高压喷射灌浆在砂卵石基础防渗处理中的应用-建

高压喷射灌浆在砂卵石基础防渗处理中的应用

王素慧

[摘要]高压喷射灌浆（以下简称“高喷”）是砂卵石基础防渗处理的一种有效手段，它不仅可以大大加快施工进度，而且工程造价也较混凝土防渗墙低，因而具有较好的性价比和广阔的应用前景。

[关键词]高压喷射灌浆 砂卵石基础 防渗处理

一．前言

高压喷射灌浆是在静压灌浆和高压旋喷灌浆的基础上发展起来的一种有效的基础防渗处理新技术。它利用置于钻孔中的高压水喷射装置，按设计方向、深度、厚度和结构形式将浆液强行注入被灌地层结构，使其与地基紧密结合，并形成连续的防渗帷幕，与静压灌浆相比，具有灌浆材料省，灌入性、可控性好，设备简单，适应性广、工效高、工期短、造价低和效果好等优点。目前已在全国多个省市的众多水利工程的基础防渗处理中大量推广应用，取得了较好效果。

二、工艺原理

众所周知：高压射流的流速愈大，动压力愈高，则其穿透力愈强，冲切掺搅地层的范围也愈大。浆液进入被灌地层后，与砂卵石基础形成混凝成一道连续的防渗帷幕，其主要机理如下：

1、冲切掺搅作用

高达20—40MPa压力的强大射流，冲击穿透被灌地层的岩土体后，其高压射流和浆液可在灌注范围内使土体承受很大的冲切掺搅作用，并产生水力劈裂，在高压射流的脉动压力和连续喷射下造成土体结构破坏，并使浆液与被冲切下来的土体颗粒掺搅混合，形成设计要求的防渗帷幕。

2、升扬置换作用

在高压水、气喷射作用下，压缩空气会在水射束周围形成气幕，减少摩阻，使水射束能量不致过早衰减。通过喷射切割和升扬置换，使水、气、浆与地层中被切割下来的细颗粒相互掺混，形成含气的混合液，被挤压的多余浆液和岩土体会沿切割内槽、孔壁与喷射管的间隙向上升扬并流出地面。由于压缩空气在浆液中产生的气泡与地面大气的压差会使冒出浆液呈沸腾状，从而增加了升扬挟带能力，使被灌注地层的一些岩土颗粒被带出地面，而灌注的浆液则在冲切掺搅作用下灌入地层，使地层的原有组成成分实现重组并形成防渗体。

3、冲填挤压作用

高压喷射水束的末端及外侧边缘，由于其能量衰减幅度较大，因此无法冲切土体，但却可对周围土体形成挤压，并使被灌土层的土体进一步密实；在喷射或喷射结束时，由于静压力的灌浆作用仍在进行，灌入的浆液将对周围土体形成持续的挤压作用，并使注入的浆液与两侧土体结合更加密实。

4、穿透凝结作用

高压喷射灌浆，除在冲切范围内形成凝结防渗体外，还能使浆液向灌注范围周边进行挤压渗透，并形成具有较强防渗性的凝结过渡层。形成的防渗帷幕，其厚度与被灌地层的颗粒成分级配及渗透性有关。对于在透水性较强的砾卵石层而言，其厚度一般可达10—50cm。

5、位移包裹作用

在高压冲切掺搅过程中，有时会遇到大粒径的卵石、漂石等，在高压水流的作用下，大粒径的将会产生位移，并被水泥浆液包裹、充填和凝结。

三．工程实例

1、工程概况

接龙桥水库是一座建于上世纪五十年代的以防洪、灌溉为主，兼顾养殖等综合利用的小（1）型水库，控制流域面积7.5km2，总库容292.72万m3。工程按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核，相应设计洪水位为159.08m，校核洪水位为159.62m，正常蓄水位为157.8m，兴利库容229万m3，死库容3.44万m3。

水库坝型为均质土坝，最大坝高23.2m，覆盖层深达14.1~19.8m，由于种种原因，动工兴建时未作有效的防渗处理，故其坝基渗水十分严重。

2、坝基地质条件

坝基地质自上而下依次分为三层：

第1层为填土、冲积土，层厚4.80～5.20m，层底标高41.30～41.70m。上部1.0m左右为填筑土，以下为饱和状混有粗砂的灰黑色淤泥质土，土体结构软弱松散，渗透系数为5.0×10-4cm/s；

