水電站施工圍堰高壓噴射灌漿防滲技術(shù)

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摘   要：高壓噴射灌漿是80年代在堤壩涵閘的防滲工程中發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，隨著施工技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)在水電站的施工圍堰的防滲中應(yīng)用也越來越普遍。高壓噴射灌漿用于水電站圍堰防滲，關(guān)鍵在于施工設(shè)備、施工參數(shù)的選擇。
    關(guān)鍵詞：圍堰；高壓噴射灌漿；噴射參數(shù)

    1 、前言水電站施工圍堰是基坑開挖擋水的重要臨時(shí)設(shè)施，對于大型水電站的施工圍堰一般要進(jìn)行防滲處理，以減少抽水量，并保持施工工作面的穩(wěn)定。近幾年隨著水電站工程的展開，特別是在幾個(gè)大型水電站應(yīng)用的推動(dòng)下，高壓噴射灌漿作為水電站圍堰防滲技術(shù)已日趨成熟。
    高壓噴射灌漿技術(shù)，開始階段只用于粉細(xì)砂地層，隨著理論技術(shù)水平的提高、設(shè)備條件的改進(jìn)、工藝方法的不斷完善，這項(xiàng)技術(shù)已拓寬至極弱軟淤泥及淤泥質(zhì)地層加固和含大顆粒極不均勻礫卵漂石地層的防滲加固工程。它具有較好的防滲性能，施工簡便、靈活，機(jī)具震動(dòng)小，噪音低，拆除易，特別適用于水電站土石圍堰這樣的臨時(shí)工程。
    2 、高壓噴射灌漿機(jī)理高壓噴射灌漿的機(jī)理是置換灌漿，即利用置于鉆孔中的噴射管，通過高壓水（漿）、氣同軸噴射，在提升過程中，高壓水（漿）、氣射流使土體被沖切，經(jīng)高壓水（漿）、氣的攪拌作用成為泥漿，同時(shí)由下而上灌注純水泥漿或水泥砂漿，使泥漿被升揚(yáng)置換到地面，形成滲透系數(shù)小，具有一定強(qiáng)度的凝結(jié)體，達(dá)到堰（壩）體防滲和提高地基承載力的作用。
    灌注漿液只在射流作用范圍內(nèi)擴(kuò)散充填，有著較好的可灌性和可控性。高噴灌漿凝結(jié)體是多種因素綜合作用的結(jié)果，工作條件和地層因素起主導(dǎo)作用。從理論和工程實(shí)踐分析，高噴灌漿的作用機(jī)理主要有以下幾個(gè)方面：2.1 沖切摻攪作用當(dāng)噴射流能量直接對土體產(chǎn)生沖切作用，造成土體結(jié)構(gòu)破壞，并使?jié){液與被沖切下來的土體顆?；旌稀?
