淺析高壓噴射灌漿技術(shù)在水利工程防滲中的應(yīng)用

王杰生

中國水利水電第八工程局有限公司 湖南 長沙 410000

前言

最早研究開發(fā)和大范圍應(yīng)用高壓噴射灌漿技術(shù)的眾多國家中就包括中國。近幾年以來，我們國家的高壓噴射灌漿技術(shù)為了達(dá)到與大多數(shù)水利工程防滲需求相符合的要求，取得了很大的突破和進(jìn)展，在堤壩的防滲和加固這方面是取得突破性進(jìn)展的地方。由于高壓噴射灌漿技術(shù)與其他普通的灌漿技術(shù)與防滲加固技術(shù)相比較而言，優(yōu)勢比較明顯，當(dāng)前已經(jīng)大面積的在眾多水利工程的防滲加固江河湖、堤壩等一些水工建筑物方面得到了廣泛的應(yīng)用。從有關(guān)的統(tǒng)計出發(fā)，可以得知現(xiàn)如今在全國范圍內(nèi)大約有數(shù)以百計的小型、中型、大型的防滲工程中應(yīng)用到高壓噴射灌漿這一技術(shù)，防滲板墻的構(gòu)筑面積預(yù)估早已超過數(shù)百萬計，并且普遍都取得了良好的實際效果。

1 基本原理與優(yōu)勢

第一，基本原理。通過借助高壓射流對被灌地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊和破壞，之后將混合漿或者水泥漿灌入其中，使灌入地層中的漿液和被灌地層里的顆粒可以均勻的摻混起來，進(jìn)而得以有與設(shè)計要求相符合的凝結(jié)體的形成，最終達(dá)成地基加固與防滲的高壓噴射灌漿技術(shù)應(yīng)用的目的，這是這一技術(shù)的基本原理。第二，優(yōu)勢方面[1]。這一技術(shù)有很多優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在六個方面：其一，有較好的可灌性；其二，有較好的可控性；其三，可靠的連接性；其四，靈活的機(jī)動性；其五，對于較大深度、較廣地層的適用性比較好；其六，不挑剔施工場地的條件，即有較強(qiáng)的適應(yīng)性[2]。

2 項目基本狀況

楊家灘泵閘工程位于江西省南昌市高新區(qū)，坐落于靠近紅旗聯(lián)圩的焦頭河上，泵房機(jī)組縱軸線位于楊家灘紅旗聯(lián)圩南面焦頭河側(cè)約 79m 處。由一座泵閘一體建筑組成，其主要功能是防洪、排澇和改善城市水環(huán)境。電排站設(shè)計排澇流量為80m3/s，裝機(jī)功率7.2MW，選用立式軸流泵，機(jī)組臺數(shù)為4臺，單機(jī)設(shè)計流量20m3/s。自排閘凈寬14m，為4孔，單孔凈寬3.5m，設(shè)計排水流量為80m3/s。

泵站規(guī)模屬于大（2）型，泵站等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。主泵房寬 37.9m（垂直水流方向），長 22m（順?biāo)鞣较颍?，?2.5m。從進(jìn)水側(cè)到出水側(cè)依次是進(jìn)水渠、攔污閘段、進(jìn)水池、泵房和自排閘進(jìn)水口、穿堤箱涵、出水口段、出水渠；樞紐建筑物從西至東依次是管理樓、安裝間、主泵房、副廠房、變電站。

3 主要技術(shù)方案

定噴、擺噴、旋噴為按照噴嘴運動方式進(jìn)行分類的三種高壓噴射灌漿法的形式[3]。板狀和柱狀分別是定噴和旋噴這兩種形成的，擺噴這一種形式所形成的墻體的厚度與長度介于定噴與旋噴這兩種形式之間，各種地層的防滲處理尤其是砂卵石層是這一種方式所適用的范圍[4]。因為本次研究中，本工程施工導(dǎo)流及泵閘基坑高噴防滲軸線長845m，防滲墻為擺噴折接形式，單排，孔距1.2m，擺噴防滲工程量為12590m；連接堤永久工程高噴防滲軸線長156.7m，防滲墻為旋噴套接形式，單排，孔距0.65m，旋噴防滲工程量為4581m。為了得到科學(xué)的設(shè)計參數(shù)與施工方案，特地選擇了一段地質(zhì)條件代表性強(qiáng)的工程場地進(jìn)行相關(guān)實驗，待實驗完成后，對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行確定，如圖1和圖2所示。

表1 施工實驗參數(shù)

