论文部分内容阅读
摘要：高压喷射灌浆技术在病险水库防渗加固中有着广泛的应用。本文以某土石坝工程除险加固为例，总结整理高压喷射灌浆中施工方法、高喷方案的选择，以及工艺参数和施工技术中应重点注意的问题，为类似工程提供相应的参考。
关键词：高压喷射灌浆 病险坝 防渗 加固
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
1高压喷射灌浆技术
高压喷射灌浆是通过射流作用强制性破坏原地层结构，不存在一般静压注浆的可灌性问题。只要高压射流能破坏的细砂层、极细砂层、粘土层等均可处理，对块、卵石层的较大孔隙及集中渗漏的空间，以各种射流机理加之绕流、位移、袱裹等作用将地层颗粒或级配料予以充填封堵。高压喷射灌浆板墙具有良好的连接性能，板墙自身及它与建筑物在上下、左右、前后能实现三维空间连接。可通过新高压喷射流将老板墙或地下原有构筑物表面冲刷干净并与其凝结，牢固的凝结为一体。根据施工方法的不同目前在工程中常用种类有：单管法、两管法、三管法和多管法等。二管法和三管法高压喷射灌浆在防渗工程中应用较多，其中三管法应用最多；单管法和多官法高压喷射灌浆在防渗工程中应用不多。
2 工程应用
2.1工程简介
某水库4+000～4+500坝段渗透系数较大，均达到10-3cm/s，有的透水层甚至达到10-2cm/s，防渗加固深度25m以上，要同时具有防渗与加固的双重作用。考虑到水库地质情况、现有水工建筑物情况、渗漏状况、防渗加固深度、工期短等因素，一方面要解决坝堤防渗问题，另一方面要解决堤基加固问题。依据坝基防渗及加固方法的选择原则，结合水库现有的地质条件、渗漏状况、水工设施不破坏、下游緊邻村庄不迁移、施工难易情况、单位造价、施工速度等因素，经多方论证后决定对水库坝基防渗加固工程采用高压喷射灌浆方案。高压喷射灌浆法按喷嘴运动方式可分为旋喷、定喷和摆喷三种形式。旋喷形成柱状，定喷形成板状，摆喷法形成墙体的长度和厚度介于旋喷和定喷之间,适用于各种地层特别是砂卵石层中的防渗处理，故选用高压摆喷灌浆方法对4+000～4+500坝段进行防渗加固处理。
2.2高喷防渗墙施工前的验证性试验
高喷防渗墙在施工之前，结合本工程的具体情况，参照已成功实施的类似工程，初步确定防渗墙的结构型式、孔距和高喷灌浆技术参数，然后对布孔方式、孔距；摆喷的喷射流量、压力、摆动速度和提升速度；材料、设备性能及施工工艺措施等进行验证性试验。相关参建单位会商后，在 4+100～4+200段坝，选择一处工程地质条件有代表性的位置进行了高压摆喷围井试验，以取得合理的设计参数和施工方案。对所形成的围井开挖（开挖深度13.6m）进行质量检查，检查结果得出高压喷射防渗墙体平均厚度在土层中为29cm，砂层中为33.8cm，卵石层中为56cm，墙体连接较好且连续均匀。虽然围井内承压水头达12cm左右且未采取任何支护措施，墙体并未坍塌；局部有渗水，但得出的渗透系数K=1.01×10-5～
4.63×10-5cm/s已满足设计要求。
2.3 高喷墙的设计
此次高压喷射灌浆工程位置选择在4+000～4+500坝段上游104m平台上，坝体104～90m高程原为坝体填筑和覆盖层土，土质为为重中粉质壤土，防渗墙中心线与坝轴线平行，距坝内块石护坡底边外沿5.0m，高喷形式选用三重管高压摆喷灌浆方法，自下而上连续灌浆，高喷墙从重中粉质壤土顶板上1.5m开始灌浆至基岩以下1m，防渗墙体厚度要求达到20cm以上，以折线形式连接，折线轴线与防渗墙轴线夹角120°，摆角30°，采用II序孔相间灌浆，形成一个上部与重中粉质壤土相接，底部插入基岩的连续密封的防渗墙，
2.4施工工艺
造孔：按设计孔位在坝顶安装150型钻机。三管钻孔中心距为1.2 m～1.5 m。为了防止坝坡滑动，采用隔断间断或分序施工，每单位施工段长6 m。安放灌浆管：边下钻边注入低压水冲洗防堵。同时注意机械震动和及时量测调整校正垂直度，使钻杆偏差≤1%。
