高壓噴射選用灌漿材料的探討

王海忠

（山西省晉中市水利建筑工程總公司 山西晉中 030600）

高噴灌漿在經(jīng)過多年的發(fā)展和應(yīng)用后，主要技術(shù)指標(biāo)基本已形成規(guī)范，尤其所用灌漿填充材料，主要為純水泥漿液和化學(xué)漿液，文中根據(jù)高噴在形成防滲板墻后的效果，對(duì)純水泥漿和液態(tài)水泥砂漿進(jìn)行一些可行性探討。

1 高噴灌漿機(jī)理

高壓噴射灌漿是在靜壓灌漿和高壓旋噴灌漿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。高壓噴射灌漿與靜壓灌漿作用原理有根本的區(qū)別。靜壓灌漿借助于壓力，使?jié){液沿裂隙或孔洞進(jìn)入被灌地層。當(dāng)?shù)貙酉?洞)較大時(shí)，雖然可灌性好，但漿液在壓力作用下，擴(kuò)散很遠(yuǎn)，難于控制，使用灌漿材料較多。而高壓噴射灌漿則利用置于鉆孔中的噴射裝置射出高壓水束沖擊破壞被灌地層結(jié)構(gòu)，同時(shí)將漿液灌入，形成在方向、深度、厚度和結(jié)構(gòu)形式都與設(shè)計(jì)一致的固結(jié)體，并與地基緊密結(jié)合，構(gòu)成連續(xù)的防滲固結(jié)體，因而比靜壓灌漿的可灌性、可控性好，而且節(jié)省了灌漿材料。

2 高噴灌漿的形式和作用

高噴灌漿的基本形式分為定噴、擺噴、旋噴和擺噴旋噴相結(jié)合四種，在地基處理中，最常用的是擺噴、旋噴和擺噴旋噴相結(jié)合三種。

高噴灌漿的直接結(jié)果就是在原地層中，形成一道連續(xù)的防滲固結(jié)體，從而起到防滲、提高地基承載力的作用，而防滲固結(jié)體的形狀與噴射方式有關(guān)，所起的作用也不同。

旋噴是指噴嘴一邊噴射漿液一邊旋轉(zhuǎn)和提升，其固結(jié)體為圓柱狀，主要用于加固地基，承受荷載，如果是連續(xù)的固結(jié)體，還可解決滲透穩(wěn)定問題。

定噴是噴嘴一邊噴射漿液一邊提升而不旋轉(zhuǎn)，噴射方向不變，其固結(jié)體為較薄的扇形，一般在工程中較少用到。

擺噴則是噴嘴一邊噴射漿液一邊提升，噴射流在一定角度內(nèi)（1500～3000）來回?cái)[動(dòng)。其固結(jié)體為薄壁形狀或較厚的扇形狀，在工程中比較常用，通常用來作為防滲墻，解決低水頭建筑物的滲流問題，也可用來加固地基或穩(wěn)定邊坡。

3 高噴灌漿選用材料的探討

3.1 高噴灌漿選用的材料

高噴灌漿在全國(guó)各大中小型水庫(kù)中的壩基防滲處理中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了顯著的效果。高噴灌漿的材料主要以水泥漿液和化學(xué)漿液為主，其中水泥漿液的應(yīng)用最為廣泛。

3.2 高噴灌漿材料對(duì)比及分析

我省水庫(kù)的高噴灌漿材料均采用水泥漿液，孔口返漿直接棄入廢料池中，廢料池中的棄漿由于漿液成分不同而形成了不同形態(tài)：含砂漿液雖是后期產(chǎn)物卻凝成硬板，而先期的不含砂水泥漿液仍呈糊狀，形成了硬結(jié)層和糊狀層的軟硬相間形態(tài)。

