關(guān)于擺噴技術(shù)對沙質(zhì)河岸防滲效果的研究

王子文劉經(jīng)強(qiáng)高 健

科技推廣與應(yīng)用

關(guān)于擺噴技術(shù)對沙質(zhì)河岸防滲效果的研究

王子文1劉經(jīng)強(qiáng)1高 健2

一、引言

高噴法起源于日本20世紀(jì)60年代末的CCP（Chemical Charning Pile）工法（單管法），是一種利用高壓水力噴射切割機(jī)理，將土、化學(xué)藥品或水泥漿液一起攪拌，使之形成固結(jié)體，以達(dá)到防滲和加固目的的方法。擺動噴射（俗稱“擺噴”）是高噴法的一種，具有地層適用面廣、造價低、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜地質(zhì)條件及施工環(huán)境惡劣的堤段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過擺噴工法所形成的防滲墻，在對接部位的滲透比降較低，是整個防滲墻中抗?jié)B穩(wěn)定性較為薄弱的環(huán)節(jié)。

二、原因分析

高噴防滲墻的防滲機(jī)理在于其多層的復(fù)合型結(jié)構(gòu)。擺噴注漿形成的防滲墻凝結(jié)體雖成連續(xù)板墻狀，但其外形不像機(jī)械造槽澆注形成的混凝土防滲墻那樣規(guī)則，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不像混凝土那樣均勻，而是呈現(xiàn)復(fù)合型結(jié)構(gòu)（如圖1），其中滲透凝結(jié)層的滲透系數(shù)為最小。若兩相鄰樁體對接重合面積過小或鉆孔時偏斜過大，都會影響防滲墻整體的抗?jié)B穩(wěn)定性。

三、解決方案

針對不同的工程要求，可將兩種或多種工法結(jié)合使用，組合形成多種形狀的凝結(jié)體，以達(dá)到提高抗?jié)B穩(wěn)定性的目的。

1.旋擺結(jié)合

防滲墻設(shè)計為旋擺相間的結(jié)構(gòu)，高壓噴射注漿采用兩序進(jìn)行施工：一序為旋噴，二序為擺噴。

根據(jù)具體工程要求，確定旋擺噴孔中心距離，從而確定出各個鉆孔的位置。①鉆孔。鉆進(jìn)時嚴(yán)格控制孔斜，保證兩孔間所形成的防滲凝結(jié)體充分結(jié)合，不留空隙。②下注漿管。將注漿管下放到設(shè)計深度，進(jìn)行旋噴作業(yè)。③噴射提升。當(dāng)噴射管下到設(shè)計深度后，送入水、氣、漿，靜噴1～3min；待注入的漿液冒出后，按預(yù)定的提升、旋轉(zhuǎn)、擺動速度自下而上邊噴射邊轉(zhuǎn)動、擺動，邊提升直到設(shè)計高度，停送水、氣、漿，提出噴射管。④清洗。當(dāng)噴射到設(shè)計高度后，噴射完畢，應(yīng)及時將各管路沖洗干凈，不得留有殘渣，以防堵塞。尤其是注漿系統(tǒng)更為重要。⑤回填。為解決凝結(jié)體頂部因漿液析水而出現(xiàn)的凹穴現(xiàn)象，當(dāng)噴射結(jié)束后，隨即在噴射孔內(nèi)進(jìn)行靜壓填充注漿，直至孔口液面不再下沉為止。⑥鉆機(jī)移動。將鉆機(jī)移動到下一孔位，準(zhǔn)備下一孔的注漿。

旋擺結(jié)合這一工法有效解決了擺噴中存在的對接部位防滲性能差的問題。

2.減少擺距

擺噴的噴射半徑在砂土層約為2m，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，擺噴的防滲效果沒有理論中的效果好。在擺噴的噴射邊緣處，往往因為土層不均勻等各種原因造成邊緣處防滲墻厚度不均勻，防滲效果差。顯然，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，如果按照2m來打防滲帷幕墻是不科學(xué)的。所以根據(jù)工程地質(zhì)的實(shí)際情況適當(dāng)減少噴施徑距，也是一種提高擺噴防滲效果的一種方法。