注浆施工：注浆材料应使用32.5 R及以上早强型水泥。注浆方式为压入式上行法，直下而上，当摆喷管下至设计深度注浆开始时应先试喷，待注浆压力达到20 MPa时才提升注浆管进行摆喷，摆喷过程主要技术参数为：浆液喷射压力≥20 MPa；浆液比重≥1.4 t/m3；回浆比重≥1.4 t/m3；水泥用量0.23 t/m；钻杆垂直度≤1%。
设计参数：坝中孔距1.2 m，坝肩孔距1.5 m，灌浆分两序施工，河床一序孔距2.4 m，二序孔距1.2m，坝肩一序孔距3.0 m，二序孔距1.5 m。摆喷折角25o～30o，搭界长度≥20 cm，防渗墙厚度≥（20～30）cm，平均厚度25cm。
施工参数：水压（35～40）MPa，流量（70～80）L/min,压缩空气压力（0.6～0.8）MPa，气量（0.8～1.2）m3/min,水泥浆压力（0.2～1.0）MPa，流量（60～80）L/min，提升速度
（10～20）cm/min,摆速10次/min，喷嘴直径（2.0～3.2）mm.施工前先进行摆喷试验，确定施工参数，摆喷防渗墙施工完成后应进行取芯试验和压水试验，测定防渗墙的抗渗和强度指标。
3高压喷射灌浆施工技术要点
3.1保证钻孔质量，严格控制钻孔斜率
病险坝高喷钻孔深度较大，必须控制好钻孔的垂直度才能保证防渗墙的有效连接。病险坝高喷钻孔一般要求孔斜率蕊，对孔深大的重要工程钻孔孔斜率要求可进一步提高。一般粘土层和砂层钻进比较平稳，钻孔偏斜相对容易控制；而砂卵石层和砾卵石层钻进时钻机震动严重，钻头出现跳动，稍不注意就会出现较大偏斜。根据现场试验和施工经验进行分析总结，采取以下措施可有效控制钻孔偏斜。
应选择钻进能力强、工作平稳、配备导向钻具的钻机。钻机就位后，应垫稳及调整钻机，并经常用卡尺进行测量，使开孔钻具始终保持在铅直状态；开孔钻具应采用大一级的钻具，在钻至卵石层后要上下反复活动，避免因地层中颗粒不均匀造成钻头滑移至一侧造成钻孔偏斜；钻进时应分段用井位测斜仪进行钻孔测斜，发现某段钻孔垂直度超标及时进
行扫孔纠偏；对易发生塌孔段可下入跟进套管并用水平尺反复校核垂直度，钻进时如套管
有明显偏斜，则应拔出套管回填砂砾料重新在原位开孔。对钻孔偏斜要求高的钻孔‘可采用具有自动纠偏能力的钻机。
3.2采取有效的护壁措施，把握好钻孔与高喷间的施工间隔
高喷孔一般按分两序加密的原则进行施工，每个高喷孔先由钻机造孔，移走钻机后，高喷灌浆台车就位后进行高喷。由于钻孔速度与高喷速度不一致，一台高喷台车配套多台钻机，由于分序及工作面条件的限制，为避免台车频繁前后移动提高工效，在实际施工中往往先造较多的钻孔后才进行高喷施工。如何加强护壁措施，控制造孔和高喷之间的间隔时间，减少因未及时高喷造成塌孔需二次重新扫孔的数量是影响工期，提高工效的关键。一般要求造孔后1～7天内进行高喷。
由于病险水库坝体加固坝基大多为砂卵石层，采用传统的泥浆护壁工艺，漏浆量大，成本高，塌孔严重，高喷成孔率低。采用特制带径向条缝的PVC塑料管插入孔中护孔效果良好，而且在高压射流作用下极易破坏，不会影响高喷质量，可克服卵石层严重的塌孔问题，避免高喷台车就位后却因塌孔高喷管不能插入孔底，需拔出高喷管，移走台车，调来钻机二次重复扫孔的被动局部。
3.3合理利用高噴回浆
回浆利用就是在高压喷射灌浆的同时将从孔口返出的冒浆进行净化、回收，然后根据回浆比重再次配浆灌注，这样可大大降低浆材(主要为水泥)的用量，降低工程成本。病险坝防渗加固对强度要求不是很高，可充分考虑利用回浆，但对各不同地层回浆的性质应具体分析，对砂层和砂卵石层，粗颗粒通过净化池沉淀下来，回浆可充分利用；但对于粘土层、淤泥层和极细砂层，净化系统很难将混在浆液中的泥质、粉细纱净化分离，净化后浆液仍为泥质、粉细纱、水泥组成的混合浆液，回浆比重不能反映水泥的含量，直接按回浆比重读数配置高喷浆液难以满足高喷防渗墙的质量要求，故对粘土层、淤泥层和极细砂层的回浆一般不宜进行回浆利用。