有的灌漿工程灌后一個(gè)月甚至更長(zhǎng)一些時(shí)間，鉆孔取出的水泥漿仍未凝固。針對(duì)上述現(xiàn)象，做了兩組漿液凝固試驗(yàn)：純水泥漿及1：1的水泥砂漿分別裝滿玻璃瓶，一組放于淺水坑（水溫約20℃）中，一組放于水溫約8℃的井中，24h后觀察，淺水坑中的砂漿和純水泥漿均凝結(jié)成塊狀，只是純水泥漿稍差些；井中的砂漿稍有凝結(jié)，但細(xì)木棍容易插入，純水泥漿未凝結(jié)。四天后破瓶觀察，均凝結(jié)成塊狀，純水泥漿凝結(jié)程度稍差。

用無底玻璃瓶做水泥漿簡(jiǎn)易抗?jié)B試驗(yàn)，漿體厚10cm，以砂礫石做蓋層，水頭達(dá)到5cm時(shí)，水泥顆粒開始移動(dòng)，抬至7～10cm，大量水泥顆粒沿砂礫石空隙溢出，水頭抬至14cm，漿體完全破壞。以含少量泥質(zhì)的砂子做蓋層進(jìn)行同樣試驗(yàn)，沒有水泥顆粒運(yùn)移現(xiàn)象。水頭逐漸抬高，直至7h后水頭抬至1cm，也無水泥顆粒移動(dòng)，漿體初凝，沒有破壞現(xiàn)象。

水庫(kù)工程的高噴灌漿條件不同于其他工程，即它的板墻前后可形成足以破壞漿體板墻的水頭差，這對(duì)高噴灌漿是個(gè)極不利的因素。高噴灌漿剛灌進(jìn)由高壓水、氣切割地層的漿液有一部分由于水氣的摻混作用，必將有一個(gè)稀釋過程，漿液比重減小。隨著高噴管的提開，離開高壓水流影響的漿液在孔內(nèi)漿液壓力下逐漸析水、加密，濃度逐漸增加，達(dá)到穩(wěn)定，形成連續(xù)的漿液板墻。高噴初始階段，由于不斷輸進(jìn)水流作用，板墻前后不會(huì)形成足以破壞板墻漿體的水頭差。灌漿結(jié)束后，不再向孔內(nèi)輸水，板墻前后的水頭差逐漸達(dá)到應(yīng)有的高度。純水泥漿液在地下低溫（8℃左右）凝結(jié)極慢。但在細(xì)顆粒含量較少的砂礫石層中未凝結(jié)的漿體板墻抗?jié)B透破壞能力極底，在水頭差達(dá)到一定高度時(shí)，板墻極易遭到破壞，未凝結(jié)的水泥，黏土顆粒隨滲透水流進(jìn)入砂礫石中隨水流失，板墻出現(xiàn)窟窿，其完整性遭到破壞，減低了防滲效果，嚴(yán)重者防滲性能失效。

3.3 防止板墻破壞的探討

用高標(biāo)號(hào)快速凝結(jié)水泥或化學(xué)材料可以解決因水頭差可能造成墻體被破壞的問題，但其造價(jià)太高，又容易造成輸漿管路堵塞等施工困難，不宜采用。針對(duì)水泥漿在低溫下凝結(jié)慢，強(qiáng)滲水層中漿體板墻在其前后水頭差作用下易流失破壞的特點(diǎn)，應(yīng)改過去使用的水泥漿為水泥砂漿。為縮短凝固時(shí)間，防止板墻凝固前在其前后水頭差作用下的滲流破壞，灌漿材料應(yīng)采用細(xì)砂和水泥。

