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

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(duì)水工建筑物來(lái)說(shuō)，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(lái)為解決江、河、湖、堤、壩等水工建筑物防滲問(wèn)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(duì)基礎(chǔ)的危害很大。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(guò)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?chē)翆樱⑴c土石粒摻混攪合，硬化后形成凝結(jié)體，從而改變?cè)貙咏Y(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(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生滲透作用，這樣不僅可以促使凝結(jié)體與周?chē)馏w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(kù)進(jìn)水口工程、小海子水庫(kù)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(gòu)，高噴質(zhì)量可滿(mǎn)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(mǎn)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(duì)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?chē)藵{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(chēng)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(chēng)定噴板）。

我國(guó)常用的旋噴施工布置形式有幾種，近多年來(lái)，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(duì)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(duì)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?zhuān)允褂玫乃冶炔粦?yīng)大于1：1的濃漿。

6 工藝和施工要點(diǎn)

6.1 鉆孔

6.1.1 泥漿固壁回轉(zhuǎn)（或沖擊）鉆進(jìn)。造孔過(guò)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。

6.1.2 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%。

6.2 下入噴射桿

6.2.1 泥漿固壁的鉆孔可以將噴射桿直接下入孔內(nèi)，直至孔底。

6.2.2 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(mǎn)后，起拔套管，邊起拔邊注入，使?jié){面長(zhǎng)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。

6.2.3 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(duì)各類(lèi)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(wèn)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(duì)來(lái)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。

7 施工工藝

7.1 墻體位置的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求平整好場(chǎng)地，要求場(chǎng)地內(nèi)地下無(wú)障礙物，對(duì)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(chǎng)地上對(duì)墻體中心線進(jìn)行測(cè)量定位。

7.2 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(wú)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(cè)方法：在小海子水庫(kù)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(cè)儀對(duì)周?chē)馏w進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果土體密實(shí)度和承載力均大于原土體，施工過(guò)程中要有專(zhuān)人負(fù)責(zé)記錄，記錄要求詳實(shí)準(zhǔn)確。

8 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(kāi)挖量小，施工方便，占地少，對(duì)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(kù)、渠的堤壩防滲抗災(zāi)能力，減輕防洪壓力，對(duì)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。