高压喷射灌浆技术在水利工程中的应用

高压喷射灌浆技术在水利工程中的应用

1前言

　　为解决水工建筑物防渗问题，寻求一种经济且技术先进可靠的防渗方法，在水利工程施工当中，基础防渗处理是水利工程施工中尤为重要的环节。当基础土质较差，渗透性较强时，在水流的作用下对基础的危害很大。结合高压喷射灌浆技术在甘肃张掖大孤山水电站引水枢纽工程中的应用，通过现场检测，明显看出密实度和承载力均远大于原土体，从而提高和保证了工程质量。

　　2工艺原理

　　2.1冲切掺搅作用

　　高喷技术主要是借助于高压射流，通过冲击切割和强烈扰动，使浆液在射流作用范围内扩散、充填周围土层，并与土石粒掺混搅合，硬化后形成凝结体，从而改变原地层结构和组成，达到防渗和提高承载力的目的。高喷凝结体是多种因素综合作用的结果，高压射流对地层结构的影响范围，取决于比能值E的大小，其表达式为：

　　E=(PQ)/(100v)

　　式中：E——每米旋喷柱耗用的能量（MJ/m）；

　　P——喷射灌浆压力（MPa）；

　　Q——射流浆量(L/min)；

　　v——提升速度(cm/min)。

　　E值大，旋喷柱的直径大，一般选用50～70cm直径较好，但最终应通过现场高喷试验确定。

　　2.2升扬、转换作用

　　高喷施工时，水、气、浆由喷嘴中喷出，压缩空气，除能对水或浆液构成外包气层，使水或浆液射流能透入地层较远距离并维持较大压力破碎地层结构外，还可产生升扬作用，将经射流冲击切削后的土石碎屑和地层中细粒，由孔壁和喷射杆的环状间隙中升扬带出孔外，空余部位由浆液替代，同时也起到了转换作用。

　　2.3挤压、渗透作用

　　高喷射流强度随射流距离的增加而较快地衰减至射流束末端，虽不能再冲切地层，但对地层仍产生挤压作用。同时，喷射结束后，静压灌浆持续进行，对周围土体产生渗透作用，不仅可以促使凝结体与周围土体结合更加密实，还在凝结体外侧产生明显的渗透凝结层，具有较强的防渗性能。

　　2.4位移握裹作用

　　地层中较小的块石，由于喷射能量大，辅以升扬、转换作用，最终浆液可填满块石四周的空隙并将其握裹，遇到大的块石或在块石集中区，应降低提升速度，提高比能值。在强大的冲击震动力作用下，块石将会产生位移、松动，浆液沿块石四周空隙或块石间孔隙渗入。在高压喷射挤压、余压、渗透等综合作用下，产生握裹凝结作用，形成连续密实的凝结体。

　　3凝结体的性能

　　水工建筑物地基防渗采用高喷施工时，要求凝结体具有良好的防渗性和稳定性，而对于其抗压强度要求不高。凝结体的防渗性能主要取决于地层组成成分和颗粒级配、施工方法、施工工艺以及浆液材料等。高喷形成的凝结体并不很规则，但与地层结合紧密，由于高喷凝结体周围除了浆皮层外，一般还存在渗透凝结层，有着良好的复合防渗作用，从而进一步提高了凝体的防渗性能。

　　4高喷凝结体的结构布置形式

　　为保证高喷防渗墙的连续性，必须要使各孔的凝结体在有效范围内牢固可靠连接上，为此如何选用结构布置形式和孔与孔的距离则很重要。高喷形成的凝结体的形状与喷射的形式有关，喷射形式一般有旋喷、摆喷和定喷3种。喷射时若边提升边旋转，则凝结体的形状为圆柱体（又称旋喷柱），若边提升边摆动，则形成的凝结体的形状为哑铃状，若只提升和定向喷射则可形成板状（又称定喷板）。目前在青海及甘肃的西南部地区常用的结构布置形式有：定喷折线式、 摆喷对接式和柱摆式等。

　　5高喷材料

　　三管法施工时，多用纯水泥浆，水泥为42.5０或52.5０普通硅酸盐水泥。由于三管法施工，先是高压气、水喷射，而后是压力灌浆，灌浆易被先喷入的水稀释，所以使用的水灰比不应大于1∶1的浓浆。

