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高壓噴射灌漿技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

1前言

　　為解決水工建筑物防滲問題，尋求一種經(jīng)濟(jì)且技術(shù)先進(jìn)可靠的防滲方法，在水利工程施工當(dāng)中，基礎(chǔ)防滲處理是水利工程施工中尤為重要的環(huán)節(jié)。當(dāng)基礎(chǔ)土質(zhì)較差，滲透性較強(qiáng)時(shí)，在水流的作用下對(duì)基礎(chǔ)的危害很大。結(jié)合高壓噴射灌漿技術(shù)在甘肅張掖大孤山水電站引水樞紐工程中的應(yīng)用，通過現(xiàn)場檢測，明顯看出密實(shí)度和承載力均遠(yuǎn)大于原土體，從而提高和保證了工程質(zhì)量。

　　2工藝原理

　　2.1沖切摻攪作用

　　高噴技術(shù)主要是借助于高壓射流，通過沖擊切割和強(qiáng)烈擾動(dòng)，使?jié){液在射流作用范圍內(nèi)擴(kuò)散、充填周圍土層，并與土石粒摻混攪合，硬化后形成凝結(jié)體，從而改變原地層結(jié)構(gòu)和組成，達(dá)到防滲和提高承載力的目的。高噴凝結(jié)體是多種因素綜合作用的結(jié)果，高壓射流對(duì)地層結(jié)構(gòu)的影響范圍，取決于比能值E的大小，其表達(dá)式為：

　　E=(PQ)/(100v)

　　式中：E——每米旋噴柱耗用的能量（MJ/m）；

　　P——噴射灌漿壓力（MPa）；

　　Q——射流漿量(L/min)；

　　v——提升速度(cm/min)。

　　E值大，旋噴柱的直徑大，一般選用50～70cm直徑較好，但最終應(yīng)通過現(xiàn)場高噴試驗(yàn)確定。

　　2.2升揚(yáng)、轉(zhuǎn)換作用

　　高噴施工時(shí)，水、氣、漿由噴嘴中噴出，壓縮空氣，除能對(duì)水或漿液構(gòu)成外包氣層，使水或漿液射流能透入地層較遠(yuǎn)距離并維持較大壓力破碎地層結(jié)構(gòu)外，還可產(chǎn)生升揚(yáng)作用，將經(jīng)射流沖擊切削后的土石碎屑和地層中細(xì)粒，由孔壁和噴射桿的環(huán)狀間隙中升揚(yáng)帶出孔外，空余部位由漿液替代，同時(shí)也起到了轉(zhuǎn)換作用。

　　2.3擠壓、滲透作用

　　高噴射流強(qiáng)度隨射流距離的增加而較快地衰減至射流束末端，雖不能再?zèng)_切地層，但對(duì)地層仍產(chǎn)生擠壓作用。同時(shí)，噴射結(jié)束后，靜壓灌漿持續(xù)進(jìn)行，對(duì)周圍土體產(chǎn)生滲透作用，不僅可以促使凝結(jié)體與周圍土體結(jié)合更加密實(shí)，還在凝結(jié)體外側(cè)產(chǎn)生明顯的滲透凝結(jié)層，具有較強(qiáng)的防滲性能。

　　2.4位移握裹作用

　　地層中較小的塊石，由于噴射能量大，輔以升揚(yáng)、轉(zhuǎn)換作用，最終漿液可填滿塊石四周的空隙并將其握裹，遇到大的塊石或在塊石集中區(qū)，應(yīng)降低提升速度，提高比能值。在強(qiáng)大的沖擊震動(dòng)力作用下，塊石將會(huì)產(chǎn)生位移、松動(dòng)，漿液沿塊石四周空隙或塊石間孔隙滲入。在高壓噴射擠壓、余壓、滲透等綜合作用下，產(chǎn)生握裹凝結(jié)作用，形成連續(xù)密實(shí)的凝結(jié)體。

　　3凝結(jié)體的性能

　　水工建筑物地基防滲采用高噴施工時(shí)，要求凝結(jié)體具有良好的防滲性和穩(wěn)定性，而對(duì)于其抗壓強(qiáng)度要求不高。凝結(jié)體的防滲性能主要取決于地層組成成分和顆粒級(jí)配、施工方法、施工工藝以及漿液材料等。高噴形成的凝結(jié)體并不很規(guī)則，但與地層結(jié)合緊密，由于高噴凝結(jié)體周圍除了漿皮層外，一般還存在滲透凝結(jié)層，有著良好的復(fù)合防滲作用，從而進(jìn)一步提高了凝體的防滲性能。

　　4高噴凝結(jié)體的結(jié)構(gòu)布置形式

　　為保證高噴防滲墻的連續(xù)性，必須要使各孔的凝結(jié)體在有效范圍內(nèi)牢固可靠連接上，為此如何選用結(jié)構(gòu)布置形式和孔與孔的距離則很重要。高噴形成的凝結(jié)體的形狀與噴射的形式有關(guān)，噴射形式一般有旋噴、擺噴和定噴3種。噴射時(shí)若邊提升邊旋轉(zhuǎn)，則凝結(jié)體的形狀為圓柱體（又稱旋噴柱），若邊提升邊擺動(dòng)，則形成的凝結(jié)體的形狀為啞鈴狀，若只提升和定向噴射則可形成板狀（又稱定噴板）。目前在青海及甘肅的西南部地區(qū)常用的結(jié)構(gòu)布置形式有：定噴折線式、 擺噴對(duì)接式和柱擺式等。