孔口返漿中，除水泥成分外，也有高壓水、氣從其切割的地層中置換出來的砂粒。砂粒在流入回漿筒過程中大部分沉淀，少量砂粒隨回漿液被送至攪拌筒灌入地層。被利用的砂粒對(duì)板墻的凝結(jié)可起一定的促進(jìn)作用，但因其量少，粒徑小，在滲流作用下大部分可隨水泥顆粒一起流走，剩余量不足以形成反濾保護(hù)層。因此，高噴灌漿材料除水泥外還應(yīng)有砂料。砂料粒徑和用量應(yīng)視回漿的細(xì)砂含量和灌注地層而定，但為施工方便，統(tǒng)一添加粒徑不超過1.0mm細(xì)度模數(shù)不大于2.0的細(xì)砂。細(xì)砂與水泥比例單從地下板墻結(jié)石及防滲性能考慮，砂與水泥之重量比可采用1：1，考慮到利用孔口返漿中含有的砂粒并保證輸漿管路的暢通，細(xì)砂與水泥之比可采用0.5：1～0.8：1。砂粒來源最好是風(fēng)成細(xì)砂，同時(shí)含泥量不宜過大。這樣既不影響板墻質(zhì)量，又能保證施工的順利進(jìn)行，節(jié)約水泥，降低造價(jià)。

4 水泥砂漿對(duì)保證滲水層中有水頭差的板墻凝結(jié)前免遭滲流破壞的作用

4.1 水泥砂漿可快速形成反濾層

灌漿過程中，在孔內(nèi)漿液壓力下板墻附近地層孔隙中充填一些漿液，砂粒亦隨漿液一起充填于孔隙中，改變了地層的密實(shí)度和顆粒組成，有可能很快形成反濾保護(hù)層，這樣漿液板墻前后即使存在較大的水頭差也不會(huì)遭到滲流破壞。如尚不能較快形成反濾保護(hù)層，水頭差加大到一定高度，板墻開始遭到滲流破壞，尚未凝結(jié)的漿液流向下游一側(cè)地層孔隙中，細(xì)粒隨水流失，一些砂粒留于孔隙中，逐漸填滿孔隙。如果使用水泥或水泥黏土漿，在強(qiáng)透水的砂礫石層中就不易形成反濾保護(hù)層，漿液流失不止，造成板墻穿洞，使高噴灌漿達(dá)不到帷幕防滲的預(yù)期效果。為補(bǔ)充析水或流失漿液，應(yīng)加大灌漿漿液濃度，高噴結(jié)束后的孔口回灌更是不可缺少的環(huán)節(jié)。

4.2 水泥砂漿可較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)

在孔內(nèi)漿液壓力下，水泥砂漿較水泥漿或水泥黏土漿析水快，結(jié)石早，砂漿板墻能較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，有可能在水頭差達(dá)到足以破壞漿墻之前即已凝結(jié)。由水泥攪拌試驗(yàn)資料可知：水泥攪拌3h，微凝，強(qiáng)度明顯降低，攪拌4h，不凝。板墻漿液穩(wěn)定前雖不是攪拌，但也是水泥的微小流動(dòng)過程，時(shí)間過長(zhǎng)，將影響水泥的凝結(jié)，降低板墻強(qiáng)度。也可能在凝結(jié)前水頭差即已達(dá)到破壞其灌漿的高度，使?jié){墻遭到滲流破壞。在細(xì)顆粒較少的砂粒石強(qiáng)透水層中，漿液中的細(xì)砂在壓力水頭差作用下將以管涌形式流失，起不到充填孔隙的作用，即使充填大量漿液也不能形成反濾保護(hù)層。如果遇到這種地層，應(yīng)以較詳細(xì)的地勘資料作依據(jù)，在該段地層中添加粒徑不超過2mm的中砂，放慢提升速度1～2倍。這將保證反濾保護(hù)層的形成，使強(qiáng)透水的砂礫石層也可以形成完整的防滲墻體。

5 結(jié)論

1）利用水泥砂漿進(jìn)行高噴灌漿，在漿液比重一定的情況下，可降低干水泥的使用量，從而有效降低工程成本。

2）利用水泥砂漿進(jìn)行高噴灌漿，可有效保證高噴板墻的密實(shí)性、穩(wěn)定性和連續(xù)性，防滲效果更加明顯，確保了工程質(zhì)量。

3）在我國(guó)北方地區(qū)溫度較低的條件下，蓄水工程的高噴灌漿材料應(yīng)盡量使用細(xì)度模數(shù)不大于2的細(xì)砂與水泥，細(xì)砂與水泥之重量比以 0.5：1～0.8：1為宜。