堤防工程沖洪積地基防滲處理新技術(shù)研究

李超群 王少華 李永豐 陳安重

1.長沙市工務(wù)局，中國·湖南 長沙 410014

2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，中國·湖南 長沙 410014

“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”新工藝可有效地解決采用現(xiàn)有常規(guī)灌漿工藝進行堤防工程沖洪積地基防滲處理時，普遍存在的鉆孔灌漿成孔困難、靜壓灌漿劈裂跑漿、噴射灌漿存在盲區(qū)、防滲幕墻難以閉合等諸多技術(shù)問題，實現(xiàn)了膏漿自封式噴擠灌注。堤防工程沖洪積地基經(jīng)處理后可形成一種類似于水泥土防滲幕墻，可以滿足工程需要，可應(yīng)用于類似工程，并具有較高的推廣價值。

堤防工程；穩(wěn)定漿液；觸變膏漿；鉆灌一體；高壓噴擠

1 引言

滲透破壞是堤防工程中最普遍且難以治愈的技術(shù)難點。對于堤防工程沖洪積地基防滲處理，目前中國主要采用密孔高壓噴射灌漿套接防滲墻或地下連續(xù)墻輔以墻底接觸灌漿進行防滲。但傳統(tǒng)的密孔高壓噴射灌漿套接防滲墻處理方案，存在鉆孔孔斜偏差與卵礫石噴射盲區(qū)，噴射灌漿套接封閉質(zhì)量難以保證；傳統(tǒng)的防滲墻輔以墻底接觸灌漿處理方案不僅施工難度大，且工程造價較高。

論文針對堤防工程沖洪積地基二元結(jié)構(gòu)特性，綜合國際現(xiàn)有多種灌漿技術(shù)工法優(yōu)點，結(jié)合某水電站堤防工程現(xiàn)場試驗研究成果，提出了一種“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”新工藝。

2 工法簡介

“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”新工藝，主要是針對堤防工程沖洪積地基二元結(jié)構(gòu)特性提出的，是一種集“鉆灌一體灌漿”“高壓沖擠灌漿”“高壓噴射灌漿”“膏漿擠劈灌漿”等工法于一體的復(fù)合灌漿新工藝。

鉆：采用一種“小口徑滿眼快速鉆進技術(shù)”與“水泥膨潤土穩(wěn)定漿液護孔固壁技術(shù)”，對深厚砂層、砂卵礫石層等復(fù)雜地層進行快速有效鉆進成孔。

灌：采用一種“膨潤土水泥穩(wěn)定漿液滲灌技術(shù)”與“鉆灌一體高壓沖擠灌漿技術(shù)”，對深厚砂、砂卵礫石地層以及下部風(fēng)化基巖盡可能實施有效的充填與滲透性灌注[1]。

噴：采用一種“不提鉆孔內(nèi)鉆噴機具轉(zhuǎn)換技術(shù)”與“超能高壓噴射灌漿技術(shù)” 進行觸變膏漿高壓噴射灌漿，形成一種觸變膏漿高壓噴攪體。

擠：采用一種“膏漿高壓泌水固結(jié)技術(shù)”和“膏漿高壓噴擠自封技術(shù)”組合技術(shù)，沿著高壓噴射流方向?qū)Φ貙舆M行旋變式強壓擠擴與劈楔復(fù)合灌注，形成一種強壓擠擴體、強壓擠劈體等復(fù)合灌漿體。

“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”完全突破傳統(tǒng)單管高壓噴射灌漿對漿液濃度的限制，創(chuàng)新采用一種觸變膏漿作為高壓噴射灌漿漿液，充分利用觸變膏漿所具有的高壓觸變粘度降低與高壓泌水固結(jié)特性，并配合采用一種鉆灌一體高壓沖擠灌漿新工藝對松軟地層進行全孔鉆灌固孔，借助高壓鉆噴機具與鉆灌固孔形成的致密孔壁貼合封阻效果，確保整個高壓噴擠復(fù)合灌漿施工過程中孔內(nèi)局部全封閉無返漿灌注，使得觸變膏漿經(jīng)高壓噴嘴射流噴出后，一方面按照常規(guī)的高壓噴射灌漿機理對松軟地層進行高壓噴射沖攪灌注[2]；另一方面沿著高壓噴射流方向?qū)λ绍浀貙訌?fù)合進行旋變式強壓擠擴與劈楔灌注，形成一種高壓噴攪體、強壓擠擴體、強壓擠劈體的復(fù)合灌漿體。新工藝鉆灌施工全孔自上而下與自下而上一氣呵成，施工便捷、經(jīng)濟、安全、環(huán)保。

