流沙地层防渗墙抓斗成槽关键技术

流沙地层防渗墙抓斗成槽关键技术

陈敦刚田小青李玉龙

摘要郑州市引黄灌溉龙湖调蓄工程位于黄河南岸，地貌单元上属于全新纪黄河泛滥冲

积平原，地形平坦开阔。地层主要以壤土、砂壤土、细砂、粉细砂、中砂为主，受黄河水

位的影响，地下水位较高。在防渗墙施工过程中，因细砂、粉细砂及中砂受地下水位影响，

施工扰动形成流沙，增加了防渗墙成槽开挖难度。本文详细介绍该工程通过对成槽护壁泥

浆改性，采取低比重、高粘度泥浆进行固壁，确保开挖成槽安全方面采取的一些主要措施，

对类似工程施工具有较好的借鉴作用。

关键词流沙地层泥浆护壁防渗墙施工技术

1 工程概况

郑州引黄灌溉龙湖调蓄工程（龙湖工程）位于河南省郑州市郑东新区，主要分为引水工程、龙湖调蓄池工程和出口控制闸工程等三大部分。龙湖调蓄池水域面积约5.6km2，正常蓄水位为85.50m，平均水深4.5m，最大水深7m。总库容为2680万m3。

龙湖调蓄池是龙湖水系的主体水域，湖体防渗工程是成湖工程的关键环节。一方面，防渗体要能有效地控制池体渗漏量，以便能够蓄水成湖；另一方面，防渗体渗透系数不能太小，以利于湖内水体与地下水相互交换，防止出现各种生态环境问题。因此要求防渗体的渗透系数应具有可控性，达到适度防渗的目的。

主湖区内地表全被第四纪松散堆积物所覆盖，地层情况主要以细砂及砂壤土为主。湖区防渗方案为垂直防渗和水平防渗相结合。垂直防渗为沿主湖区和湖心岛湖岸布设塑性砼防渗墙，进入第5层——相对隔水层。防渗墙厚度为0.4m，总长度为24.10km。防渗墙总面积为90万m2。湖湾区湖底采用天然钠基膨润土防水毯防渗。湖湾区湖底壤土铺盖与垂直防渗体紧密相连，共同组成一个防渗体，减少运行期湖区渗漏。

2 工程地质条件

试验段位于防渗墙轴线桩号外7+463.359～外7+701.739段，地层主要为第四系全新统冲积层（Q4al）和上更新统冲积层（Q3al）。根据地层成因类型、岩性及工程地质特性不同，地层划分为5层。各土层特征具体分述如下：

①层：以壤土（L）、砂壤土（SL）为主，局部地段上覆人工填土。本层一般厚度0.5～

5.3m，浅黄色，潮湿～饱和，稍密～中密，分布不稳定，在湖区分布厚度差异较大，层厚0.70～13.1m。该层局部呈断续状分布，层底高程73.3～84.2m；局部夹有细砂（Sx）、粉细砂（Sis）及粘土（CL）薄层或透镜体。

②层：以细砂（Sx）、粉细砂（Sis）为主，浅黄色、灰色，湿～饱和，稍密～中密

状，厚度2.5～13.2m，层底高程65.4～79.6m。本层夹有砂壤土（SL）、壤土（L）及中砂（Sz）薄层或透镜体。

③层：以砂壤土（SL）、壤土（L）为主，灰色、灰黑色，饱和，厚度0.5～7.5m，层底高程66.4～75.7m，该层较薄。局部夹有粘土（CL）透镜体。

④层：以中砂（Sz）、细砂（Sx）为主，本层厚度为5.1～17.6m，层底高程53.6～

68.1m分布较稳定。为浅黄色、灰色，饱和，中密～密实，局部含钙质结核和小砾石。本层夹有壤土（L）及粉细砂（Sis）薄层或透镜体。

⑤层：以壤土（L）为主，黄褐色、暗黄色，硬塑～坚硬，含钙质结核，局部夹砂壤土（SL）、粉质粘土（CL）、细砂（Sx）薄层或透镜体。

3 流沙地层成槽开挖存在问题分析

2010年11月20日，在进行防渗墙成槽开挖试验施工过程中发现：砂质土地层受地下水影响，采用常规泥浆固壁方法施工时，砂土层开挖扰动易形成流沙状态，槽内泥浆悬浮泥沙含量大，成槽开挖后1h槽底淤积即可达2～3m，个别槽段槽底沉淀的淤积达到5～6m以上。因此，需要采取相应的泥浆制浆手段，解决槽孔固壁与槽段清孔换浆施工方面存在的问题：

