渠式切割水泥土连续墙（TRD）在赣江某综合整治工程中的应用

摘要：在水利防渗工程中，渠式切割水泥土连续墙（TRD）作为防渗墙，其设计方法、施工控制要点和实施效果有待进一步的研究。依托江西赣江某综合整治工程，根据项目工程地质特点，比较不同防渗墙的施工优势，设计了联合双轮铣深层搅拌技术（CSM）的TRD施工方案，通过试成墙试验，确定了TRD的施工参数，并对成墙质量进行了钻孔取芯和地质雷达检测。试验结果表明：TRD防渗墙在富水圆砾地层中施工效果较好，成墙速度8～10m／d。钻孔取芯检测结果表明：芯样率较高，完整性好，防渗墙连续均匀；芯样无侧限抗压强度为1.4~1.9MPa，渗透系数小于1×10－6 cm／s，强度、渗透性等满足防渗性能要求。地质雷达检测结果显示：TRD防渗墙成墙完整性好，墙体均匀连续且达到设计深度。

关键词：水利工程；防渗墙；TRD；CSM；富水圆砾地层

▍0 引   言‍‍‍‍‍‍‍

对于水利工程的防渗墙而言，通常是设置在堤（坝）轴线迎水侧，用于隔断堤内地下水与堤外江水之间的水力联系，来控制水利工程中渗流破坏风险，具有防洪防涝的作用，以保护周围居民与土地安全。其中渗漏问题对水利工程的正常运行具有重大影响，严重时甚至会造成巨大的生命财产和生态环境损失。目前，应用较多的防渗墙工艺有混凝土防渗墙、高压喷射防渗墙、帷幕灌浆、垂直铺塑、水泥土搅拌桩防渗墙等。

1）混凝土防渗墙是使用特殊的机械开槽，采用泥浆护壁，待沟槽挖掘成型后浇筑混凝土建立一个连续的防渗墙；其具有适用范围广、工艺简单、防渗效果好、施工处理深度大的优点，但施工效率较低、造价比较高，在土层承载力差异较大的地层中容易发生塌孔的现象，泥浆与混凝土的有效分隔，以及墙体间接缝处防渗措施的加强是其防渗性能有效保障的关键。

2）高压喷射防渗墙是将注浆浆液、压缩空气、高压水三种介质通过同心钻杆喷射至目标深度，钻杆边旋转边通过高压喷射流切削周边土体，形成桩体，并相互咬合搭接，形成连续防渗帷幕；具有施工功效高的优点，但其适用范围有限，多适用于原始砂卵石地层和级配一定的堆料层，由于工法设备的限制，在施工深度较大的工程中防渗效果较差。‍‍‍‍‍‍

3）帷幕灌浆方法采用机械开凿一定间隔的孔洞，并在孔洞中注入一定浓度的浆液（一行或几行），直至充满在岩土体的裂缝和孔隙中，形成有一定强度和防渗性的隔水帷幕；其优点是适用范围广，并且不受地基加固深度的影响，但帷幕灌浆往往会受到复杂的地质条件和水文条件的影响，施工质量控制比其他防渗墙施工方法更加困难。

4）垂直铺塑防渗帷幕是通过开槽机垂直开槽，然后将特质土工膜铺设在槽内，形成隔水帷幕；其具有施工速度快、施工效率较高、防渗断面封闭且质量较好的优点，但如遇到较大的块石、卵石等复杂地层时，其设备磨损较大，施工效率会大大降低，并且其施工质量检测比较困难。

5）水泥土搅拌桩防渗墙是通过钻杆底部的搅拌叶片对原位土体进行搅拌的同时喷射固化剂（水泥浆等）和压缩空气，使水泥土桩之间相互紧紧咬合，形成具有相同厚度和一定强度的水泥土防渗墙；其优点是防渗效果较好，施工效率比较高且造价较低，已在各类围堰防渗工程中被广泛应用，但其施工深度有限，一般不超过18m，并且对于特别坚硬土层无法进入搅拌（如卵石层、风化岩体），不适合复杂地层施工。

渠式切割水泥土连续墙（trench⁃cutting re⁃mixing deep⁃wall，TRD）是一种新型水泥土防渗墙，首先采用链锯型切削刀具竖直插入土中，横向掘削的同时掺入固化剂与原位土体混合搅拌，形成连续等厚的水泥土防渗墙。与传统的水泥土搅拌桩防渗墙相比，由于TRD在整个成墙施工过程中连续切割及混合搅拌，在幅间或转角处采用搭接施工，并精确控制垂直度，因此墙体连续均匀，成墙效果较好，具有更好的强度和抗渗性。且其施工机械较小、施工灵活、施工范围更广，不仅适用于粉土、砂土、黏土层施工，也适用于标贯值大于60击的密实砂层和无侧限抗压强度不大于5MPa的软岩地层。

