動(dòng)水條件下砂卵石層高噴方法探討

劉玉成 李華偉 張青松

(1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601)

高壓噴射灌漿是借助中高壓噴射流沖切土體，混合漿液在射流作用區(qū)域擴(kuò)散充填，形成新的固結(jié)體，以達(dá)到截滲目的的灌漿方式。高壓噴射灌漿具有沖切攪拌、置換、充填、滲透等作用，適用于砂類土、黏性土、黃土和淤泥等地層的加固和截滲，對于地下水活躍、砂礫石較多的土體需慎重選用。本文基于工程實(shí)例，對動(dòng)水條件下砂卵石層進(jìn)行高噴灌漿試驗(yàn)，確定工藝參數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 工程概況

杭埠河治理工程是安徽省2016年災(zāi)后水利薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)治理重要支流2017—2019年實(shí)施項(xiàng)目，采取工程總承包管理模式。主要工程任務(wù)為豐樂河與杭埠河舒城段治理、提升雙河鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)，其中杭埠河城南大圩與十二圩共2.55km段堤防采用高噴方式截滲。

杭埠河舒城段治理具體內(nèi)容包括：?千人橋圩堤防加固，加固總長7.71km；?新建堤頂?shù)缆?9.175km，含千人橋圩7.71km、城南大圩7.85km、十二圩9.42km、周公渡圩4.195km；?險(xiǎn)工險(xiǎn)段處理2.55km，其中城南大圩2.2km、十二圩0.35km；?新建、拆除重建及加固穿堤建筑物45座，其中新建1座，重建35座，加固接長8座，拆除復(fù)堤1座，計(jì)劃工期22個(gè)月。

針對杭埠河十二圩管涌滲漏段(總長350m，位于5+650～6+000段)和城南大圩滲漏段(總長約2200m，分別位于18+350～18+700及19+500～21+350段，主要表現(xiàn)為堤內(nèi)灌溉水系通過堤基向堤外/河內(nèi)滲漏)，設(shè)計(jì)上采用高噴方式截滲，并給出各控制參數(shù)的參考值，詳細(xì)參數(shù)組合方案以承包人經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果確定。

2 地質(zhì)情況

杭埠河堤基在勘察深度范圍內(nèi)所揭露的地層從上到下按其土性特征可分為四個(gè)大層，現(xiàn)將鉆孔揭露的堤基地層情況敘述如下：

④-3層砂卵石層：黃、雜色，密實(shí)，飽和，自上而下顆粒漸粗，場地區(qū)內(nèi)連續(xù)狀分布，該層僅部分鉆孔揭穿，厚度一般在6～12m，上游范圍一般厚度不大于10m，中下游則多未鉆穿，已揭露最大厚度14.3m，最低層底高程-11.73m。為低壓縮性土層，滲透性參數(shù)建議值為5.0×10-2cm/s。

⑥-1層全風(fēng)化凝灰質(zhì)粗面巖：棕紅、紫紅等色，主要呈黏性土夾碎石顆粒狀，滲透性參數(shù)建議值為5.0×10-4cm/s。

⑥-2層強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)粗面巖：紫紅、灰紅色，巖芯為短柱狀及柱狀。

⑥-3層中等風(fēng)化凝灰質(zhì)粗面巖：灰紅、灰色，巖芯為柱狀。

堤防內(nèi)側(cè)存在多處水塘，細(xì)中砂、砂卵石層含一定的孔隙承壓水且流動(dòng)，平均水頭為6m。

3 設(shè)計(jì)思路和首次圍井試驗(yàn)

3.1 設(shè)計(jì)思路

截滲墻采用三管法擺噴方式，滲透系數(shù)及強(qiáng)度要求見表1，材料為P·O42.5水泥，孔距1.2m，折接式相接，折角20°～30°，擺噴角度30°～40°，墻體深約15.0～20.0m，墻底伸入相對不透水層1.0m，墻頂高程不低于設(shè)計(jì)洪水位+0.5m，墻頂以上鉆孔采用黏土球封堵。高噴墻墻體指標(biāo)見表1，防滲處理剖面見圖1。

圖1 防滲處理剖面

表1 高噴墻墻體指標(biāo)

3.2 首次圍井試驗(yàn)