3.4重视高喷灌浆后的孔口补浆工作
由于坝基砂卵石层透水性强，高喷灌浆泌水固结会出现较大的沉陷。必须在喷浆结束后及时通过送浆管路向孔内进行补浆，它是高喷灌浆施工的最后一道工序，直接影响防渗墙上部墙体的质量。在高喷结束后应安排专人在孔口向孔内补浓浆，直至浆面不下沉为止。对强度要求不高的防渗墙，在实际施工中可利用相邻孔在进行砂层或砂卵石层高喷时的回浆进行回填补浆。
3.5高喷时返浆不正常的处理
在施工设备和施工工艺参数均正常的情况下，孔口返浆不正常主要有两种原因，一是地层漏浆，二是相邻孔串浆。对孔口返浆不正常的孔段，应根据返浆的实际情况采取不同措施进行处理：如果是孔口不返浆：停止提升高喷管进行静喷；降低高压水压力，但浆压、风压、进浆量不变，可从孔口加砂或掺加速凝剂；可提动高喷管5cm防止卡管；采取上述措施，孔口返浆后，将水压及其它参数调整正常，再进行正常提升。如果是有返浆，但不正常：可采取间隔提升的方法，返浆正常后，正常喷射。如果本孔不返浆，但邻孔返浆时：各参数不变，正常提升。针对含砂量很少的卵砾石层，可在套管中预先静压灌注水泥粘土砂浆，再进行高压喷射灌浆来解决卵石层漏浆问题。
参考文献：
[1]彭世炉. 土石坝高压喷射灌浆防渗加固施工质量控制探究[J].内蒙古水利,2011(3):104-105
[2]汪勇.高压喷射灌浆技术在坝基防渗处理中应用研究[D].海河大学，2006，5
[3]彭勤涛//灌浆技术在病险土石坝防渗加固中的应用[J]. 湖南水利水电,2012(3):44-46
[4]徐有前.高压喷射灌浆技术在病险坝防渗加固中应用[D].合肥工业大学，2003，5
[5]蒋友清.旋喷桩在湘江防洪墙基础处理中的应用[J].防渗技术，2011, 12(1): 12.-16
关键词：高压喷射灌浆 病险坝 防渗 加固
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
1高压喷射灌浆技术
高压喷射灌浆是通过射流作用强制性破坏原地层结构，不存在一般静压注浆的可灌性问题。只要高压射流能破坏的细砂层、极细砂层、粘土层等均可处理，对块、卵石层的较大孔隙及集中渗漏的空间，以各种射流机理加之绕流、位移、袱裹等作用将地层颗粒或级配料予以充填封堵。高压喷射灌浆板墙具有良好的连接性能，板墙自身及它与建筑物在上下、左右、前后能实现三维空间连接。可通过新高压喷射流将老板墙或地下原有构筑物表面冲刷干净并与其凝结，牢固的凝结为一体。根据施工方法的不同目前在工程中常用种类有：单管法、两管法、三管法和多管法等。二管法和三管法高压喷射灌浆在防渗工程中应用较多，其中三管法应用最多；单管法和多官法高压喷射灌浆在防渗工程中应用不多。
2 工程应用
2.1工程简介
某水库4+000～4+500坝段渗透系数较大，均达到10-3cm/s，有的透水层甚至达到10-2cm/s，防渗加固深度25m以上，要同时具有防渗与加固的双重作用。考虑到水库地质情况、现有水工建筑物情况、渗漏状况、防渗加固深度、工期短等因素，一方面要解决坝堤防渗问题，另一方面要解决堤基加固问题。依据坝基防渗及加固方法的选择原则，结合水库现有的地质条件、渗漏状况、水工设施不破坏、下游緊邻村庄不迁移、施工难易情况、单位造价、施工速度等因素，经多方论证后决定对水库坝基防渗加固工程采用高压喷射灌浆方案。高压喷射灌浆法按喷嘴运动方式可分为旋喷、定喷和摆喷三种形式。旋喷形成柱状，定喷形成板状，摆喷法形成墙体的长度和厚度介于旋喷和定喷之间,适用于各种地层特别是砂卵石层中的防渗处理，故选用高压摆喷灌浆方法对4+000～4+500坝段进行防渗加固处理。