第2层为砾砂，层厚7.10～8.70m，层底标高33.00～34.20m。上部为原河道沉积的砂砾石层,砾石直径0.5-3.0cm。以下为冲积砾砂及风化残积土，结构松散；底部为少量全风化花岗岩。渗透系数为2.5×10-4cm/s；

第3-1层为全-强风化花岗岩，层厚2.20～5.90m，层底标高27.60～30.80m。上部呈全风化，以下为强风化，其色泽呈浅红、褐红色，岩芯呈小块砾砂状，取芯率低。渗透系数为5.0×10-5cm/s；

第3-2层以下均为弱风化花岗岩，呈浅肉红色，成份以石英、长石为主，次为角闪石，岩芯呈柱状、块状，取芯率高。裂隙发育一般，近垂直。透水率为2Lu。

3、设计情况

水库除险加固设计中，坝体采用复合土工膜防渗，坝基采用高压摆喷灌浆防渗处理。根据地质条件及相关工程经验，初步设定了高喷施工参数，即：

输浆压力38～40MPa、输浆率80～90L/min；选用气压0.7～1.2MPa、提升速度分别采用10cm/min（基岩内）和13～14cm/min（高喷墙内）；旋转速度为13～15r/min、摆角20～30度；孔斜率≤1%。水泥浆液比重为1.6左右。

4、施工情况

4.1、现场试验：

施工前，为确定施工参数，先选择有代表性的地层进行高喷试验，具体施工要求如下：

（1）灌浆采用摆喷折接形式，喷射角为30度，高喷墙中心线与坝轴线角度为20度；采用单排孔，孔距1.2m。要求高喷墙墙底深入强风化层以内至少0.5m。施工次序：分两序，并按序灌注；

（2）输浆压力采用40MPa、输浆率85L/min、气压0.8MPa、提升速度分别为10cm/min（基岩内）和14cm/min（高喷墙内）、旋转速度15r/min、孔斜率≤1%；

（3）水灰比采用为1.5:1~0.6:1（密度约1.4g/cm3~1.7g/cm3）水泥浆。

4.2、主要施工设备：

序号 设备名称 型号 功率（kw）

1 高喷台车 GS500-4 45

2 高压泥浆泵 PP-120 90

3 空压机 YV6/8 37

4 搅灌机 WJG-80 14

5 钻机 XY-2 22

6 钻孔测斜仪 XJ-45 —

7 灌浆记录仪 GJY —

8 电焊机 — 30

4.3、施工工艺流程

高喷为一种多工种多机械的联合作业方式，故各环节必须环环紧扣，才能保证施工质量。其施工步骤如下：

（1）测量定孔。即按设计要求放线定位，并反复丈量孔距，使每孔误差≤2cm，同时用木桩或钢筋固定，并标上孔号；

（2）钻孔。即按选定孔号进行查实，再将钻机对准孔位，然后用水平尺校整，并使其立轴垂直，机身垫平、固定，经反复测试无误后，再行下钻。

在施工过程中必须注意钻机的工作情况，并随时用水平尺校正，以保证孔斜度控制在1%以内。同时对钻进的各地层情况进行详细记录，直至钻到设计深度时止；

（3）下喷射管。将高喷台车移至孔口处，先在地面试喷并调准喷射方向。为防止水、气喷嘴堵塞，下管前可用胶布包扎，边关水边下管，直至喷射管下到设计深度；

（4）制浆。按设计要求制备，并准确测量浆液密度，再经过筛后使用；

（5）喷射提升。喷射管下至设计深度后，即按设计的提升速度，输入符合要求的水气浆，自下而上实施喷射作业，直至浆液冒出孔口，达到设计的终喷深度时，再予停喷并拨出喷射管；