表2 成果技術(shù)要求

4 具體施工過程

4.1 施工工藝

三重管法是本次實驗所采用的方法，主要有兩個施工次序[5]。施工工藝流程具體可以劃分為：①測量并放樣；②鉆機(jī)就位并對角度進(jìn)行校準(zhǔn)；③鉆孔具體是從泥漿護(hù)壁到設(shè)計方案中所規(guī)定的高程；④測斜；⑤噴射灌漿臺車準(zhǔn)備就位；⑥進(jìn)行試噴；⑦噴管下入；⑧進(jìn)行靜噴；⑨進(jìn)行擺動以及旋轉(zhuǎn)（旋噴）提升到進(jìn)入填筑黏土層內(nèi)大于1m；⑩高壓噴射灌漿臺車移位。

4.2 鉆孔

鉆孔具體是采用一序先鉆、二序后鉆的二序施工方法。進(jìn)行鉆進(jìn)的時候，首先應(yīng)該對地層變化、掉鉆、漏漿、孔位、孔深等一些特殊狀況進(jìn)行詳細(xì)的記錄并采取及時的措施予以處理。具體為：①應(yīng)該依據(jù)設(shè)計樁位控制點的布控進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)計，由現(xiàn)場中的技術(shù)人員放出并明確標(biāo)識孔位，孔位的偏差程度應(yīng)該小于50毫米；②將移動至設(shè)計孔位上的鉆機(jī)墊平并且穩(wěn)固不動搖后，應(yīng)用吊鉛垂與水平尺等對位于鉆機(jī)垂直度后方的可卡孔進(jìn)行檢查；③應(yīng)用地質(zhì)鉆機(jī)，鉆孔徑為130毫米并且鉆孔深度應(yīng)大于設(shè)計孔深0.3毫米的孔，固孔采用泥漿護(hù)壁來進(jìn)行；④待完成鉆孔后，可以開始測量孔深和孔斜，可由質(zhì)檢人員完成現(xiàn)場工序驗收工作，采用-3.3米控制現(xiàn)場鉆孔底部高程。終孔時的標(biāo)準(zhǔn)時是檢測的時候，孔深達(dá)-3.3米的現(xiàn)場鉆孔底部高程，孔底偏斜率≤1%方可，最后由監(jiān)理工程師進(jìn)行驗收并予以簽證，假如不達(dá)標(biāo)的話，就需要進(jìn)行加深或者糾偏，直到與標(biāo)準(zhǔn)要求相符合后，方可終止；⑤對于兩個相鄰次序孔的鉆孔和噴漿時間有著明確的規(guī)定，具體是24小時之內(nèi)不能連續(xù)鉆孔和噴漿。

4.3 高壓噴射灌漿

高壓噴射灌漿主要分為下述七個方面的內(nèi)容：①高噴臺車準(zhǔn)備就位。

高壓噴射灌漿臺車的就位離不開液壓步履裝置的協(xié)助，當(dāng)其移至孔口后，通過液壓支腿的升降操作調(diào)平臺車，將噴桿與孔口中心對準(zhǔn)；②進(jìn)行孔口的試噴操作。在將噴桿下到孔內(nèi)前，應(yīng)該將噴桿先停在孔口進(jìn)行先行的為時1～2分鐘的試噴操作，當(dāng)檢測裝置和漿路、水嘴、水、氣、氣嘴以及其他的機(jī)具都沒有異常狀況出現(xiàn)時，才能將噴桿下到孔內(nèi)；③噴桿下到孔內(nèi)的操作。噴桿的提起需要借助高噴臺車卷揚機(jī)，待提起后，經(jīng)孔口將噴頭和孔位中心對準(zhǔn)。在下噴桿的時候，應(yīng)該提前做好保護(hù)漿嘴、水、氣的措施。-3米處為噴桿必須下到的設(shè)計深度，并且擺噴時的噴射方向角不應(yīng)有大于1度的誤差；④進(jìn)行原位靜噴。當(dāng)完成在孔底下入噴頭這一操作后，首先把漿送入孔內(nèi)，到孔口有漿液冒出的時候，當(dāng)送入的漿量大于1.3立方米或者達(dá)到與規(guī)定相符的濃度后，才可以依次將高壓水與壓縮空氣送入其中。一定要在擺動角度和頻率以及噴射方向或者旋轉(zhuǎn)速度、流量以及漿壓力、水、氣都與設(shè)計要求相符合后，才能按照要求進(jìn)行噴桿提升操作；⑤進(jìn)行提升噴射操作。按照設(shè)計規(guī)定中所要求的擺速與提升速度、（旋噴）旋轉(zhuǎn)速度，一邊擺和（旋噴）旋轉(zhuǎn)、一邊提升；必須不間斷地進(jìn)行高壓噴射灌漿作業(yè)。對于中途有拆卸噴灌的狀況，應(yīng)該進(jìn)行復(fù)噴操作，并且復(fù)噴搭接長度應(yīng)大于0.2米，應(yīng)逐漸將提升速度減慢，當(dāng)提升到距離設(shè)計墻頂高程1.0米的時候，當(dāng)?shù)竭_(dá)河床地面線以上進(jìn)入到圍堰填筑黏土層之內(nèi)1米的時候，就可以終止對這一孔的高噴灌漿操作。10厘米/分鐘是整體噴射提升速度應(yīng)該保持的值；⑥進(jìn)行注漿操作。當(dāng)結(jié)束噴射灌漿操作后，應(yīng)該將噴頭和噴桿等噴射器具取出，靜壓灌漿使用水灰比為0.5：1～0.8：1的漿液來進(jìn)行，直到終噴高程漿液不會下降，方可終止；⑦進(jìn)行清洗機(jī)具的操作。當(dāng)結(jié)束每一孔的噴射操作后，應(yīng)該將噴桿噴頭和高噴機(jī)具用清水進(jìn)行反復(fù)沖洗，直到干凈為止，免除出現(xiàn)堵塞管路的狀況[6]。