    2.2 升揚(yáng)置換作用射流在沖切過程中沿孔壁產(chǎn)生的升揚(yáng)置換作用是指實(shí)行水氣、漿氣噴射時(shí)，壓縮空氣除了起保護(hù)射流束的作用外，能量釋放過程產(chǎn)生的氣泡能攜帶被沖切下來的土體顆粒沿孔隙內(nèi)上升揚(yáng)到孔口。這樣，土體部分顆粒被升揚(yáng)置換出地面。同時(shí)漿液灌入地層，使地層組成成分產(chǎn)生變化。
    2.3 充填擠壓作用射流束末端，能量衰減，雖不能沖切土體，但對土體產(chǎn)生擠壓力，同時(shí)噴射結(jié)束后，靜壓灌漿作用仍在進(jìn)行，對周圍土體和漿液不斷產(chǎn)生擠壓作用，促使凝結(jié)體與周圍土體結(jié)合更為緊密。
    2.4 滲透凝結(jié)作用噴射灌漿過程中除在沖切范圍內(nèi)形成凝結(jié)體外，還可以向沖切范圍外的土體產(chǎn)生漿液滲透作用，形成滲透凝結(jié)層，其厚度與地層的級配及滲透性有關(guān)。
    2.5 位移袱裹作用試驗(yàn)表明，在射流沖切摻攪過程中，若遇大顆粒如卵漂石等，則隨著自下而上的沖切摻攪，在沖擊震動(dòng)力作用下，大顆粒將產(chǎn)生位移，被漿液袱裹；漿液也可沿著大顆粒間孔隙周圍直接產(chǎn)生袱裹凝結(jié)作用，亦即該法可用于卵漂石地層及堆石體的原理。
    3 、施工設(shè)備高壓噴射灌漿有多種方法，目前在施工圍堰防滲中多采用單管法、雙管法和三管法。近年，高壓泥漿泵性能的提高，新三管法得到了廣泛的應(yīng)用。
    所謂新三管法是以水、氣、漿為介質(zhì)噴射的工法，是在原三管法的基礎(chǔ)上改低壓注漿為高壓射漿，形成雙介質(zhì)高壓噴射的施工方法。新三管法的工藝特點(diǎn)是首先用高壓水切割沖擊原始地層，然后再用高壓射漿對地層進(jìn)行二次切割。同時(shí)由于漿嘴、水嘴間間距較大，水對漿的稀釋作用大大減小。新三管法與原三管法相比，不僅增大了噴射半徑，也提高了凝結(jié)體的結(jié)石率及強(qiáng)度。
    3.1 鉆孔設(shè)備高壓噴射灌漿中主要采用三種類型的鉆機(jī)：地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、改進(jìn)型工程鉆機(jī)、套管跟進(jìn)鉆機(jī)。
    由于國產(chǎn)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)來源廣，操作簡單，在處理深度不大，地質(zhì)條件不特別復(fù)雜的工程中回轉(zhuǎn)鉆機(jī)被廣泛采用。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，鉆機(jī)應(yīng)不小于300 型，并針對地質(zhì)情況采用合金鉆頭、鋼粒鉆頭、金剛石鉆頭。
    一般高壓噴射灌漿施工深度不超過100m，且大部分地層屬于松軟地層或卵漂石地層，造孔直徑不超過150mm ，因此絕大多數(shù)國產(chǎn)地質(zhì)鉆機(jī)即可滿足施工要求。
    在處理大粒徑地層時(shí)，普通鉆機(jī)效率低，較適用的鉆孔方法是采用潛孔錘跟管鉆進(jìn)，它的功效比普通鉆機(jī)可提高十幾倍。