3 工藝方法

3.1 漿液

鉆灌一體采用穩(wěn)定漿液，高壓噴擠復(fù)合灌漿采用觸變膏漿。漿液配比與主要性能指標(biāo)見表1、表2。

表1 穩(wěn)定漿液配比與主要性能指標(biāo)表

表2 觸變膏漿配比與主要性能指標(biāo)表

3.2 全孔鉆灌一體

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)采用兩級：為便于起下鉆與孔口漿液回收，孔口安裝Φ89mm 孔口管，第一級為Φ91mm，第二級為Φ59mm 小口徑一徑到底。

（2）孔口管安裝

開孔鉆進均采用Φ91mm 孔徑，鉆進一定深度后下入Φ89mm 孔口管，孔口管高出地面50cm 左右?？卓诠芟氯氩⒐潭ê蟀惭b孔口漿液收集盆。

（3）鉆孔精度

小口徑滿眼鉆進為一種高精度導(dǎo)向式鉆進成孔。因此，在設(shè)備安裝立軸對正、鉆機給進加壓參數(shù)適中條件下，鉆孔垂直精度可以得到有效保證，垂直度偏差≯1%。

（4）鉆灌一體工藝

①采用與鉆桿同級的Φ59mm 小口徑復(fù)合片鉆具組滿眼回轉(zhuǎn)鉆進，配合水泥膨潤土穩(wěn)定漿液自上而下鉆灌一體脈沖灌漿（脈沖量≥1L/沖次、脈沖壓力≥2MPa）。

②鉆進轉(zhuǎn)速控制在100～200r/min，鉆進壓力以控制鉆速≥5cm/min 的同時，滿足鉆機給進壓力適中即可。

③鉆進過程中每鉆進一個立軸行程，上下回轉(zhuǎn)活動 2～3次，通過鉆具組對已鉆孔段進行穩(wěn)定漿液沖抹加強固壁。

④若遇到嚴(yán)重架空、漏失地層時，進行原位進行高壓沖擠充填與滲透性灌注，直至孔口返漿后再進行自上而下鉆灌一體。

⑤全孔鉆孔一徑到底，完成后孔內(nèi)置換優(yōu)質(zhì)泥漿。

3.3 高壓噴擠復(fù)合灌漿

（1）孔內(nèi)鉆具組功能轉(zhuǎn)換

經(jīng)鉆機立軸鉆桿水龍頭或鉆桿孔口卸開接頭，向小口徑高壓噴擠復(fù)合灌漿鉆具組內(nèi)投放規(guī)定直徑的鋼球，單向封閉小口徑高壓噴擠復(fù)合灌漿鉆具組噴射灌漿頭內(nèi)向下出漿通道，實現(xiàn)超能噴擠功能轉(zhuǎn)換[3]。

（2）工藝參數(shù)

①噴擠分段：0.5～1m。

②旋轉(zhuǎn)速度：65r/min。

③上提下壓往復(fù)次數(shù)：5～7 次。

④噴擠壓力：25MPa（單噴嘴，噴嘴直徑3.0mm）。

⑤噴擠灌入量。

噴擠灌入量視地層條件而定，可按下列公式進行估算：

式中，Q——每段噴擠灌入量（L）；

D——噴射體直徑（m）；

L——噴擠段長（m）；

P——地層空隙率。

分段噴擠結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是按照自下而上分段回轉(zhuǎn)高壓噴擠復(fù)合灌漿工藝要求，噴射壓力25MPa，采用限量高壓噴擠灌注，每段噴擠灌入量經(jīng)計算確定，依次自下而上逐段進行高壓噴擠復(fù)合灌注，直至全孔段噴擠復(fù)合灌漿結(jié)束。