5 質(zhì)量控制要點

本次試驗從2016年4月16日開始，至5月16日試驗結(jié)束，歷時30天。主要工作內(nèi)容有：試驗孔鉆孔、灌漿、注水試驗、鉆芯檢測。

從2016年4月16日，進(jìn)行8個高噴試驗孔鉆孔。4月18日至4月19日，進(jìn)行高噴灌漿，灌漿至設(shè)計高程，形成連續(xù)的高噴截滲墻圍井。4月28日進(jìn)行圍井開挖封底混凝土封底，于4月29日開始進(jìn)行檢查孔注水試驗。5月16日進(jìn)行現(xiàn)場取芯，采用硬質(zhì)合金取芯鉆具，清水鉆進(jìn)，芯樣完整，送往檢測單位檢測28d抗壓強(qiáng)度。

5.1 造孔

當(dāng)設(shè)備能力達(dá)到之后，控制斜孔是一個關(guān)鍵點。鉆前+鉆進(jìn)的控制措施是極為有效的一個措施。鉆前控制措施包括鉆機(jī)基座水平、立軸垂直。鉆進(jìn)控制措施主要分為下述兩種：①開鉆的時候，應(yīng)該輕輕地壓、慢慢地鉆； ②鉆進(jìn)的過程中，質(zhì)檢人員應(yīng)該時常使用水平尺對鉆機(jī)立軸垂直度進(jìn)行檢校。從此次施工中得出了這樣一個經(jīng)驗：應(yīng)用上面提到的鉆進(jìn)工藝與控制措施，基本上可以很好地保障成孔質(zhì)量，即孔斜率≤1%[7]。

5.2 工藝參數(shù)控制與漿、水、氣的經(jīng)常性檢測

必須嚴(yán)格在高噴灌漿施工中嚴(yán)格執(zhí)行工藝參數(shù)，其控制要點具體包括進(jìn)漿量、轉(zhuǎn)速以及提速等。灌漿漿液合格拌制的根本是適宜而優(yōu)質(zhì)的漿液材料，這一類材料必須和設(shè)計要求相符，不得在工程中使用不合格的材料。一定要按照配合比和配置程序嚴(yán)格進(jìn)行漿液的配置，良好的流動性與穩(wěn)定性是配置好的漿液所應(yīng)該具備的兩個特性，制備好的漿液距離用完的時間應(yīng)該不大于2小時。在高噴灌漿施工中，應(yīng)該對氣量、水壓以及漿量進(jìn)行經(jīng)常性的檢測。與此同時，還應(yīng)該對漿液進(jìn)漿與回漿之間的比重進(jìn)行經(jīng)常性的測驗。一般來說，每20～30分鐘測量和記錄一次進(jìn)漿密度和回漿密度，應(yīng)該派專人每秒時刻不間斷的觀察水壓，進(jìn)而可以及時處理壓力驟增或突降，孔口回漿量或濃度異常等狀況。應(yīng)該將噴漿作業(yè)暫停，當(dāng)出現(xiàn)進(jìn)漿比重誤差大于0.1的時候，同時應(yīng)該立即將漿液灰度比進(jìn)行調(diào)整，之后快速進(jìn)入噴漿作業(yè)的狀態(tài)中。在供漿沒有出現(xiàn)異常，孔口回漿密度由于變小難以與設(shè)計要求相符合的時候，應(yīng)該將進(jìn)漿量或密度加大。