    3.2 高壓水泵高壓水泵是產(chǎn)生高壓水射流的裝置。高壓水射流切割摻攪地層，要求水噴嘴有較高的出口流速，因此這就要求選擇壓力盡可能高的高壓泵。目前多采用3D2/S 型高壓柱塞泵，其額定排出壓力為50或70Mpa ，流量75L 燉min 或50L 燉min. 3.3空壓機(jī)空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣，用來在水射流周圍形成環(huán)形氣幕起保護(hù)水射流的作用，減緩水射流的壓力衰減程度，以增加水射流的沖切能量，還能起到摻攪及升揚(yáng)置換作用。工程中一般采用YV型活塞式普通空壓機(jī)，其排氣壓力7 ～8kg 燉cm2 ，空氣排量3 或6m3 燉min.隨著孔深的增加，對升揚(yáng)置換能力的要求越來越高，1.5Mpa空壓機(jī)也已開始在工程中應(yīng)用。如在三峽二期圍堰試驗(yàn)工程中就采用了南京壓縮機(jī)廠產(chǎn)的LW/6燉15型空壓機(jī)。
    3.4 攪漿機(jī)常用的攪漿機(jī)有強(qiáng)制式和水沖式兩種類型，強(qiáng)制式攪漿機(jī)有臥式和立式兩種。常用的臥式攪漿機(jī)是在我院指導(dǎo)下研制的WJ80型攪漿機(jī)和JS300 型攪漿機(jī)：能攪制水泥漿、粘土漿及水泥粘土漿等，具有高速攪漿，自動(dòng)篩漿，自動(dòng)拌漿儲(chǔ)漿的功能，并可連續(xù)作業(yè)。
    3.5 灌漿泵灌漿泵是將漿液灌入地層，因而需要有一定的壓力和流量。在三管法高壓噴射灌漿中，最常用的灌漿泵是HB80型單柱塞灌漿泵，最大工作壓力1Mpa，流量80L 燉min.有些工程中低壓灌漿泵被高壓泥漿泵代替，采用高壓射漿，稱為新三管法，高壓泥漿泵有SNC/H300型水泥注漿車的泥漿泵和PP/120型高壓灌漿泵。
    排漿壓力可達(dá)30～40Mpa. 3.6噴射裝置噴射裝置是高壓噴射灌漿施工的專用設(shè)備。
    通過它將水、氣、漿噴射注入地下。噴射裝置主要由高壓龍頭、噴射管和噴頭組成，以三管法的最為復(fù)雜。三管龍頭將靜止的膠管與旋擺狀態(tài)的噴射管道連接起來，并對水、氣、漿分別密封，防止泄漏。噴射管是將水、氣、漿送入噴頭的裝置。施工深度較深時(shí)，噴射管之間連接也成為制約施工速度的一個(gè)重要因素，以前噴射管所采用螺母壓膠圈連接，我們經(jīng)過多年的摸索，研制出一種三管分別承插式壓膠圈連接形式，既節(jié)省了接管時(shí)間，又克服了密封不嚴(yán)的弊端。噴頭是實(shí)現(xiàn)水（漿）、氣同軸噴射并完成注漿的裝置，根據(jù)工程需要，噴頭有多種形式，噴頭上的噴嘴是高速射流的出口，過流速度大，磨損嚴(yán)重，因此我們研究采用了YG8 硬質(zhì)合金做成的復(fù)合噴嘴。
    3.7 提升臺(tái)車噴射臺(tái)車一般由塔架機(jī)構(gòu)，提升機(jī)構(gòu)，旋、定、擺機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)等部分組成。臺(tái)車塔架能自動(dòng)起落，采用液壓步履裝置，移位方便；提升裝置采用卷揚(yáng)機(jī)提升，可無級調(diào)速，可調(diào)用需要的提升速度。旋、定、擺裝置是用來使噴射裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)、定向的設(shè)備。常用的旋、定、擺裝置有兩種，一種是安裝在臺(tái)車底盤上，另一種是隨噴射管一起抬升。
    4 、高噴灌漿施工工藝在高壓噴射灌漿施工中，使用單向噴嘴和雙向（90°～180 °夾角）噴嘴，分別或組合采用旋噴、定噴和擺噴工藝，可以形成符合設(shè)計(jì)要求幾何尺寸和性狀的樁、板、墻及組合形式的高噴凝結(jié)體，達(dá)到防滲加固的目的。針對某些地層我們也采用了二次噴射的全置換灌漿工藝，即先以水、氣、水噴射，將被沖切的土體摻攪、升揚(yáng)到地面；再以水、氣和水泥砂漿同軸噴射，進(jìn)行第二次置換灌漿。
    5 、工程應(yīng)用