3.靜壓注漿加強(qiáng)法

高壓擺噴注漿是借助于高壓射流沖切摻攪地層。漿液只是在高壓射流方向上有良好的可控性，但可注性效果并不能得到合理的控制，在擺射注漿的邊緣處，漿液濃度往往達(dá)不到施工的要求。

為了解決上述問題，可以采用高壓擺噴與靜壓注漿相結(jié)合的方法。通過高壓擺噴進(jìn)行施工，在擺噴后混凝土尚未凝結(jié)時在擺噴的防滲效果最差的地方進(jìn)行打孔，使混凝土漿液借助于漿壓力使?jié){液沿空隙滲透進(jìn)入防滲層，與擺噴防滲層的混凝土共同凝結(jié)，加強(qiáng)防滲效果。

四、工程實(shí)例

選取高壓擺噴灌漿技術(shù)在牟汶河攔河閘工程中的應(yīng)用為工程實(shí)例，施工工法特點(diǎn)為三重管高壓擺噴。

1.工程概述

圖1 擺噴注漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

牟汶河攔河閘工程位于萊蕪市萊城區(qū)牛泉鎮(zhèn)大莊村西,牟汶河下游，攔河閘樞紐工程全長367m，最大水深12m，回水長5km，控制流域面積1323km2，總庫容2000 萬m3，攔河閘以上干流平均坡度為1.6‰。是一座以供水為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、美化環(huán)境等綜合利用的水利樞紐工程。工程位置處地層比較簡單，從上到下大致可分為3層：（1）上部為中粗砂層，棕黃色，局部含少量粉粒，濕～飽和，松散～稍密，主要為石英、長石質(zhì)，一般顆粒直徑0.3～1mm，厚度3.2～4.6m。（2）中部為砂礫層，褐黃、白色，濕～飽和，自上而下由松散漸變?yōu)樯悦?，含石英質(zhì)礫石，土質(zhì)不均勻，厚度2.3～3.0m。（3）下部為第三系粘土巖（E），黑褐色夾灰褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。

2.施工工藝

（1）施工設(shè)備

主要施工設(shè)備為：造孔系統(tǒng)、高壓水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、制漿供漿系統(tǒng)、提升噴射系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。

（2）施工布置

高噴墻的結(jié)構(gòu)形式采用擺噴折接，高噴灌漿共布置307個灌漿孔，孔距1.5m，擺噴角度30°，采用三管法（水、氣、漿分別由3條并列的管道輸送）設(shè)備施灌制作折線形防滲板墻。高噴灌漿下界線為入基巖面以下1.0m，上與主河床相平，為減少串孔、塌孔及保護(hù)板墻有效連接，分Ⅰ、Ⅱ序孔進(jìn)行施工。

（3）施工方法及工藝

造孔采用2臺XY-100型鉆機(jī)進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，用當(dāng)?shù)卣惩林茲{進(jìn)行鉆孔護(hù)壁，采用GP500-4型高壓噴射灌漿機(jī)1臺進(jìn)行擺噴灌漿。引孔造好后高壓噴射灌漿機(jī)就位下高噴管，下高噴灌管前先在地面進(jìn)行試噴以確定噴射方向。高壓噴射以水、氣、漿為介質(zhì)，高壓噴頭使用一對水平噴嘴噴出35～40MPa的高壓水（周圍用壓縮空氣保護(hù)水柱）射流切割破壞被灌地層，出漿口垂直于高壓水嘴，在高噴管的底部灌入密度大于1.60g/cm3的水泥漿充填被高壓水切開的空間，并使地層中的泥、砂等細(xì)小顆粒排出地表，從而形成高噴板墻，主要施工流程如下：

圖1 高壓噴射灌漿工藝流程

表1 施工技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

（4）施工參數(shù)