2.2高喷防渗墙施工前的验证性试验
高喷防渗墙在施工之前，结合本工程的具体情况，参照已成功实施的类似工程，初步确定防渗墙的结构型式、孔距和高喷灌浆技术参数，然后对布孔方式、孔距；摆喷的喷射流量、压力、摆动速度和提升速度；材料、设备性能及施工工艺措施等进行验证性试验。相关参建单位会商后，在 4+100～4+200段坝，选择一处工程地质条件有代表性的位置进行了高压摆喷围井试验，以取得合理的设计参数和施工方案。对所形成的围井开挖（开挖深度13.6m）进行质量检查，检查结果得出高压喷射防渗墙体平均厚度在土层中为29cm，砂层中为33.8cm，卵石层中为56cm，墙体连接较好且连续均匀。虽然围井内承压水头达12cm左右且未采取任何支护措施，墙体并未坍塌；局部有渗水，但得出的渗透系数K=1.01×10-5～
4.63×10-5cm/s已满足设计要求。
2.3 高喷墙的设计
此次高压喷射灌浆工程位置选择在4+000～4+500坝段上游104m平台上，坝体104～90m高程原为坝体填筑和覆盖层土，土质为为重中粉质壤土，防渗墙中心线与坝轴线平行，距坝内块石护坡底边外沿5.0m，高喷形式选用三重管高压摆喷灌浆方法，自下而上连续灌浆，高喷墙从重中粉质壤土顶板上1.5m开始灌浆至基岩以下1m，防渗墙体厚度要求达到20cm以上，以折线形式连接，折线轴线与防渗墙轴线夹角120°，摆角30°，采用II序孔相间灌浆，形成一个上部与重中粉质壤土相接，底部插入基岩的连续密封的防渗墙，
2.4施工工艺
造孔：按设计孔位在坝顶安装150型钻机。三管钻孔中心距为1.2 m～1.5 m。为了防止坝坡滑动，采用隔断间断或分序施工，每单位施工段长6 m。安放灌浆管：边下钻边注入低压水冲洗防堵。同时注意机械震动和及时量测调整校正垂直度，使钻杆偏差≤1%。
注浆施工：注浆材料应使用32.5 R及以上早强型水泥。注浆方式为压入式上行法，直下而上，当摆喷管下至设计深度注浆开始时应先试喷，待注浆压力达到20 MPa时才提升注浆管进行摆喷，摆喷过程主要技术参数为：浆液喷射压力≥20 MPa；浆液比重≥1.4 t/m3；回浆比重≥1.4 t/m3；水泥用量0.23 t/m；钻杆垂直度≤1%。
设计参数：坝中孔距1.2 m，坝肩孔距1.5 m，灌浆分两序施工，河床一序孔距2.4 m，二序孔距1.2m，坝肩一序孔距3.0 m，二序孔距1.5 m。摆喷折角25o～30o，搭界长度≥20 cm，防渗墙厚度≥（20～30）cm，平均厚度25cm。
施工参数：水压（35～40）MPa，流量（70～80）L/min,压缩空气压力（0.6～0.8）MPa，气量（0.8～1.2）m3/min,水泥浆压力（0.2～1.0）MPa，流量（60～80）L/min，提升速度
（10～20）cm/min,摆速10次/min，喷嘴直径（2.0～3.2）mm.施工前先进行摆喷试验，确定施工参数，摆喷防渗墙施工完成后应进行取芯试验和压水试验，测定防渗墙的抗渗和强度指标。
3高压喷射灌浆施工技术要点
3.1保证钻孔质量，严格控制钻孔斜率
病险坝高喷钻孔深度较大，必须控制好钻孔的垂直度才能保证防渗墙的有效连接。病险坝高喷钻孔一般要求孔斜率蕊，对孔深大的重要工程钻孔孔斜率要求可进一步提高。一般粘土层和砂层钻进比较平稳，钻孔偏斜相对容易控制；而砂卵石层和砾卵石层钻进时钻机震动严重，钻头出现跳动，稍不注意就会出现较大偏斜。根据现场试验和施工经验进行分析总结，采取以下措施可有效控制钻孔偏斜。
应选择钻进能力强、工作平稳、配备导向钻具的钻机。钻机就位后，应垫稳及调整钻机，并经常用卡尺进行测量，使开孔钻具始终保持在铅直状态；开孔钻具应采用大一级的钻具，在钻至卵石层后要上下反复活动，避免因地层中颗粒不均匀造成钻头滑移至一侧造成钻孔偏斜；钻进时应分段用井位测斜仪进行钻孔测斜，发现某段钻孔垂直度超标及时进