▲ TRD工法动画演示

目前，TRD已应用于垃圾填埋场防渗墙和基坑止水帷幕。文献介绍了TRD在温州某填埋场防渗工程中的应用，该项目土层分布主要以黏土和淤泥土为主，采用防渗墙长865m，厚0.6m，平均深度为15m，墙底进入下部淤泥层中2m。根据钻孔芯样的强度和渗透系数试验结果显示，该防渗墙的渗透系数可达9.96×10－6~1.61×10－7 cm／s，水泥土试块单轴抗压强度为4.7~23.1MPa，达到了设计要求。王卫东等在上海淤泥质黏土和粉砂土为主地层中开展了超深TRD基坑止水帷幕的试成墙试验研究，设计止水帷幕深度为56m，成墙厚度为700mm，进入标贯大于50击的粉砂层中隔断承压水层。试验结果表明：取芯样较完整，水泥土连续墙均匀连续，水泥土试块强度超过1.0MPa，钻孔取芯强度达到0.84~1.38MPa，渗透系数达到1×10－7 cm／s，满足止水帷幕设计要求，验证了TRD在施工深度较深，且穿过标贯较大密实砂土层中也能很好保证成墙质量。魏祥等介绍了武汉黏性土、淤泥质土、砂砾石复合地层中超深TRD基坑止水帷幕的应用研究，该工程基坑开挖深度大，场地内富含地下水，承压水问题比较严重，基坑开挖较深处已揭露承压水层。为了隔断承压水层，防止突涌，设计落底式止水帷幕的深度为57m，嵌入中风化泥岩层不小于0.2m，成墙厚度为850mm。检测结果表明：墙身相对均匀，钻孔取芯强度在1.05~2.0MPa之间，渗透系数在1.37×10－7~3.40×10－7 cm／s之间，均满足止水帷幕设计要求，防止了基坑突涌破坏现象的发生。

上述研究表明，TRD作为一种防渗性能优异的水泥土连续墙，在垃圾填埋场防渗墙和基坑止水帷幕中已经有了许多成功实践，但仍未见其在水利工程中的应用研究的相关报道。TRD作为水利工程的水泥土防渗墙，其设计计算方法、施工控制环节和实施效果还有待验证。本文基于江西赣江某综合整治工程，通过试成墙试验，研究TRD作为水利工程防渗墙的适用性和应用效果。本工程位于临江一级阶地，水力联系丰富，上部为黏土层，下部为砂土层，底部为圆砾层，土层的渗透系数较大。为了有效解决本工程临河大坝存在地下水绕坝渗流问题，隔绝堤内外水力联系，需将TRD穿过标贯大于16击圆砾层进入强风化泥质粉砂岩层中。

1.1工程简介

本水利工程为江西赣江某综合整治工程项目，该项目中含有主支、北支、中支、南支四座拦河闸，如图1所示。通过建闸抬水，控制赣江南昌河段枯水位调控在高程15.5m（黄海高程），改善通航条件的同时美化沿江水景观，促进城市美丽健康发展。

主支拦河闸工程隶属于主支象山枢纽工程，位于象山镇附近，该枢纽主体建筑物由泄水闸、船闸、鱼道和连接挡水建筑物组成，闸址轴线总长1 358.3m，从左至右依次布置有（图2)：左岸连接段（包括鱼道，长126m)、泄水闸段（17孔，长750m)、中间连接段（长230.3m)、船闸段（长122m)、右岸连接段（长130m)。

施工期因改变了施工区域的河道，为保证施工期闸址不断航，必须对施工期临时航道进行设计，设计标准不低于现有航道等级。主支象山枢纽施工期为2020年12月—2026年4月，根据施工导流方案和施工进度总体安排，2020年12月—2021年5月由原航道通航，2021年6月—2023年12月由左侧疏浚河道通航，2024年1月—2026年4月由船闸通航。因此，主支象山枢纽工程分二期导流，先对左岸滩地进行疏浚，等到其可以通航时，在一期围堰保护下施工右侧7孔泄水闸和船闸，船闸具备通航条件后，二期围堰保护下施工左侧8孔泄水闸和2孔大闸。

