高壓噴射灌漿技術在水利工程中的應用

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高壓噴射灌漿技術在水利工程中的應用

1前言

　　為解決水工建筑物防滲問題，尋求一種經濟且技術先進可靠的防滲方法，在水利工程施工當中，基礎防滲處理是水利工程施工中尤為重要的環節。當基礎土質較差，滲透性較強時，在水流的作用下對基礎的危害很大。結合高壓噴射灌漿技術在甘肅張掖大孤山水電站引水樞紐工程中的應用，通過現場檢測，明顯看出密實度和承載力均遠大于原土體，從而提高和保證了工程質量。

　　2工藝原理

　　2.1沖切摻攪作用

　　高噴技術主要是借助于高壓射流，通過沖擊切割和強烈擾動，使漿液在射流作用范圍內擴散、充填周圍土層，并與土石粒摻混攪合，硬化后形成凝結體，從而改變原地層結構和組成，達到防滲和提高承載力的目的。高噴凝結體是多種因素綜合作用的結果，高壓射流對地層結構的影響范圍，取決于比能值E的大小，其表達式為：

　　E=(PQ)/(100v)

　　式中：E——每米旋噴柱耗用的能量（MJ/m）；

　　P——噴射灌漿壓力（MPa）；

　　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，但最終應通過現場高噴試驗確定。

　　2.2升揚、轉換作用

　　高噴施工時，水、氣、漿由噴嘴中噴出，壓縮空氣，除能對水或漿液構成外包氣層，使水或漿液射流能透入地層較遠距離并維持較大壓力破碎地層結構外，還可產生升揚作用，將經射流沖擊切削后的土石碎屑和地層中細粒，由孔壁和噴射桿的環狀間隙中升揚帶出孔外，空余部位由漿液替代，同時也起到了轉換作用。

　　2.3擠壓、滲透作用

　　高噴射流強度隨射流距離的增加而較快地衰減至射流束末端，雖不能再沖切地層，但對地層仍產生擠壓作用。同時，噴射結束后，靜壓灌漿持續進行，對周圍土體產生滲透作用，不僅可以促使凝結體與周圍土體結合更加密實，還在凝結體外側產生明顯的滲透凝結層，具有較強的防滲性能。

　　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、轉換作用，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，應降低提升速度，提高比能值。在強大的沖擊震動力作用下，塊石將會產生位移、松動，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，產生握裹凝結作用，形成連續密實的凝結體。

　　3凝結體的性能

　　水工建筑物地基防滲采用高噴施工時，要求凝結體具有良好的防滲性和穩定性，而對于其抗壓強度要求不高。凝結體的防滲性能主要取決于地層組成成分和顆粒級配、施工方法、施工工藝以及漿液材料等。高噴形成的凝結體并不很規則，但與地層結合緊密，由于高噴凝結體周圍除了漿皮層外，一般還存在滲透凝結層，有著良好的復合防滲作用，從而進一步提高了凝體的防滲性能。

　　4高噴凝結體的結構布置形式

　　為保證高噴防滲墻的連續性，必須要使各孔的凝結體在有效范圍內牢固可靠連接上，為此如何選用結構布置形式和孔與孔的距離則很重要。高噴形成的凝結體的形狀與噴射的形式有關，噴射形式一般有旋噴、擺噴和定噴3種。噴射時若邊提升邊旋轉，則凝結體的形狀為圓柱體（又稱旋噴柱），若邊提升邊擺動，則形成的凝結體的形狀為啞鈴狀，若只提升和定向噴射則可形成板狀（又稱定噴板）。目前在青海及甘肅的西南部地區常用的結構布置形式有：定噴折線式、 擺噴對接式和柱擺式等。

　　5高噴材料

　　三管法施工時，多用純水泥漿，水泥為42.5０或52.5０普通硅酸鹽水泥。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大于1∶1的濃漿。