由于防滲墻施工難度大且極其重要，在正式施工前，需進(jìn)行高噴防滲墻現(xiàn)場試驗(yàn)。通過現(xiàn)場圍井試驗(yàn)確定安全可靠的各項(xiàng)施工參數(shù)，如噴射形式、孔距、噴射壓力、流量、漿液濃度、提升和轉(zhuǎn)動(dòng)速度等，并通過試驗(yàn)熟練掌握高噴工藝、控制孔斜的措施等，以指導(dǎo)后期施工。同時(shí)，正式施工前應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)復(fù)勘，以確定正式防滲加固施工范圍。

首次圍井試驗(yàn)中布置一個(gè)圍井，孔位成八邊形布置。高壓噴射灌漿防滲墻頂高程33.0m，底高程14.5m，累計(jì)鉆孔進(jìn)尺18.5m，累計(jì)鉆孔并高壓擺噴148.0m。試驗(yàn)均采用鉆孔高噴施工工藝，分兩序進(jìn)行施工，單號孔均為Ⅰ序孔，雙號孔均為Ⅱ序孔。灌漿材料均采用P·O42.5水泥。圍井試驗(yàn)平面布置見圖2，高壓噴射灌漿施工工藝參數(shù)參考值見表2。

圖2 圍井試驗(yàn)孔位

表2 高壓噴射灌漿施工工藝參數(shù)

圍井1號孔噴灌開始正常，噴至離孔口6.8m位置(高程25.2m)處孔口開始不返漿，此時(shí)停止提升繼續(xù)噴漿，并在孔口人工往孔內(nèi)灌砂，持續(xù)5min仍無返漿，繼續(xù)采用降低水壓、降低氣壓原位注漿，并同時(shí)人工往孔內(nèi)灌砂，持續(xù)5min仍無返漿，由于連續(xù)停止10min并連續(xù)注漿仍不返漿，此時(shí)采用低速擺噴提升(提升速度6cm/min)1.5m后繼續(xù)采用降低水壓、降低氣壓原位注漿及人工孔內(nèi)灌砂法，持續(xù)5min仍無返漿，然后基本采用低速提升1.5～2m再原位注漿5min，一直提升至孔口(至孔口無回漿)。當(dāng)時(shí)考慮可能為個(gè)例，繼續(xù)對5號孔噴灌，發(fā)現(xiàn)5號孔與1號孔情況基本一致。

4 探討解決方案

從首次圍井試驗(yàn)1號孔灌漿結(jié)果可以看出，針對此種砂卵石層較厚且存在地下動(dòng)水的地基處理，三管法高噴采取降低提升速度、加大漿液密度、灌砂、復(fù)噴等方式仍無法成墻，需首先解決砂卵石層空隙封堵問題，然后再灌漿加固，否則只能放棄灌漿加固工藝。

4.1 原孔回填灌漿封堵+高噴

首次圍井試驗(yàn)施工3號孔時(shí)，在噴漿前先利用清水將孔清洗干凈，后采用原孔回填灌漿(黏土泥漿加入約10%水泥進(jìn)行灌漿)，但由于孔口砂層較為松軟，當(dāng)加壓至0.03MPa時(shí)孔口旁邊開始漏漿；將孔四周1m區(qū)域利用水泥漿封堵(同時(shí)將孔進(jìn)行掃孔并清洗干凈)，18h后繼續(xù)回填灌漿，當(dāng)加壓僅0.05MPa時(shí)封堵被破壞，周邊漏漿且吃漿量很小。原位回填灌漿后進(jìn)行高噴作業(yè)時(shí)跟前面1、5號孔施工情況基本一樣。后續(xù)施工7號孔，按照3號孔施工順序，基本與前述一樣在離孔口6～7m處不返漿。

由上可知，采用黏土+水泥摻拌漿液回填能起到一定的封堵效果，但封堵范圍和強(qiáng)度均較小，后續(xù)高噴無法開展。

4.2 添加速凝劑高噴

首次圍井試驗(yàn)施工5號孔時(shí)，在水泥漿液中添加速凝劑進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果不太理想。原因是速凝劑對添加劑量和時(shí)間要求太苛刻，而且速凝劑形成的固結(jié)體無法及時(shí)堵塞砂卵石層孔隙。另外，此種方式造價(jià)也偏高，經(jīng)試驗(yàn)失敗后放棄。

4.3 黏土水泥漿高噴+二次水泥漿高噴

在前述試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮提升黏土水泥漿的封堵范圍和封堵強(qiáng)度，做第二次圍井試驗(yàn)。