根据地质条件，闸址上游左岸滩地疏浚后需对开挖边坡进行护岸，防止岸坡受水流、风浪淘刷破坏影响堤防及泄水闸安全。通过方案比选，本工程采用坡式护岸形式，护岸范围同左岸河道疏浚范围（图3)。如图4所示，护岸5m高程以上按1∶5的坡度放坡至高程14m，坡上采用0.15m厚的模袋混凝土护坡，坡顶及坡脚水平面外延3m，坡脚外抛厚2.0m、宽17.98m的抛石护脚，护脚顶高程5.0m、底高程3.0m。高程14m处设宽3.0m平台，放坡至15.0m～16.0m高程，坡上采用0.5m厚预制混凝土生态框，下设一层反滤土工布（400g／m2）及0.2m厚的砂砾石垫层。该堤段堤身填筑质量较好，不进行堤身防渗处理，堤基加固采用防渗墙。加固范围内堤脚外侧坑塘采用土方回填处理，结合景观要求，回填至16.00m高程，略高于正常挡水位0.5m。

1.2水文地质条件

工程区域地层在勘察深度范围内主要可划分为以下几层：①2堤身填土；②2粉质黏土；②4粉细砂；②5淤泥质黏土；②7中砂；②8粗砂；②9砾砂；②10圆砾；④1全～强风化泥质粉砂岩，各岩土层空间分布及工程特性详见表1，典型岩土层剖面如图5所示。工程场地内土体具二元结构，上部黏性土下部粉细砂、中砂等砂土，力学性能较差，在长期水流冲刷作用下易发生崩岸或滑坡现象。工程区域自晚更新世以来未见有明显的活动性，区域构造稳定性好。工程区域基岩钻孔揭露的岩层倾角多为5°~15°，岩层倾角较稳定，钻孔中未揭露到断裂。地震基本烈度等于Ⅵ度，区域地质稳定，适宜工程建设。

工程区域地表沟、塘、坑密布，地下水类型主要为基岩裂隙水和孔隙性潜水。基岩裂隙水主要赋存于节理裂隙中，含（透）水性差；孔隙性潜水主要赋存于第四系覆盖层下部的粉细砂、中砂等砂土及圆砾层中，含（透）水性好，含水层厚27.40～47.30m，平均34.78 m，上部以黏土、壤土、淤泥质黏土为主，透水性微弱，构成相对隔水顶板；下伏基岩为隔水底板。地下水主要受大气降水补给，排泄于赣江；汛期则受赣江水侧向补给。施工期间，地下水稳定水位多处黏性土层中，一般在11.45～13.42m之间，高于相对不透水层底板，具承压性，汛期时地下水位还将抬高，承压水头将更高。

工程区域平均年降雨量为1 620.3mm，月均降雨量变化较大，主要集中在4—6月，4—9月为汛期。本工程场地地表水及地下水对钢结构及混凝土具有一定的腐蚀性，在施工过程中混凝土应选用具有抗腐蚀性能的水泥，如存在涉水建筑物，须对其进行防腐处理，以确保建筑物安全。

2.1设计目的

2.1.1总体防渗要求

围堰工程的等厚度水泥土防渗墙的深度超过水泥土搅拌法工艺一般不超25.0m深度的规定，并且施工地层砂砾石的最大粒径和密实度比通常采用搅拌法施工的地层要大而密实，为验证和完善采用的施工工艺，在初设阶段于主支象山枢纽开展试成墙试验。

初步设计采用封闭式防渗墙，根据《深层搅拌法技术规范》(DL／T 5425—2009)，确定本工程执行混凝土防渗墙渗透系数k≤1×10－5 cm／s和28d强度R28≥1.0MPa的标准。

2.1.2方案比选

本水利工程防渗墙设计的平均深度达到44m，且需穿过标贯击数达到16的圆砾层，该层圆砾含量约为60％，直径最大可达12cm，且该层平均厚度为29.3m。从施工深度可行性和经济成本方面来看，传统的水泥土搅拌桩工艺比较适用于防渗墙深度不到30m的情况，且难以进入岩层施工，难以满足本项目规定的防渗墙质量要求；垂直铺塑防渗技术由于机械限制施工深度有限且在岩层中难以施工，同样不适用于本工程场地；采用超深三轴水泥土搅拌桩工艺虽施工深度较深，但其垂直度难以控制，可能存在底部开叉引起局部渗流的情况，止水效果不易得到保证；高压旋喷技术施工深度较深，但其成墙质量受技术人员操作水平影响较大，在复杂地层结构中成墙质量得不到保证，会存在局部渗漏的问题，且造价较高成本难以控制；混凝土防渗墙在强风化岩层中施工比较困难且造价比较高。南昌市城区紧邻赣江的建筑基坑止水一般要求采用TRD工艺，本工程最终选取TRD防渗墙。考虑到双轮铣深层搅拌技术（cutter soil mixing，CSM）操作灵活稳定性好，且具备超深和复杂地层施工的适用性，在本工程转角、不规则段以及冷缝处理配合采用CSM工艺，联合CSM工艺的TRD方案特点见表2。