4 現(xiàn)場試驗研究

4.1 試驗地層

為驗證“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”新工藝施工質(zhì)量效果，在某水電站堤防背水側(cè)布置了一排（共 5 個）試驗應(yīng)用研究孔，孔距 1m，孔深進入強風(fēng)化基巖1.0m。試驗地層0～7.90m 為素填土，7.90m～10.00m 為粉質(zhì)粘土，10.00m～20.00m 為中粗砂，20.00m～25.80m 為卵石，25.80m～29.40m 為灰?guī)r。先導(dǎo)孔采取芯樣詳見圖1。

圖1 先導(dǎo)孔芯樣

4.2 質(zhì)量效果檢查

（1）鉆孔取芯

檢查孔布置在試驗孔中間，鉆孔取芯采用Φ94mm 雙管雙單動（SD 半合管）原裝取芯鉆具。檢查孔取出的芯樣可見，芯樣連續(xù)完整，砂層經(jīng)高壓噴攪擠劈復(fù)合灌注后基本成了水泥砂漿固結(jié)體見圖2，砂卵石層經(jīng)噴攪擠劈復(fù)合灌注后基本成了素混凝土狀見圖3，力學(xué)與抗?jié)B性能顯著提高。檢查孔芯樣照片見圖4。

圖2 砂層膠結(jié)成水泥砂漿

圖3 砂卵石層改性成為混凝土

圖4 檢查孔芯樣照片

（2）注水試驗

注水試驗采用鉆孔常水頭注水試驗，先導(dǎo)孔灌前砂層滲透系數(shù)為 2.9×10-3cm/s，砂卵石層滲透系數(shù)為1.5×10-2cm/s。檢查孔滲透系數(shù)為1.2×10-6cm/s。由此可見，堤防地基經(jīng)“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”后形成的復(fù)合灌漿體，已接近或達到素性混凝土防滲墻防滲標(biāo)準(zhǔn)，為一種結(jié)構(gòu)性防滲幕墻，其抗?jié)B性、耐久性完全滿足堤防防滲工程要求[3]。

（3）聲波測試

為檢測“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”前后波速變化情況，先導(dǎo)孔進行了灌前聲波測試，檢查孔進行了灌后聲波測試。測試成果顯示，灌前波速在1080～ 1580m/s，平均值為1316m/s，灌后波速在1500～2340m/s，平均值為1769m/s，灌后波速比灌前波速均有較大提高，平均提高率為34.41%。

5 結(jié)語

“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”新工藝可有效地解決采用現(xiàn)有常規(guī)灌漿工藝進行堤防工程沖洪積地基防滲處理時普遍存在的鉆孔灌漿成孔困難、靜壓灌漿劈裂跑漿、噴射灌漿存在盲區(qū)、防滲幕墻難以閉合等諸多技術(shù)問題。試驗應(yīng)用于某水電站堤防工程沖洪積地基防滲，質(zhì)量檢查孔取樣、注水試驗、聲波測試等成果顯示，防滲與固結(jié)質(zhì)量完全達到了堤防防滲所要求的各項技術(shù)指標(biāo)，其質(zhì)量效果顯著好于現(xiàn)有常規(guī)的防滲或固結(jié)灌漿工藝。

“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”新工藝可形成一種類似于水泥土防滲幕墻，墻體厚度≥0.5m，墻體抗壓強度≥1.0MPa，墻體滲透系數(shù)＜i×10-6cm/s，完全滿足《堤防工程設(shè)計規(guī)范》GB50286 要求。

“鉆、灌、噴、擠一體復(fù)合灌漿”新工藝應(yīng)用于堤防工程沖洪積地基防滲處理，在質(zhì)量、工效、經(jīng)濟、環(huán)保、安全等各項綜合指標(biāo)方面，明顯優(yōu)于常規(guī)的密孔高壓噴射灌漿套接幕墻防滲或地下連續(xù)墻輔以墻底接觸灌漿防滲等方案，具有較高的推廣價值。