（1）仅从砂土地层固壁效果来看，采用浓度较大的泥浆，便于槽壁泥皮的形成，且泥浆浓度大，形成的槽内外水压差较大，便于砂土地层开挖成槽安全，但与此相对应的是泥砂悬浮不易沉淀，对清孔换浆造成困难。采用浓度较小的泥浆时，在短时间内不易在槽壁形成较厚的泥皮，在成槽开挖过程中增加了塌孔的风险，但槽孔内泥砂沉淀时间短，清孔换浆容易。

（2）流砂地层开挖过程中，槽内泥砂相对较多，槽孔开挖完成后，槽底将形成较厚的泥砂沉淀物，需要进行多次打捞，并易造成槽孔超深。

（3）槽底泥砂沉积层密度大，采取泵吸法清除槽底泥砂存在较大的难度。

（4）抓斗清除槽底沉淀过程中，需要斗体进行必要的改进。即在斗体上设置必要的排气孔，提高抓斗一次打捞沉淀量，同时，要防止抓斗打捞的沉淀砂从排气孔内流出，降低清孔效果。

4 防渗墙泥浆护壁成槽机理分析

4.1 泥浆的组成

泥浆是粘土颗粒分散在水中的悬浮液，用来稳定孔壁或槽壁不可缺少的介质材料。

固壁泥浆一般由水、粘土及化学处理剂组成。泥浆用水有淡水和矿化水，不同的水配成的泥浆具有不同的性能。粘土是泥浆中的主要固相成分，其颗粒粒径大多数小于0.005mm，它具有带电、吸附离子、水化膨胀以及分散或絮凝等性能。常用的膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的特殊粘土，它的制浆性能优于其它粘土。加入化学处理剂的目的，是为了改善泥浆的性能，以满足不同工艺的要求。有时为了提高泥浆的比重

或防漏失能力，在泥浆中加入重晶石粉、石灰石粉、方铅矿粉、纤维等惰性材料。

4.2 泥浆的功能

泥浆的正确使用和泥浆性能的控制是泥浆护壁挖槽法成败的关键。泥浆的功能主要体现在以下几方面：

（1）防止槽壁坍塌。泥浆的浆柱压力可抵抗槽壁上的土压力和水压力，并防止地下水渗入槽内；同时，泥浆渗透到地层中的一定范围，粘结该范围内的地层颗粒，并在槽壁表面形成泥皮。这种双重作用减少了槽壁坍塌的可能性。

（2）防止渗漏。防渗墙在施工的过程中，孔内泥浆在浆柱压力的作用下注入地层，堵塞渗漏通道，防止泥浆的大量漏失，使施工能顺利进行。静止状态的泥浆在受压脱水

防渗墙的整体防渗效果。

（3）悬浮和携带钻碴，清洗孔底，提高钻进工效，使造孔挖槽施工有效地进行。对于用抽砂筒出碴的冲击钻进，泥浆有悬浮钻碴的作用，对于正反循环出碴的钻进方式，泥浆有携带钻碴和清洗孔底的作用。

（4）冷

5 流砂地层防渗墙成槽施工主要控制措施

5.1 优化泥浆配合比

泥浆护壁被广泛利用于地下连续墙成槽、钻孔灌注桩成孔及钻井等施工中，泥浆应具有一定的造膜性、理化稳定性、流动性和适当的密度。

为加快泥浆中砂粒快速沉淀，缩小清孔等待沉淀时间，按照规范要求，比重控制不小于规范要求的最低标准1.05。为了弥补泥浆因浓度小而造成泥皮形成时间过长的缺陷，采用添加增粘剂促进泥浆固壁效果。试验段施工过程中，经过对泥浆配比的多次调试，泥浆制浆时，每立方浆材增加增粘剂0.5kg，减少15kg膨润土，使泥浆达到了较优效果。优化后泥浆配比见附表1。

优化后的泥浆护壁效果良好，同时加快了泥浆中砂的沉淀，槽内泥砂沉淀时间由原来的6～8h缩小到2～3h，为及时清孔争取了时间，提高了施工工效。

5.2 采取综合清孔换浆方式，提高工效

流砂地层成槽开挖过程中，槽孔内泥砂含量相对较大，沉淀打捞、槽孔内泥浆换浆难度较大。为此，结合郑州龙湖防渗墙成槽特点。制定了抓斗打捞沉淀为主，槽孔内浆液置换为辅的综合清孔换浆方式。