2.2设计内容

根据《深层搅拌法技术规范》(DL／T 5425—2009)规定，防渗墙应布置在堤（坝）轴线迎水侧。本工程防渗墙设计范围为泄水闸上游0.6km，下游0.5km，对应赣西联圩桩号赣西12＋089至赣西13＋498，因此防渗墙的厚度S应满足：

式中：ΔH为墙体两侧水头差，本工程为21.68m；[J]为水泥土允许比降，可取破坏比降的1／3~1／2，[J]取值40；ηj为系数，可取1.1~1.4，本工程取值1.4。

水泥土防渗墙最小厚度不宜小于150mm，经计算，深层搅拌地下连续墙有效墙厚为650 mm，即可满足破坏比降要求。最终按照最小墙厚和考虑预留安全度，取墙厚为800mm。

根据《深层搅拌法技术规范》(DL／T 5425—2009)要求，对于封闭式防渗墙，墙体应进入不透水或相对不透水层0.5～1.0m。本工程设计防渗墙顶部伸入堤基上部黏土不小于2m，底部打入至②10圆砾层下的④1全～强风化泥质粉砂岩层1m，防渗墙平均深度约为44m（图5)。

基于水泥土防渗墙试成墙试验，本水利工程联合CSM工艺的TRD防渗墙的施工控制参数如表3所示。TRD防渗墙采用CMD850型机械设备进行施工（图6(a))，采用“三步法”的施工顺序（即先行切割、回撤切割、注浆成墙）：首先通过切割箱端部注入切割液向前掘削一段距离后停止（约8m)，同时须在切割液中掺入适量的钠基膨润土，掺量约为5％，水膨润土比为3~10，水平切割速度约为0.7 m／h，控制泥浆流动度宜为135～240mm，由于本工程施工嵌入至强风化泥质粉砂岩，如果直接切割施工会存在刀盘磨损较大的情况，由于该岩层具有遇水软化的性质，本工程切割至岩层上部时暂停施工3～4h，使该岩层充分崩解软化后再进行切割，可以大大提高施工速度、减小刀盘损耗；然后回撤切割至起始位置，回撤过程中须对混合土体进一步切割搅拌，回切速度3m／h；最后通过切割箱端部注入固化液向前推进搅拌成墙，固化液采用P．O42.5级普通硅酸盐水泥，掺量25％，水灰比为1.2~1.5，喷浆成墙速度1.5m／h，控制泥浆流动度宜为150～280mm。根据《渠式切割水泥土连续墙技术规程》(JGJ／T 303—2013)要求，TRD防渗墙定位偏差应小于25mm，成墙后水平偏位不得超过30mm，墙身垂直度偏差不得超过1／250。

在转角和不规则处采用CSM工法，由于本工程施工深度大于20m且穿越深厚圆砾层嵌入强风化岩中，应采用跳槽式施工顺序（即向前先施工一幅，后间隔一幅的长度继续施工一幅，以此类推施工至目标长度后再依次施工间隔处）通过钻杆下端的一对液压铣轮对原地层进行铣削搅拌，采用四喷四搅成桩工艺（图6(b))，第一次开始钻进时喷水，钻入至地面以下10m处开始搅拌喷膨润土浆液直至设计深度，钻进速度为0.6m／min，并复搅喷膨润土浆8次，第二至第四次钻进、提升搅拌喷水泥浆液，下沉速度不大于1 200mm／min，上提速度不大于1 800mm／min，与被打碎的原地基土搅拌混合后形成具有一定强度和抗渗性的水泥土连续墙。根据《天津市铣削式水泥土地下连续墙技术规程》(DB／T29－267—2019)要求，定位偏差应小于30mm，成墙后水平偏位不得超过10mm，墙身垂直度偏差不得超过1／300。

TRD工法与CSM工法施工的墙体需要搭接时，宜采用CSM铣削已成形的TRD墙体，铣削长度不宜小于500mm，转角部位两边外伸长度均不宜小于500mm。CSM工法应连续施工，转角搭接施工或与其他工艺水泥土桩的搭接时转角部位两边外伸长度均不少于300mm。

《水利工程质量检测技术规程》(SL 734—2016)提出水利工程防渗墙的质量检测内容宜包括渗透系数、抗压强度、墙体完整性、墙体深度等。

《水利水电工程单元工程施工质量验收评定标准⁃地基处理与基础工程》(SL 633—2012)只提出了水泥土搅拌桩防渗墙的相关施工控制参数应满足设计要求，不能应用于本工程的质量评定。因此本项目TRD水泥土防渗墙的质量检测标准按照设计要求进行评定。

