩、垂直铺塑、射水造墙、抓斗成槽造墙等工法的适应性。针对工程结构特殊性，初选定了三轴搅拌桩法、高压旋喷桩法和高压摆喷桩法三种工法在现场构造施工场地进行试桩，试桩场地完全按水力充填堤坝构造特点进行建设。试桩主要对上述三种工法功效、施工质量、固化剂参量和相应施工参数进行了分组对比，同一工法又进行不同设计参数的对比。试桩后质量检测表明三轴搅拌桩具有桩架设备稳重、垂直度易控制、墙体均匀性和连续性好、质量可控性强且造价低廉等诸多优点，尤其对水力充填堤坝内土工织物管袋堤基上排布切割效果较好，因而最终选定三轴搅拌桩作为垂直截渗墙的施工工艺。
3.6 因堤顶总宽度为9.5m，且库内侧布置有防浪墙和电缆沟，三轴搅拌桩对工作面要求较高，本工程施工时利用堤坝外坡平台搭设支架平台，图1为三轴搅拌桩（步履式桩机）在本工程现场施工时照片。
4. 三轴搅拌桩截渗墙设计
三轴搅拌桩截渗墙（800@600）采用单排布置，墙体与堤顶电缆沟之间净距1.0m，采用套接一孔法施工，形成连续封闭式垂直墙体，墙体有效厚度大于600mm，允许比降大于30；截渗墙顶高程7.3m，底部进入下卧淤泥质粘土层2m，防渗墙平均长度达26m以上。整个工程此类防渗墙共实施长约20Km。截渗墙典型设计断面如见图2。
4.1 设计参数。
三轴水泥土搅拌桩防渗墙采用850@600的三轴搅拌机施工，采用套接一孔法施工，固化剂掺入量不少于20%（其中水泥不少于75%，粉煤灰不大于25%），膨润土添加剂50Kg/m。
4.2 质量检测项目和指标。
（1）采用浅部开挖桩头（深度宜超过停浆面下0.5m），目测检查桩体的均匀性，量测成桩直径，桩径偏差不应超过±10mm。检验点的数量应为施工防渗桩总根数的1%。
（2）防渗墙的防渗效果采用现场钻孔检测。检测点数量为防渗桩总根数的2%。渗透系数应不大于5×10-6cm/s的保证率为80%，其中最大值不得大于5×10-6cm/s，且出现位置不得过于集中。注水试验水头按设计最大水头确定为不小于8.0m。
图3 钻孔取芯芯样照片
图4 空隙水压变化情况
（3）采用连续全桩长钻孔取芯，芯样完整率要求大于80%，对芯样进行室内抗压试验和抗渗试验，芯样无侧限抗压强度（28天）不小于0.5～1.0MPa（淤泥质粘性土取小值，砂性土取大值），室内抗渗试验不大于5×10-6cm/s。室内抗压试验和抗渗试验为取芯检验点的30%。
5. 实际应用效果
5.1 工程抽检效果。
图3为现场钻孔取芯芯样照片，抽检显示：三轴搅拌渗透系数（现场压力注水及室内渗透试验）均在5.0×10-6～5.0×10-7 cm/s之间，满足设计要求（不大于5×10-6cm/s）；芯样完整率85%～100%，满足设计要求（80%）；芯样无侧限抗压强度（28天）更好，砂性土中平均达到3.0MPa以上，远好于工程试桩和设计预期。
5.2 现场原位监测效果。
工程布置了孔隙水压动态检测断面，测孔位置离坝轴线3.85m，每孔內根据土层分布布置3～4支渗压计。典型断面的检测成果汇总曲线见图4。
从监测水压过程线看，当超静孔隙水压力消散基本完成后，截渗墙施工后孔隙水压力基本不受外江潮位影响，即不随外江潮位的变化而变化，说明三轴搅拌截渗墙达到了截渗目的。
6. 结语
在潮汐河口采用水力充填砂构筑的水库堤坝，堤身不均匀，渗透性强，护坡、护脚结构难以满足反滤防渗要求，需要采取垂直截渗。青草沙水库的实践表明采用800@600的三轴搅拌桩可以构筑深度约在26m以内质量良好的垂直截渗墙，可以满足双向8m左右的防渗水头。三轴搅拌桩工艺成熟，成墙工法设备稳重、垂直度易控制；效率较高，每天可实施约400m2；能够有效切割水力充填堤坝中土工管袋和护底土工织物；截渗墙体均匀和连续性好、施工质量可控；造价约为高压旋喷桩的一半，经济合理。
参考文献
[1] 三轴水泥土搅拌桩在水库防渗中的应用[J].建筑与工程. 2011，25.
[2] 上海青草沙水库三轴搅拌桩防渗墙施工技术[J]. 施工技术. 2011.6.
[文章编号]1006-7619（2013）08-19-782
[作者简介] 李锐（1971.11-），男， 学历：大学本科， 职称： 高级工程师，工作单位：上海市水利工程设计研究院有限公司， 现任职务：副总工程师工程事业部总经理。