高壓噴射灌漿技術(shù)的作用機(jī)理及其在水利工程中的應(yīng)用

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[摘 要] 首先介紹了高壓噴射灌漿技術(shù)作用的機(jī)理，由于地基土質(zhì)較差，承載力較低，滲透性較強(qiáng)，對水工建筑物來說，影響建筑物的穩(wěn)定性。本文討論了高壓噴射灌漿的機(jī)理及在運(yùn)用中的工藝參數(shù)的確定及防滲效果。

[關(guān)鍵詞] 高壓噴射機(jī)理；防滲；效果

1、前言

多年來為解決江、河、湖、堤、壩等水工建筑物防滲問題，尋求一種經(jīng)濟(jì)且技術(shù)先進(jìn)可靠的防滲方法。在水利工程施工當(dāng)中，基礎(chǔ)防滲處理是水利工程施工中尤為重要的環(huán)節(jié)，當(dāng)基礎(chǔ)土質(zhì)較差，滲透性較強(qiáng)時(shí)，在水流的作用下對基礎(chǔ)的危害很大。現(xiàn)結(jié)合這項(xiàng)技術(shù)在巴楚縣小海子水庫進(jìn)水口工程、小海子水庫除險(xiǎn)加固工程、伽師縣布哈拉樞紐水毀加固工程、以及巴楚縣民生渠渠首水毀工程中的應(yīng)用，在應(yīng)用過程中，采用沈陽建科儀器研究所研制的電子填土密實(shí)度檢測儀進(jìn)行現(xiàn)場檢測。明顯看出密實(shí)度和承載力均遠(yuǎn)大于原土體，從而提高和保證工程質(zhì)量。本文重點(diǎn)介紹高壓噴射灌漿機(jī)理及其施工工藝。

2、工藝原理

2.1沖切摻攪作用

高噴技術(shù)主要是借助于高壓射流，通過沖擊切割和強(qiáng)烈擾動(dòng)，使?jié){液在射流作用范圍內(nèi)擴(kuò)散、充填周圍土層，并與土石粒摻混攪合，硬化后形成凝結(jié)體，從而改變原地層結(jié)構(gòu)和組成，借以達(dá)到防滲或提高承載力的目的。

高噴凝結(jié)體是多種因素綜合作用的結(jié)果，高壓射流對地層結(jié)構(gòu)的影響范圍，取決于比能值E的大小，其表達(dá)式為：

E=（PQ）/（100V）

E——每米旋噴柱耗用的能量MJ/m；

P——噴射灌漿壓力Map；

Q——射流漿量L/min；

V——提升速度cm/min

E值大，旋噴柱的直徑大，一般選用50~70cm直徑較好，但最終應(yīng)通過現(xiàn)場高噴試驗(yàn)確定。

2.2升揚(yáng)、轉(zhuǎn)換作用

高噴施工時(shí)，水、氣、漿由噴嘴中噴出，壓縮空氣除能對水或漿液構(gòu)成外包氣層，使水或漿液射流能透入地層較遠(yuǎn)距離并維持較大壓力破碎地層結(jié)構(gòu)外，還可產(chǎn)生升揚(yáng)作用，漿經(jīng)射流沖擊切削后的土石碎屑和地層中細(xì)粒，由孔壁和噴射桿的環(huán)狀間隙中升揚(yáng)帶出孔外，空余部位由漿液替代，同時(shí)也起到了轉(zhuǎn)換作用。

2.3擠壓、滲透作用

高噴射流強(qiáng)度隨射流距離的增加而較快地衰減至射流束末端，雖能再?zèng)_切地層，但對地層仍產(chǎn)生擠壓作用。同時(shí)，噴射結(jié)束后，靜壓灌漿持續(xù)進(jìn)行，這對周圍土體產(chǎn)生滲透作用，這樣不僅可以促使凝結(jié)體與周圍土體結(jié)合更加密實(shí)，還在凝結(jié)體外側(cè)產(chǎn)生明顯的滲透凝結(jié)層，具有較強(qiáng)的防滲性能。

高噴灌泵技術(shù)有單管法、雙管法、三管法。小海子水庫進(jìn)水口工程、小海子水庫除險(xiǎn)加固工程和布哈拉樞紐水毀加固工程、巴楚縣民生渠渠首工程中都采用的是三管法施工。用水管、氣管、漿管同軸布設(shè)組成噴射桿，桿底部設(shè)置有噴嘴，氣、水噴嘴在上，漿液噴嘴在下，高噴時(shí)，隨著噴射桿的旋轉(zhuǎn)和提升，先是高壓水和氣的射流沖擊擾動(dòng)地層土體，呈翻滾松散狀態(tài)，隨后以低壓注入濃漿摻混攪拌，硬化后形成凝結(jié)體。工藝參數(shù)主要有：水壓38~40Mpa；氣壓0.6~0.8Mpa；漿壓0.3~0.5Mpa，施工設(shè)備價(jià)廉，易購，高噴質(zhì)量可滿足設(shè)計(jì)要求，工效高，造價(jià)低，能充分利用原地土體，就地取材，機(jī)械化程度高。