4.1钻孔取芯检测

为验证TRD防渗墙的施工质量，在防渗墙（防渗0＋686至防渗1＋727）每间隔50m处钻孔取一个芯样，共取22个钻孔的芯样进行无侧限抗压强度和渗透系数的检测。芯样照片如图7所示，观察发现芯样较为连续，比较完整，破碎较小，胶结度好，呈水泥土颜色且较为均匀。因此，总体而言，钻孔取芯芯样连续完整。

取芯检测结果如图8所示。结果表明：水泥土防渗墙墙身质量相对均匀连续，上部土层（15m以上的黏性土及互层土）中芯样抗压强度普遍在1.6MPa左右；下部土层（15～44m之间的砂层和圆砾层）芯样无侧限抗压强度有明显提高，在整个试验段均匀分布于1.8MPa左右，芯样平均抗压强度均大于1.0MPa设计值，满足强度要求；上部土层渗透系数相较于下部土层较高，可能是墙体硬化凝结过程中部分水泥土向下沉淀作用导致，在试验段所有芯样渗透系数均不大于1×10－5 cm／s的设计值，普遍为1×10－6 cm／s甚至达到1×10－7 cm／s，可以满足防渗要求。进一步检验了在南昌富水圆砾地层TRD等厚度水泥土防渗墙技术的施工可行性，并通过试成墙试验确定了水灰比、水膨润土比、水泥掺量、切割速度等施工参数。

4.2雷达探测

通过地质雷达探测，对TRD防渗墙的完整性进行评定。通过现场踏勘，在防渗墙中轴线布设测线，采用UltraPEpulseEKKO大深度地质雷达，搭载50MHz低频非屏蔽收发分离式天线，分辨能力为0.5m，在本工程地质条件下最大探测深度超过60m，板距2m，步长1m。本次探测的防渗墙由于中间一段被水淹没（水较深），故本次测量被分为两条剖面（图9)，分五次测量完成，其中1号剖面全长615m（分为3段测量段面，第一段200m，第二段300m，第三段115m)，2号剖面全长375m（分为2个测量段面，第一段200m，第二段175m)，测线总长度为990m。

雷达探测结果如图10所示，灰蓝色填充区域代表无异常反射信号，表示墙体均匀连续。除此之外，1号剖面第一段95～105m、第二段332～378m、2号剖面165～275m存在干扰（图10中蓝色区域所示），第一处干扰原因不明，第二处干扰应为测量当天机械退场供电的强电干扰，第三处干扰范围较大，推测为垂直测量剖面的电线及周边金属机械产生的。在整条剖面深度约6～18m范围内存在相对不密实层（图10中红色线条中间区域所示），推测可能是周边地层比较松散导致。总体而言，由防渗墙顶面及底面无异常信号干扰可以看出其连续性较好，且顶面与底面相互之间虽然有几处存在干扰波段但没有出现明显的断裂带或大片的红色不密实层区域，可以看出本次施工TRD等厚防渗墙体内部较均匀，推断防渗墙是完整连续的。

(1）在水利工程中首次应用了TRD防渗墙，施工厚度为800mm，最大深度达44m，穿透标贯大于16击的富水圆砾层，嵌入强风化泥质粉砂岩层。结合CSM工艺解决了在转角、不规则段以及冷缝处理问题。

(2）确定了本工程TRD防渗墙三步法施工的主要控制参数。水平切割速度为0.7m／h，切割液每立方米土体掺入钠基70～100kg膨润土，水膨润土比为3~10；回切速度为3m／h；注浆速度为1.5m／h，固化液水泥掺量为25％，水灰比为1.2~1.5。

(3)TRD整体成墙速度达到8～10m／d，验证了TRD在深部细砂层、卵石层、强风化泥岩等复合地层的施工能力，钻孔取芯和地质雷达检测结果表明：TRD防渗墙墙体完整性和均匀性较好，达到设计深度，芯样无侧限抗压强度为1.4~1.9MPa，渗透系数小于1×10－6 cm／s，满足防渗性能要求。

(4）已有《深层搅拌法技术规范》(DL／T 5425—2009)主要针对水泥土搅拌桩防渗墙，虽然对于TRD等厚度防渗墙具有一定参考意义，但对其厚度设计计算仍不明确，且对于具体的施工参数没有较明确的范围建议值。建议出台水利工程等厚度水泥土防渗墙的技术规程，以指导相关设计计算和现场施工。

▲ 南昌水利枢纽项目介绍