在Ⅰ序孔采用黏土水泥漿高噴，從孔底噴至離孔口6.0m位置(高程約26m)噴灌正常，但離孔口6.0m位置(高程約26m)開始不返漿，此時(shí)停止提升并降低水壓、降低氣壓，采用原位注漿持續(xù)5min仍無返漿，采用低速擺噴提升(提升速度7cm/min)，每次提升2m，然后注漿5min，直至地面高程。擺噴完成后，從6m處復(fù)噴黏土水泥漿，返漿正常。掃孔后，Ⅰ序孔高噴作業(yè)正常，均正常返漿。2號圍井Ⅱ序孔高噴作業(yè)正常，均正常返漿，無特殊情況發(fā)生。

4.4 圍井試驗(yàn)檢查

按照《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》提供的滲透系數(shù)計(jì)算公式開展兩次圍井試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，首次和第二次圍井試驗(yàn)的滲透系數(shù)分別為1.40×10-5cm/s和1.66×10-6cm/s。通過開挖檢查，發(fā)現(xiàn)首次圍井試驗(yàn)上層成墻效果較好，但砂卵石層不連續(xù)，第二次試驗(yàn)墻體搭接良好，經(jīng)強(qiáng)度檢驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求，其開挖效果見圖3。

圖3 第二次圍井試驗(yàn)開挖檢查

5 工藝完善

針對已選擇的工藝，現(xiàn)場開展多組對比實(shí)驗(yàn)確定各類控制參數(shù)，并梳理工藝流程，最終成果如下。

首先采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，泥漿固壁并同步拌制黏土水泥漿，漿液密度不小于1.2g/cm3，隨時(shí)測量泥漿的比重以保證達(dá)到堵漏效果，插管至灌漿孔孔底，先靜噴至孔口回漿正常再開始提升，隨后開始噴射作業(yè)。泥漿噴灌完成后再次進(jìn)行掃孔(采用MDL-C200鉆機(jī)二次鉆孔，采用特制PVC管護(hù)壁)，再按試驗(yàn)方案批準(zhǔn)的水灰比拌制水泥漿，漿液密度1.6～1.70g/cm3，采用P·O42.5水泥制漿，隨時(shí)測量水泥漿的比重以保證水灰比符合要求，插管至灌漿孔孔底，先靜噴至孔口回漿正常再開始提升，即可按設(shè)計(jì)參數(shù)開始噴射作業(yè)。噴灌時(shí)，同時(shí)做好各施工工藝參數(shù)記錄，孔口返漿每20～30min測一次比重并記錄，返漿通過排漿溝排放至適當(dāng)位置。噴射注漿，當(dāng)孔口回漿量超過噴漿量的20%時(shí)，提高噴射壓力或加快提升速度。噴灌結(jié)束后，可利用部分回漿或攪拌機(jī)拌制的漿液向噴射孔補(bǔ)充漿液以消除因析水產(chǎn)生的凹穴。具體工藝流程見圖4，新工藝參數(shù)見表3。

圖4 新工藝流程

表3 高壓噴射灌漿施工工藝參數(shù)(黏土水泥漿)

經(jīng)專家論證后，選擇第二次圍井試驗(yàn)工藝作為施工方法。

6 結(jié) 語

針對含動(dòng)水的砂卵石層，其空隙較大，水泥漿難以快速固結(jié)成體，采取常規(guī)措施未見改善，直接高噴水泥漿無法成墻，達(dá)不到截滲效果；采用外加劑，該工藝對劑量和時(shí)間要求苛刻，不利于實(shí)施；采用回填黏土漿堵漏，其擴(kuò)散范圍偏窄且強(qiáng)度較低，下一步高噴工序無法開展；采用黏土水泥漿高噴堵漏，可擴(kuò)大堵漏范圍且形成較高強(qiáng)度固結(jié)體，待一定強(qiáng)度后開展二次鉆孔高噴，此時(shí)外圍黏土水泥漿固結(jié)體可給予水泥高噴墻良好的外殼保護(hù)，二次水泥漿高壓擺噴順利成墻。

本工程中截滲墻地質(zhì)條件在江淮地區(qū)屬普遍現(xiàn)象，通過改進(jìn)三管法高噴工藝，采用黏土水泥漿高噴封堵再二次高噴工藝開展施工，截滲效果明顯，可有效克服動(dòng)水壓力，擴(kuò)展高噴工藝適用范圍，具有一定的推廣意義。