行扫孔纠偏；对易发生塌孔段可下入跟进套管并用水平尺反复校核垂直度，钻进时如套管
有明显偏斜，则应拔出套管回填砂砾料重新在原位开孔。对钻孔偏斜要求高的钻孔‘可采用具有自动纠偏能力的钻机。
3.2采取有效的护壁措施，把握好钻孔与高喷间的施工间隔
高喷孔一般按分两序加密的原则进行施工，每个高喷孔先由钻机造孔，移走钻机后，高喷灌浆台车就位后进行高喷。由于钻孔速度与高喷速度不一致，一台高喷台车配套多台钻机，由于分序及工作面条件的限制，为避免台车频繁前后移动提高工效，在实际施工中往往先造较多的钻孔后才进行高喷施工。如何加强护壁措施，控制造孔和高喷之间的间隔时间，减少因未及时高喷造成塌孔需二次重新扫孔的数量是影响工期，提高工效的关键。一般要求造孔后1～7天内进行高喷。
由于病险水库坝体加固坝基大多为砂卵石层，采用传统的泥浆护壁工艺，漏浆量大，成本高，塌孔严重，高喷成孔率低。采用特制带径向条缝的PVC塑料管插入孔中护孔效果良好，而且在高压射流作用下极易破坏，不会影响高喷质量，可克服卵石层严重的塌孔问题，避免高喷台车就位后却因塌孔高喷管不能插入孔底，需拔出高喷管，移走台车，调来钻机二次重复扫孔的被动局部。
3.3合理利用高噴回浆
回浆利用就是在高压喷射灌浆的同时将从孔口返出的冒浆进行净化、回收，然后根据回浆比重再次配浆灌注，这样可大大降低浆材(主要为水泥)的用量，降低工程成本。病险坝防渗加固对强度要求不是很高，可充分考虑利用回浆，但对各不同地层回浆的性质应具体分析，对砂层和砂卵石层，粗颗粒通过净化池沉淀下来，回浆可充分利用；但对于粘土层、淤泥层和极细砂层，净化系统很难将混在浆液中的泥质、粉细纱净化分离，净化后浆液仍为泥质、粉细纱、水泥组成的混合浆液，回浆比重不能反映水泥的含量，直接按回浆比重读数配置高喷浆液难以满足高喷防渗墙的质量要求，故对粘土层、淤泥层和极细砂层的回浆一般不宜进行回浆利用。
3.4重视高喷灌浆后的孔口补浆工作
由于坝基砂卵石层透水性强，高喷灌浆泌水固结会出现较大的沉陷。必须在喷浆结束后及时通过送浆管路向孔内进行补浆，它是高喷灌浆施工的最后一道工序，直接影响防渗墙上部墙体的质量。在高喷结束后应安排专人在孔口向孔内补浓浆，直至浆面不下沉为止。对强度要求不高的防渗墙，在实际施工中可利用相邻孔在进行砂层或砂卵石层高喷时的回浆进行回填补浆。
3.5高喷时返浆不正常的处理
在施工设备和施工工艺参数均正常的情况下，孔口返浆不正常主要有两种原因，一是地层漏浆，二是相邻孔串浆。对孔口返浆不正常的孔段，应根据返浆的实际情况采取不同措施进行处理：如果是孔口不返浆：停止提升高喷管进行静喷；降低高压水压力，但浆压、风压、进浆量不变，可从孔口加砂或掺加速凝剂；可提动高喷管5cm防止卡管；采取上述措施，孔口返浆后，将水压及其它参数调整正常，再进行正常提升。如果是有返浆，但不正常：可采取间隔提升的方法，返浆正常后，正常喷射。如果本孔不返浆，但邻孔返浆时：各参数不变，正常提升。针对含砂量很少的卵砾石层，可在套管中预先静压灌注水泥粘土砂浆，再进行高压喷射灌浆来解决卵石层漏浆问题。
参考文献：
[1]彭世炉. 土石坝高压喷射灌浆防渗加固施工质量控制探究[J].内蒙古水利,2011(3):104-105
[2]汪勇.高压喷射灌浆技术在坝基防渗处理中应用研究[D].海河大学，2006，5
[3]彭勤涛//灌浆技术在病险土石坝防渗加固中的应用[J]. 湖南水利水电,2012(3):44-46
[4]徐有前.高压喷射灌浆技术在病险坝防渗加固中应用[D].合肥工业大学，2003，5
[5]蒋友清.旋喷桩在湘江防洪墙基础处理中的应用[J].防渗技术，2011, 12(1): 12.-16