    5.1 三峽水電站施工圍堰三峽水電站施工圍堰是三峽工程關(guān)鍵項(xiàng)目之一，其特點(diǎn)在于防滲工程難度大、工期短、施工強(qiáng)度高。為解決高壓噴射灌漿的難點(diǎn)問題，保證高壓噴射灌漿作為二期圍堰防滲的一種有效的輔助手段，同時(shí)，為今后在施工圍堰中采用打下基礎(chǔ)，進(jìn)行了三峽二期圍堰高壓噴射灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)。高壓噴射灌漿試驗(yàn)安排在二期上游圍堰左岸坡部位，主要由風(fēng)化砂回填層、覆蓋層（上部為厚度不等的粉細(xì)砂層，下部為沖擊砂卵石層，局部含棕色漂石層、塊球體等）和基巖組成?；鶐r強(qiáng)風(fēng)化層呈兩端厚，中間薄的分布狀態(tài)。
    左右端最大厚度分別為13.0m 和10.0m ，其中部分區(qū)域存在風(fēng)化團(tuán)塊、石蛋等。
    試驗(yàn)同時(shí)采用了兩管法和新三管法兩種工法進(jìn)行。通過試驗(yàn)探尋了在該類復(fù)雜地層中的高效造孔方法，取得了新三管法的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，選擇適當(dāng)孔、排距和噴射參數(shù)，在回填層、覆蓋層、全風(fēng)化層中以及強(qiáng)風(fēng)化層上部，高壓噴射灌漿可以形成有效的防滲墻體，在強(qiáng)風(fēng)化層下部需要配合帷幕灌漿，共同組成防滲體系。對于復(fù)雜的塊球體架空層也能達(dá)到較好防滲效果，對于陡坡段的防滲，高壓噴射灌漿可以作為輔助手段。證實(shí)高壓噴射灌漿是一種能與周圍介質(zhì)實(shí)現(xiàn)可靠連接、速度快、機(jī)動(dòng)靈活的一種有效防滲措施，可作為二期圍堰較為理想的輔助和突擊手段。
    5.2 東風(fēng)水電站下游圍堰貴州省烏江東風(fēng)水電站下游圍堰，位于大壩中心線下游155m處，堰體堆筑多為爆破堆石碴、顆粒大小分布及不均勻。左岸爆破塌落堆碴體成錐形。圍堰堆筑時(shí)，鏟車推平至839.5m高程，其相應(yīng)水平寬度約10m ，并以1 ：1.25的坡度向右傾斜。右下方塌落的堆碴體直徑一般在20～80cm之間，右上方堆積的塊石和碎石中夾有粘土。右岸在839.5 高程上，有一水平寬11m 的塊石堆筑體，并以一定的坡度向左傾斜，直徑一般在10～50cm. 中間30m 范圍內(nèi)，為了便于噴射施工，在軸線上堆筑機(jī)制碎石層，寬2.0m，高6.0m，直徑5 ～2.5cm.河床覆蓋層厚約5 ～16cm，多為砂粒卵石，歷經(jīng)2 ～200mm 的顆粒含量約占60% ～80% ，200mm 以上的漂石很少。卵石成分以灰?guī)r為主，玄武巖次之，其磨圓度較好。底部2 ～3m厚的粒卵石層中含有粒徑大于200mm 漂卵塊石。
    覆蓋層通透性較強(qiáng)，滲透系數(shù)為100 ～400m燉d.下游圍堰的堰頂高程為840.5m，高噴灌漿營造的防滲墻總面積為1103.1m3.其中河床沖擊層719m3，占工程總量的65％；爆破堆石碴190m3，占工程量的17.2％；圍堰灘筑體194m2，占總工程量的17.6％。下游土石圍堰的高壓噴射灌漿防滲墻構(gòu)筑完畢后，立即在其上游開挖基坑，滲水量明顯降低，保證了混凝土重力圍堰的順利施工。
    5.3三峽鷹子嘴水廠圍堰三峽鷹子嘴水廠圍堰為風(fēng)化砂料深水填筑，堰基為碎塊石地層，含大塊球體及大孤石，最大孤石直徑達(dá)2.2～2. 3m，屬強(qiáng)透水地層。該圍堰采用該技術(shù)進(jìn)行防滲處理，形成防滲面積4800m3.圍堰基坑取得一次抽水成功，防滲效果理想。
    6、結(jié)語
    高壓噴射灌漿用于水電站圍堰基坑開挖防滲，關(guān)鍵在于施工設(shè)備、施工參數(shù)的選擇，運(yùn)用得當(dāng)將是一種經(jīng)濟(jì)有效具有競爭力的方法。