施工所采用的高噴參數(shù)，按設(shè)計要求在正式施工前做了一個矩形試驗圍井，圍井邊長3m×1.5m，面積4.5m2，圍井深7.5m，其中中粗砂層厚4.2m，砂礫石層厚3.3m，基巖平均埋深7.5m。試驗中對不同地層的提升速度、擺動角度及水、氣、漿等各項技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測試，凝固14d后，進(jìn)行注水試驗，然后全部挖開檢查，發(fā)現(xiàn)板墻噴射均勻，連接牢固。砂礫石層擺角形成墻體厚度30cm以上，雙面有效噴嘴噴射長度為1.6～1.8m，墻體強(qiáng)度大于5.0MPa，墻體滲透系數(shù)為4.6×10-6cm/s，滿足設(shè)計要求。高噴施工參數(shù)見表1。

（5）施工方法

①灌漿鉆孔施工

鉆機(jī)安放平穩(wěn)，孔位偏差小于50mm，均用水平尺校正機(jī)臺水平和鉆機(jī)立軸垂直度，通過回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁成孔。失漿嚴(yán)重時，注入稠泥漿或粘土進(jìn)行堵漏處理。鉆進(jìn)過程中使用測斜儀對鉆孔進(jìn)行測斜，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆孔傾斜時，及時采取補(bǔ)救措施，以確保成孔傾斜度小于1%。鉆孔結(jié)束后及時向孔內(nèi)注入稠泥漿，防止塌孔。地質(zhì)人員跟班對巖芯進(jìn)行分層描述。

②高壓擺噴施工

為保證先期形成的板墻與后期形成的板墻有效連結(jié)，采用Ⅰ、Ⅱ序孔施工方法，即先施工完Ⅰ序孔，然后再施工Ⅱ序孔。高噴機(jī)就位后，先在地面進(jìn)行試擺和試噴，定好噴射方向，待各項參數(shù)達(dá)到要求后再下噴射管至孔底，先按規(guī)定參數(shù)進(jìn)行原位噴射，待漿液返出孔口、情況正常后方可開始提升噴射。噴射下界線為入強(qiáng)風(fēng)化粘土巖1.0m以下。當(dāng)在砂卵石層中容易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象致使高噴管下不到預(yù)定深度時，移開高噴機(jī)，用鉆機(jī)進(jìn)行掃孔，用濃粘土漿或直接倒入粘土進(jìn)行護(hù)壁，然后才能進(jìn)行高噴操作。噴射過程中，出現(xiàn)故障而停噴時，待故障排除后，將噴管下至停噴前深度0.5m以下重新噴射，確保板墻連接良好。部分砂礫卵石層孔段出現(xiàn)漏漿而無冒漿時，就停止提升，并加大水泥漿液濃度，直至孔口有冒漿后才開始重新提升。當(dāng)發(fā)生鄰孔串漿時（主要發(fā)生在Ⅰ序孔），將串漿孔堵死，灌漿孔依照正常施噴要求進(jìn)行。單孔噴灌結(jié)束后，采用0.7∶1的純水泥漿進(jìn)行回填補(bǔ)灌，反復(fù)進(jìn)行，直至漿面不再下沉為止。在噴灌過程中，隨時監(jiān)測進(jìn)漿密度、回漿密度、流量，水、氣、漿的壓力和流量，擺噴角度，提升速度等施工參數(shù)，并詳細(xì)記錄。

3.使用效果

高噴防滲板墻完工后經(jīng)開挖檢驗和圍井抽水試驗，板墻折接完好，成墻厚度≥30cm，滲透系數(shù)K≤5×10-6cm/s，岸邊取水井動水位上升0.5m，完全達(dá)到設(shè)計要求。

五、結(jié)語

擺噴技術(shù)在防滲工程中應(yīng)用廣泛，具有特殊的優(yōu)越性，在一些特殊的堤段甚至是不可代替的。因此，加強(qiáng)對擺噴的理論研究及應(yīng)用實(shí)踐的探索，完善擺噴的理論體系，具有重要的實(shí)踐意義。針對堤防的不同類型，應(yīng)加強(qiáng)擺噴施工與其他防滲施工工法的綜合應(yīng)用

（作者單位：1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院 271018 2.沂沭河水利管理局 276000）