（6）回灌。喷射结束后，利用水泥浆及时进行回灌，直至孔内液面不再下降时为止；

（7）冲洗。施工完毕后，应及时将各管路冲洗干净，以防堵塞。

整个高喷作业从2008年12月18日开始，直至2009年3月10日结束，总进尺2275m，水泥用量为1365T。

4、质量控制与检查

（1）原材料的控制与检查

使用的水泥必须先审阅其水泥质量检验报告单，经验收合格后才允许进场。现场储存的水泥必须上盖下垫，严防潮湿结块。为免事故发生，制浆时应先行过滤，严防结块、杂质混入，堵塞喷嘴孔眼。

（2）主要技术参数控制

对于浆压、风压和浆液比重，质检人员应现场抽查，并对浆液按以下参数从严掌握：即高速搅拌制浆时间不得少于1分钟，制好的浆液必须用筛网过滤，经检测合格后，方能使用。

浆液存放时间：当环境气温在10℃以下时，不得超过5小时；当环境气温≥10℃时不得超过3小时。

（3）施工过程中的质量控制

高喷灌浆前，对孔位、浆液比重、钻孔偏斜率、下管深度均应逐一检查；

灌浆过程中，应着重对提升速度、进浆返浆比重进行检查，并时刻注意浆压、风压、水压是否达到设计要求；

终孔时，施工人员必须按照终孔标准要求执行，并检查是否喷灌至设计高程。

（4）主要工程质量指标

高喷墙的质量检查指标主要有：抗压强度，渗透系数，检查方法有围井试验、压水试验等。

设计指标。渗透系数K≤1×10-6cm/s。

自检。为判断墙体的抗渗性能，需对墙体作3组注水试验，经检测，均符合设计要求。

抽检。监理人员对高喷成墙的防渗效果应进行现场注水试验和开挖检查，对高喷成墙试块应进行渗透系数检测，并使其渗透系数达到设计要求，经检测：高喷墙有效搭接厚度为30cm，符合设计要求。

本工程业主委托河海大学检测中心进行第三方检测。从墙体不同位置分别取得5组15块试样，其检测结果如下：

试验项目 抗压强度（MPa） 渗透系数（*10-7cm/s） 平均值

渗透试验 2.63 2.47 1.26 2.12

2.95 4.33 4.26 3.85

抗压试验 8.8 9.8 8.9 9.17

11.9 15.2 17.3 9.60

4.5 5.6 8.5 6.20

5效益分析

高压喷射灌浆每套设备每台班可完成40～100m2,相当于浇筑混凝土防渗墙的10～30倍。本工程采用高压喷射灌浆，单价为549.55元/米，总造价125万元，若采用混凝土防渗墙防渗处理方案，则需造价213万元，故采用高喷方案可以节省造价88万元，仅为混凝土防渗墙总造价的40%，因而，与混凝土防渗墙相比，高喷更具有工效高、造价低的优点。

四、结语

高喷是在静压灌浆和高压旋喷灌浆基础上发展起来的一种有效的砂卵石基础防渗处理新技术，其主要优点是：

1、适用范围较广

高压喷射灌浆可适用于淤泥质土、粉质粘土、粉土、砂土、砾石、卵（碎）石等松散透水地基或填筑体内的防渗；

2、由于设备和工艺的不断更新，现可利用电脑控制浆液压力、提升速度、摆射角度等，故能保证工程质量；

3、与常规的混凝土防渗墙相比，具有工效高、造价低的优点；

4、高喷灌浆防渗体能与基岩以及建筑物牢固结合。凡风化破碎、裂隙发育的基岩，在水、气射流冲切剥离升扬置换作用下，被处理的地层土体能被有效切割冲洗，被注入的水泥浆体能充分有效地充填裂隙，并与周边岩土紧密结合。但在接触面处应采取摆喷或旋喷，并放慢提升速度，以增加喷射时间，以利于与被处理地层风化岩土的紧密结合。

参考文献：

[1]牛运光，土坝安全与加固，中国水利水电出版社。

[2]白永年，病险水库防渗加固新技术，中国水利，2007（6）：64-65。

[3]张士君 董福平，小型水库的安全与管理，中国水利水电出版社。

[4]钱家欢，土力学，河海大学出版社。

[5]顾晓鲁，钱鸿缙等，地基与基础（第二版），中国建筑工业出版社。