　　5高噴材料

　　三管法施工時(shí)，多用純水泥漿，水泥為42.5０或52.5０普通硅酸鹽水泥。由于三管法施工，先是高壓氣、水噴射，而后是壓力灌漿，灌漿易被先噴入的水稀釋，所以使用的水灰比不應(yīng)大于1∶1的濃漿。

　　6機(jī)械設(shè)備的組成

　　高噴灌漿技術(shù)有單管法、雙管法、三管法。在該工程中采用的是三管法，所用主要設(shè)備有XY-2型液壓地質(zhì)鉆機(jī)、GYP-50型高噴臺(tái)車、XPB90E型高壓泥漿泵。

　　7工藝和施工要點(diǎn)

　　7.1鉆孔

　　泥漿固壁回轉(zhuǎn)（或沖擊）鉆進(jìn)。造孔過程中做好充填堵漏，使孔內(nèi)泥漿保持正常循環(huán)，返出孔外，直至終孔。跟管鉆進(jìn)，邊鉆進(jìn)邊跟入套管，直至終孔。鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)注意保證鉆機(jī)垂直，偏斜率應(yīng)≤1%。

　　7.2下入噴射桿

　　泥漿固壁的鉆孔可以將噴射桿直接下入孔內(nèi)，直至孔底。跟管鉆進(jìn)的鉆孔，有２種情況：一是拔管前在套管內(nèi)注入密度大的塑性泥漿，注滿后起拔套管，邊起拔邊注入，使?jié){面長期保持與孔口齊平，直至套管全部拔出，而后再將噴射桿下入孔內(nèi)直至孔底。二是也可先在套管內(nèi)下入管壁均勻的PVC塑管，直到套管底部，起護(hù)壁作用，而后將套管全部拔出，再將噴射桿下入到管底部。

　　7.3高噴施工

　　施工中所用技術(shù)參數(shù)因使用高噴的方法不同而不同。所用的灌漿壓力不同，提升速度也有差異。對(duì)各類地層而言，若使用同一種施工方法則水壓、氣壓、漿壓的變化不大，而提升速度變化，是影響高噴質(zhì)量的主要因素。一般情況下，確定提升速度應(yīng)注意下列幾個(gè)問題：① 因地層而異，在砂層中提升速度可稍快，砂卵（礫）石層中應(yīng)放慢些，含有大粒徑（40cm以上）塊石或塊石比較集中的地層應(yīng)更慢。② 因分序而異。先序孔提升速度可稍慢，后序孔相對(duì)來講可稍快。③ 高噴施工中發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)返漿量減少時(shí)宜放慢提升速度。

　　8施工工藝

　　8.1墻體位置的確定

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求平整好場地，要求場地內(nèi)地下無障礙物，對(duì)某些作業(yè)地基軟、不平整，有可能引起整機(jī)翻倒引起事故的地段，一定要采取防范措施，在平整場地上對(duì)墻體中心線進(jìn)行測量定位。

　　8.2噴墻管理

　　應(yīng)控制好掘進(jìn)速度和灌漿壓力、提升速度，送氣量的大小應(yīng)使?jié){液成沸騰狀為宜。灌漿階段漿液不能發(fā)生離析和斷漿現(xiàn)象，保證墻體均勻，無夾心層，若發(fā)生管道堵塞或因故短暫停機(jī)，應(yīng)迅速搶修。

　　9工程實(shí)例

　　在張掖大孤山水電站樞紐基礎(chǔ)防滲施工中，所采用的噴灌方法為三管法定向噴射成墻施工。防沖隔墻長為68m，該工程地層為砂礫土，采用凝結(jié)體的結(jié)構(gòu)布置形式為柱擺式，成墻深度為30m，墻厚平均為80cm。孔距2m，噴射中心有直徑20～30cm的圓柱體。首先用水管、氣管、漿管同軸布設(shè)組成噴射桿，桿底部設(shè)置有噴嘴，氣、水噴嘴在上，漿液噴嘴在下，高噴時(shí)，隨著噴射桿的旋轉(zhuǎn)和提升，采用高壓水和氣的射流沖擊擾動(dòng)地層土體，呈翻滾松散狀態(tài)，隨后以低壓注入濃漿摻混攪拌，硬化后形成凝結(jié)體。此方法高噴質(zhì)量可滿足設(shè)計(jì)要求，工效高、造價(jià)低，能充分利用原地土體，就地取材，機(jī)械化程度高，其工藝參數(shù)為：

　?、?噴嘴直徑：2～2.3０mm；（外φ5）

　?、?高壓水：10MPa，流量40L/min；

　?、?氣壓：0.7０MPa，氣量6m3/min；

　?、?漿壓：0.3０MPa，流量80m3/min；

　　⑤ 提升速度：15cm/min；

　　⑥ 三重管回轉(zhuǎn)：7r/ min；

　　施工完成后采用挖深坑數(shù)米，用電子填土密實(shí)度檢測儀對(duì)周圍土體進(jìn)行現(xiàn)場質(zhì)量測試。檢測結(jié)果為土體密實(shí)度和承載力均大于原土體，施工過程中有專人負(fù)責(zé)記錄，記錄詳實(shí)準(zhǔn)確。

　　10經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

　　與常規(guī)混凝土防滲墻相比，本防滲工程可不同程度地降低工程造價(jià)，具有開挖量小，施工方便，占地少，對(duì)臨近建筑物影響小等特點(diǎn)。此項(xiàng)技術(shù)很大程度地提高了防滲能力，減輕防洪壓力，對(duì)保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起到積極的作用，其社會(huì)效益十分明顯

地層 漿液 射流

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