5.3 中斷噴漿的處理（復(fù)噴）

在高噴作業(yè)中，應(yīng)該保障供漿、水、氣等管路系統(tǒng)的暢通性和密封性。在噴射中應(yīng)該隨時對設(shè)備運行情況進(jìn)行檢查，提升各環(huán)節(jié)之間的配合度，以免出現(xiàn)中斷的現(xiàn)象。當(dāng)遇到停電、不足的漿泵供漿量、異常的孔口回漿以及不夠的高壓水泵壓力等突發(fā)狀況時，注漿會中斷。當(dāng)噴漿恢復(fù)后，復(fù)噴長度必須為0.5米，保障板墻的連續(xù)、可靠這兩個特性。此次工程的孔深較大，因而需要卸管。卸管后，需下放噴射管進(jìn)行復(fù)噴，搭接長度應(yīng)不下于0.2米[8]。

6 特殊情況處理

特殊情況主要有下述九種：①應(yīng)及時查明出現(xiàn)于高噴灌漿中的壓力驟增或突降、孔口返漿量或濃度異常等狀況的原因并予以措施進(jìn)行及時處理和解決。②對于出現(xiàn)于高噴灌漿中的孔內(nèi)嚴(yán)重漏漿的狀況，具體應(yīng)該應(yīng)用下述措施進(jìn)行及時處理和解決：當(dāng)出現(xiàn)孔口不返漿狀況的時候，應(yīng)該停止噴桿的提升，當(dāng)恢復(fù)時才可再進(jìn)行此操作，根據(jù)孔口返漿量的多少決定噴桿的提升速度，二者呈正相關(guān)關(guān)系；噴水停止，可進(jìn)行原位灌漿；將水泥重量1%的水玻璃摻入水泥漿液中；進(jìn)行水泥粘土漿或水泥砂漿灌注；將米石、黏土、沙等堵漏材料從孔口回填至孔內(nèi)[9]。③當(dāng)供漿無異常，孔口返漿量變大或者濃度變小的時候，應(yīng)該將供水量減小。④當(dāng)串漿現(xiàn)象發(fā)生于噴漿中的時候，應(yīng)該將串孔封堵住，當(dāng)結(jié)束高噴空灌漿后，迅速對被串孔的進(jìn)行繼續(xù)鉆進(jìn)或掃孔、噴灌。⑤高噴灌漿應(yīng)該是不間斷進(jìn)行的，假如由于故障而中斷，當(dāng)中段時間大于30分鐘的時候，應(yīng)該對中斷位置進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。當(dāng)施工恢復(fù)后，把噴桿下入到中斷處以下50厘米的地方，針對噴段進(jìn)行復(fù)噴搭接操作，假如噴桿下沒有到位，則為了以免出現(xiàn)斷墻，需要采取先掃孔后噴射的處理措施。⑥當(dāng)在鉆孔中遇到大漏水量或者大石塊比較集中的地段的時候，就應(yīng)該先在噴射灌漿前進(jìn)行級配砂、黏土、礫石的回填，從而減少這一地段地層中比較大的空隙。當(dāng)灌注水泥砂漿或穩(wěn)定性漿液沒有吸漿現(xiàn)象出現(xiàn)后，進(jìn)行噴射水泥漿的操作。⑦當(dāng)因為出現(xiàn)孔內(nèi)事故而使其出現(xiàn)廢孔時，必須重新進(jìn)行鉆孔，在進(jìn)行開孔前，應(yīng)該首先通知監(jiān)理工程師進(jìn)行新孔位的確定，保障相鄰噴孔之間的搭接不受影響。⑧應(yīng)該立即停止噴射，當(dāng)處于大石塊和漂石上下方以及地層交界處的時候，應(yīng)該靜噴2～3分鐘，并依據(jù)返漿狀況適當(dāng)調(diào)整提升速度。⑨當(dāng)噴射灌漿于漂石和堆石等存在架空地層中的時候，具體可采取下述處理措施：下入噴具前，先對噴孔進(jìn)行預(yù)注漿；停止提升噴具，進(jìn)行靜壓注漿，將全部的架空地層進(jìn)行密實的填充。當(dāng)孔口返漿與相關(guān)要求相符合時，才能恢復(fù)提升噴具操作；將噴射風(fēng)壓與水壓降低，將漿液加濃，將供漿量增大，向孔口摻入速凝劑和砂等；假如冒漿過大，則應(yīng)該提升噴射壓力和速度，但需經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理工程師批準(zhǔn)后，才可進(jìn)行此操作[10]。

7 結(jié)束語

本篇文章主要從基本原理與優(yōu)勢、項目基本狀況、主要技術(shù)方案、具體施工過程、質(zhì)量控制要點、特殊情況處理這六個方面對在水利工程防滲中應(yīng)用高壓噴射灌漿技術(shù)進(jìn)行詳盡而仔細(xì)的探索、討論以及分析，以期提供一些可供借鑒的實例，使水利工程施工建設(shè)中的防滲指標(biāo)更加合乎相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。通過這一指標(biāo)的嚴(yán)格保障，使水利工程發(fā)揮更大的實際效用。