2.4位移握裹作用

地層中較小的塊石，由于噴射能量大，輔以升揚(yáng)、轉(zhuǎn)換作用，最終漿液可填滿塊石四周的空隙并將其握裹，遇到大的塊石或在塊石集中區(qū)，應(yīng)降低提升速度，提高比能值。在強(qiáng)大的沖擊震動(dòng)力作用下，塊石將會(huì)產(chǎn)生位移、松動(dòng)，漿液沿塊石四周空隙或塊石間孔隙滲入。在高壓噴射擠壓余壓滲透等綜合作用下，產(chǎn)生握裹凝結(jié)作用，形成連續(xù)密實(shí)的凝結(jié)體。

3、凝結(jié)體的性能

水工建筑物地基防滲采用高噴施工時(shí)，則要求凝結(jié)體具有良好的防滲性和穩(wěn)定性，而對于其抗壓強(qiáng)度要求不高。凝結(jié)體的防滲性能主要取決于地層組成成分和顆粒級(jí)配、施工方法、施工工藝以及漿液材料等。高噴形成的凝結(jié)體并不很規(guī)則，但與地層結(jié)合緊密，由于高噴凝結(jié)體周圍除了漿皮層外，一般還存在滲透凝結(jié)層，有著良好的復(fù)合防滲作用，從而進(jìn)一步提高了凝體的防滲性能。

4、高噴凝結(jié)體的結(jié)構(gòu)布置形式

為保證高噴防滲墻的連續(xù)性，則必須要使各孔的凝結(jié)體在有效范圍內(nèi)牢固可靠連接上，為此如何選用結(jié)構(gòu)布置形式和孔與孔的距離則很重要。

高噴形成的凝結(jié)體的形狀與噴射的形式有關(guān)，噴射形式一般有旋噴、擺噴和定噴三種。噴射時(shí)若邊提升邊旋轉(zhuǎn)，則凝結(jié)體的形狀為圓柱體（又稱旋噴柱）若邊提升邊擺動(dòng)，則形成的凝結(jié)體的形狀為啞鈴狀，若只提升和定向噴射則可形成板狀（又稱定噴板）。

我國常用的旋噴施工布置形式有幾種，近多年來，在新疆的南疆地區(qū)常用的結(jié)構(gòu)布置形式有：

a、 定噴折線式：

b、 擺噴對接式：

c、 柱擺式：

在防滲工程中，孔距的選擇至關(guān)重要，它不僅關(guān)系到凝結(jié)體能否可靠地連接，而且也影響工程的進(jìn)度、造價(jià)。孔距應(yīng)根據(jù)地層的地質(zhì)條件，對防滲性能的要求、高噴灌漿的施工方法和工藝、結(jié)構(gòu)形式、孔深及其它因素綜合考慮而定。

5、高噴材料

高噴材料多采用水泥漿，水泥為42.5或52.5普通硅酸鹽水泥。三管法施工時(shí)，多用純水泥漿，由于三管法施工，先是高壓氣、水噴射，而后是壓力灌漿，灌漿易被先噴入的水稀釋，所以使用的水灰比不應(yīng)大于1：1的濃漿。

6、機(jī)械設(shè)備的組成

6.1三管法所用主要設(shè)備：

7、三管法旋噴所用勞力組織

8、工藝和施工要點(diǎn)

8.1鉆孔

8.1.1泥漿固壁回轉(zhuǎn)（或沖擊）鉆進(jìn)。造孔過程中做好充填堵漏，使孔內(nèi)泥漿保持正常循環(huán)，返出孔外，直至終孔。

8.1.2跟管鉆進(jìn)。邊鉆進(jìn)邊跟入套管，直至終孔。

鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)注意保證鉆機(jī)垂直，偏斜率宜≤1%。

8.2下入噴射桿

8.2.1泥漿固壁的鉆孔可以將噴射桿直接下入孔內(nèi)，直至孔底。

8.2.2跟管鉆進(jìn)的鉆孔，有兩種情況：

a、拔管前在套管內(nèi)注入密度大的塑性泥漿，注滿后，起拔套管，邊起拔邊注入，使?jié){面長期保持與孔口齊平，直至套管全部拔出，而后再將噴射桿下入孔內(nèi)直至孔底。