　　6機械設備的組成

　　高噴灌漿技術有單管法、雙管法、三管法。在該工程中采用的是三管法，所用主要設備有XY-2型液壓地質鉆機、GYP-50型高噴臺車、XPB90E型高壓泥漿泵。

　　7工藝和施工要點

　　7.1鉆孔

　　泥漿固壁回轉（或沖擊）鉆進。造孔過程中做好充填堵漏，使孔內泥漿保持正常循環，返出孔外，直至終孔。跟管鉆進，邊鉆進邊跟入套管，直至終孔。鉆進時應注意保證鉆機垂直，偏斜率應≤1%。

　　7.2下入噴射桿

　　泥漿固壁的鉆孔可以將噴射桿直接下入孔內，直至孔底。跟管鉆進的鉆孔，有２種情況：一是拔管前在套管內注入密度大的塑性泥漿，注滿后起拔套管，邊起拔邊注入，使漿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直至孔底。二是也可先在套管內下入管壁均勻的PVC塑管，直到套管底部，起護壁作用，而后將套管全部拔出，再將噴射桿下入到管底部。

　　7.3高噴施工

　　施工中所用技術參數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，而提升速度變化，是影響高噴質量的主要因素。一般情況下，確定提升速度應注意下列幾個問題：① 因地層而異，在砂層中提升速度可稍快，砂卵（礫）石層中應放慢些，含有大粒徑（40cm以上）塊石或塊石比較集中的地層應更慢。② 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。③ 高噴施工中發現孔內返漿量減少時宜放慢提升速度。

　　8施工工藝

　　8.1墻體位置的確定

　　根據設計要求平整好場地，要求場地內地下無障礙物，對某些作業地基軟、不平整，有可能引起整機翻倒引起事故的地段，一定要采取防范措施，在平整場地上對墻體中心線進行測量定位。

　　8.2噴墻管理

　　應控制好掘進速度和灌漿壓力、提升速度，送氣量的大小應使漿液成沸騰狀為宜。灌漿階段漿液不能發生離析和斷漿現象，保證墻體均勻，無夾心層，若發生管道堵塞或因故短暫停機，應迅速搶修。

　　9工程實例

　　在張掖大孤山水電站樞紐基礎防滲施工中，所采用的噴灌方法為三管法定向噴射成墻施工。防沖隔墻長為68m，該工程地層為砂礫土，采用凝結體的結構布置形式為柱擺式，成墻深度為30m，墻厚平均為80cm。孔距2m，噴射中心有直徑20～30cm的圓柱體。首先用水管、氣管、漿管同軸布設組成噴射桿，桿底部設置有噴嘴，氣、水噴嘴在上，漿液噴嘴在下，高噴時，隨著噴射桿的旋轉和提升，采用高壓水和氣的射流沖擊擾動地層土體，呈翻滾松散狀態，隨后以低壓注入濃漿摻混攪拌，硬化后形成凝結體。此方法高噴質量可滿足設計要求，工效高、造價低，能充分利用原地土體，就地取材，機械化程度高，其工藝參數為：

　　① 噴嘴直徑：2～2.3０mm；（外φ5）

　　② 高壓水：10MPa，流量40L/min；

　　③ 氣壓：0.7０MPa，氣量6m3/min；

　　④ 漿壓：0.3０MPa，流量80m3/min；

　　⑤ 提升速度：15cm/min；

　　⑥ 三重管回轉：7r/ min；

　　施工完成后采用挖深坑數米，用電子填土密實度檢測儀對周圍土體進行現場質量測試。檢測結果為土體密實度和承載力均大于原土體，施工過程中有專人負責記錄，記錄詳實準確。

　　10經濟效益和社會效益

　　與常規混凝土防滲墻相比，本防滲工程可不同程度地降低工程造價，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。此項技術很大程度地提高了防滲能力，減輕防洪壓力，對保障人民生命財產安全以及社會經濟發展將起到積極的作用，其社會效益十分明顯

地層 漿液 射流

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