　　6机械设备的组成

　　高喷灌浆技术有单管法、双管法、三管法。在该工程中采用的是三管法，所用主要设备有XY-2型液压地质钻机、GYP-50型高喷台车、XPB90E型高压泥浆泵。

　　7工艺和施工要点

　　7.1钻孔

　　泥浆固壁回转（或冲击）钻进。造孔过程中做好充填堵漏，使孔内泥浆保持正常循环，返出孔外，直至终孔。跟管钻进，边钻进边跟入套管，直至终孔。钻进时应注意保证钻机垂直，偏斜率应≤1%。

　　7.2下入喷射杆

　　泥浆固壁的钻孔可以将喷射杆直接下入孔内，直至孔底。跟管钻进的钻孔，有２种情况：一是拔管前在套管内注入密度大的塑性泥浆，注满后起拔套管，边起拔边注入，使浆面长期保持与孔口齐平，直至套管全部拔出，而后再将喷射杆下入孔内直至孔底。二是也可先在套管内下入管壁均匀的PVC塑管，直到套管底部，起护壁作用，而后将套管全部拔出，再将喷射杆下入到管底部。

　　7.3高喷施工

　　施工中所用技术参数因使用高喷的方法不同而不同。所用的灌浆压力不同，提升速度也有差异。对各类地层而言，若使用同一种施工方法则水压、气压、浆压的变化不大，而提升速度变化，是影响高喷质量的主要因素。一般情况下，确定提升速度应注意下列几个问题：① 因地层而异，在砂层中提升速度可稍快，砂卵（砾）石层中应放慢些，含有大粒径（40cm以上）块石或块石比较集中的地层应更慢。② 因分序而异。先序孔提升速度可稍慢，后序孔相对来讲可稍快。③ 高喷施工中发现孔内返浆量减少时宜放慢提升速度。

　　8施工工艺

　　8.1墙体位置的确定

　　根据设计要求平整好场地，要求场地内地下无障碍物，对某些作业地基软、不平整，有可能引起整机翻倒引起事故的地段，一定要采取防范措施，在平整场地上对墙体中心线进行测量定位。

　　8.2喷墙管理

　　应控制好掘进速度和灌浆压力、提升速度，送气量的大小应使浆液成沸腾状为宜。灌浆阶段浆液不能发生离析和断浆现象，保证墙体均匀，无夹心层，若发生管道堵塞或因故短暂停机，应迅速抢修。

　　9工程实例

　　在张掖大孤山水电站枢纽基础防渗施工中，所采用的喷灌方法为三管法定向喷射成墙施工。防冲隔墙长为68m，该工程地层为砂砾土，采用凝结体的结构布置形式为柱摆式，成墙深度为30m，墙厚平均为80cm。孔距2m，喷射中心有直径20～30cm的圆柱体。首先用水管、气管、浆管同轴布设组成喷射杆，杆底部设置有喷嘴，气、水喷嘴在上，浆液喷嘴在下，高喷时，随着喷射杆的旋转和提升，采用高压水和气的射流冲击扰动地层土体，呈翻滚松散状态，随后以低压注入浓浆掺混搅拌，硬化后形成凝结体。此方法高喷质量可满足设计要求，工效高、造价低，能充分利用原地土体，就地取材，机械化程度高，其工艺参数为：

　　① 喷嘴直径：2～2.3０mm；（外φ5）

　　② 高压水：10MPa，流量40L/min；

　　③ 气压：0.7０MPa，气量6m3/min；

　　④ 浆压：0.3０MPa，流量80m3/min；

　　⑤ 提升速度：15cm/min；

　　⑥ 三重管回转：7r/ min；

　　施工完成后采用挖深坑数米，用电子填土密实度检测仪对周围土体进行现场质量测试。检测结果为土体密实度和承载力均大于原土体，施工过程中有专人负责记录，记录详实准确。

　　10经济效益和社会效益

　　与常规混凝土防渗墙相比，本防渗工程可不同程度地降低工程造价，具有开挖量小，施工方便，占地少，对临近建筑物影响小等特点。此项技术很大程度地提高了防渗能力，减轻防洪压力，对保障人民生命财产安全以及社会经济发展将起到积极的作用，其社会效益十分明显