b、也可先在套管內(nèi)下入管壁勻均的PVC塑管，直到套管底部，起護(hù)壁作用，而后將套管全部拔出，再將噴射桿下入到管底部。

8.2.3高噴施工

施工中所用技術(shù)參數(shù)因使用高噴的方法不同而不同。所用的灌漿壓力不同，提升速度也有差異。對各類地層而言，若使用同一種施工方法則水壓、氣壓、漿壓的變化不大，唯有提升速度變化較大，是影響高噴質(zhì)量的主要因素。一般情況下，確定提升速度應(yīng)注意下列幾個(gè)問題：

a、因地層而異，在砂層中提升速度可稍快，砂卵（礫）石層中應(yīng)放慢些，含有大粒徑（40cm以上）塊石或塊石比較集中的地層應(yīng)更慢。

b、因分序而異。先序孔提升速度可稍慢，后序孔相對來講可稍快。

c、高噴施工中發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)返漿量減少時(shí)宜放慢提升速度。

9、施工工藝

9.1墻體位置的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求平整好場地，要求場地內(nèi)地下無障礙物，對某些作業(yè)地基軟，不平整，有可能引起整機(jī)翻倒引起的事故的地段，一定要采取防范措施，在平整場地上對墻體中心線進(jìn)行測量定位。

9.2噴墻管理

應(yīng)控制好掘進(jìn)速度和灌漿壓力、提升速度，送氣量的大小應(yīng)使?jié){液成沸騰狀為宜。灌漿階段漿液不能發(fā)生離析和不允許發(fā)生斷漿現(xiàn)象，保證墻體均勻，無夾心層，若發(fā)生管道堵塞或因故短暫停機(jī)，應(yīng)迅速搶修。

質(zhì)量檢測方法：在小海子水庫進(jìn)水口工程和伽師布哈拉樞紐工程中采用挖深探坑數(shù)米，用電子填土密實(shí)度檢測儀對周圍土體進(jìn)行現(xiàn)場測試。檢測結(jié)果土體密實(shí)度和承載力均大于原土體，施工過程中要有專人負(fù)責(zé)記錄，記錄要求詳實(shí)準(zhǔn)確。

10、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

在堤壩防滲工程中，與常規(guī)砼防滲墻相比，可不同程度地降低工程造價(jià)，具有開挖量小，施工方便，占地少，對臨近建筑物影響小等特點(diǎn)。

此項(xiàng)技術(shù)很大程度地提高了江、河、湖、庫、渠的堤壩防滲抗災(zāi)能力，減輕防洪壓力，對保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起到積極的作用，其社會(huì)效益是十分明顯的。

11、工程實(shí)例

11.1巴楚縣小海子水庫進(jìn)水口防沖隔墻

在巴楚縣小海子水庫進(jìn)水口防沖隔墻施工中，所采用的方噴灌方法為三管法定向噴射成墻施工。防沖隔墻長為68m，該工程地層為細(xì)砂土，采用凝結(jié)體的結(jié)構(gòu)布置形式為柱擺式，成墻深度為13m，墻厚平均為：15cm。孔距2m，噴射中心有直徑20-30cm的圓柱體。工藝參數(shù)為：

噴嘴直徑：2-2.3mm；（外￠5）

高壓水：10Mpa，流量40L/min；

氣 壓：0.7 Mpa，氣量6m3/min；

漿 壓：0.3 Mpa，流量80m3/min；

提升速度：15cm/min；

三重管回轉(zhuǎn)7轉(zhuǎn)/分；

經(jīng)檢測符合設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)運(yùn)行情況良好。

11.2伽師縣布哈拉樞紐水毀工程

在伽師縣布哈拉樞紐水毀工程中，也是采用三管法施工。該工程消力池嚴(yán)重沖刷損壞，工程土質(zhì)為流砂，在消力池隔墻后采用雙孔沉井工藝，在沉井與沉井之間采用了定噴墻連接圍封，邊坡也采用高噴防沖墻，第二年就經(jīng)受了一場特大洪水，現(xiàn)運(yùn)行良好。

11.3民生渠渠首工程

民生渠渠首工程是一個(gè)多次被水沖毀的工程，工程土質(zhì)為砂性土。99年對該工程的消力池等部位采用了高噴施工，先澆灌砼灌注樁，柱中心距為2.2m，柱徑0.8m，在柱與柱之間采用定噴墻連接。此方法對建筑物的基礎(chǔ)在防沖、防滲及穩(wěn)固基礎(chǔ)起到了很好的效果。