羅俊彪

(東莞市水電建筑安裝工程有限公司,廣東 東莞 523143)

0 引 言

水閘是一種調(diào)節(jié)水位與控制流量的水工建筑物,其在生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益、生命安全等方面起著至關(guān)重要的作用[1-2]。當(dāng)閘門開(kāi)啟時(shí),能夠起到排泄洪水以及為區(qū)域供水的作用。目前,水閘存在的病險(xiǎn)主要包括閘室防滲系統(tǒng)失效、啟閉機(jī)老化、閘門及閘門槽生銹嚴(yán)重等,這些問(wèn)題嚴(yán)重影響水閘的正常運(yùn)行[3-4]。對(duì)于地基承載能力不足的水閘,需要采用振沖加密、灌漿等措施,以提升地基的承載力。對(duì)于沉降不均勻的地基,需要采用壓密灌漿的方式升高閘基,以恢復(fù)水閘高程。但限于技術(shù)水平,過(guò)去對(duì)水閘地基并沒(méi)有合理的處理措施,導(dǎo)致較為嚴(yán)重的閘基傾斜或沉降[5-6]。

因此,本文采用高壓噴射灌漿技術(shù)加以改進(jìn),其優(yōu)勢(shì)在于安全性高、可控性強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單、耐久性好、漿液可二次回收以及工程造價(jià)低等,在水閘軟地基的加固上具有顯著的應(yīng)用效果,同時(shí)還能夠?qū)ν杆畬悠鸬椒罎B作用。其主要運(yùn)作機(jī)制是:首先將帶有噴嘴的灌漿管放置于土層預(yù)設(shè)的深度后,并使?jié){液以40MPa的壓力噴射出來(lái),形成高壓射流進(jìn)行沖擊切割,使?jié){液在射流作用范圍內(nèi)擴(kuò)散并填充周圍土層,并形成需要的空間。漿液與土石粒混合后將硬化形成凝結(jié)體,使原土層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)防滲功效,提高承載力。

1 基于高壓噴射灌漿技術(shù)的水閘除險(xiǎn)加固

1.1 高壓噴射灌漿技術(shù)應(yīng)用

在地下防滲墻的建造中,高壓噴射灌漿技術(shù)是主要的施工手段。該技術(shù)不僅能夠?qū)浫醯鼗M(jìn)行加固處理,還兼具升揚(yáng)置換、沖切摻攪等功能[7-8]。高壓噴射灌漿技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下:首先是施工方便。高壓噴射灌漿技術(shù)所用設(shè)備較輕,具有較快的反應(yīng)速度,僅通過(guò)一個(gè)小孔即可完成施工,不會(huì)造成過(guò)多的資源浪費(fèi)。其次,高壓噴射灌漿技術(shù)能夠進(jìn)行水平、傾斜、垂直等多方位噴射,并且具有較強(qiáng)的耐久性。此外,高壓噴射灌漿技術(shù)可以通過(guò)三重管法,對(duì)10%～20%的漿液進(jìn)行回收再利用。

在土層深度被確定的基礎(chǔ)上,高壓噴射灌漿技術(shù)首先在鉆機(jī)的幫助下,將配備噴嘴的灌漿管放入預(yù)定深度[9-10]。隨后將壓力調(diào)節(jié)在20～40MPa的范圍內(nèi),由此噴射漿液或水。在此情況下,噴射流會(huì)對(duì)土層產(chǎn)生一定的破壞,并完成預(yù)定形狀的塑造。同時(shí),當(dāng)速度快、能量大的噴射流所表現(xiàn)出的動(dòng)壓力比上層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更大時(shí),上層中的土顆粒會(huì)發(fā)生剝落。由此導(dǎo)致漿液或水溢于地面時(shí),細(xì)粒土隨之出現(xiàn),并且剩下的顆粒會(huì)受到離心力等作用與漿液攪拌混合。但攪拌混合并不是無(wú)序和無(wú)規(guī)律的,而是在一定質(zhì)量和漿土比例下發(fā)生的有規(guī)律的再次排列。高壓噴射灌漿技術(shù)的應(yīng)用示意見(jiàn)圖1。

圖1 高壓噴射灌漿技術(shù)應(yīng)用示意

高壓噴射灌漿技術(shù)施工流程主要分為4步,即鉆孔、下噴射管、噴射灌漿和清洗充填。在鉆孔過(guò)程中,首先需要對(duì)準(zhǔn)鉆孔,墊穩(wěn)機(jī)架,偏差范圍保持在1～2cm以下,且必須滿足預(yù)先設(shè)定的底高程。整個(gè)鉆孔過(guò)程必須有嚴(yán)密的記錄,同時(shí)經(jīng)相關(guān)人員簽字認(rèn)可后方能終孔。造孔選擇磨盤鉆,通常每鉆進(jìn)5m即借助測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)試,以便孔斜率過(guò)大情況出現(xiàn)時(shí)能隨時(shí)糾正[11-12]。造孔過(guò)程中的充填堵漏工作尤為重要,這是泥漿正常循環(huán)的有力保障條件之一,最后則是確保垂直,偏斜率需要控制在1%及以下。

在進(jìn)行下噴射管操作之前,漿、氣嘴需要保持暢通并密封,以避免堵塞現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)其到達(dá)既定深度時(shí),噴嘴必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)噴射方向,以保證防滲墻質(zhì)量。完成上述操作后,再進(jìn)行噴射灌漿。

整個(gè)噴射過(guò)程均為漿、氣、水三重管高壓噴射。當(dāng)噴管下至既定深度后,即進(jìn)行水、氣、漿噴射。直至漿液冒出孔口后,按照自下而上的順序,通過(guò)邊噴射邊轉(zhuǎn)擺的方式,提升至預(yù)定高度,停止噴射并將其提出。在水泥漿出現(xiàn)在洞口時(shí),即提升噴射管至預(yù)設(shè)樁頂高程。

最后清洗填充。噴射結(jié)束后,必須對(duì)所有管路進(jìn)行沖洗,確保無(wú)超重殘?jiān)?。?dāng)高噴灌漿到達(dá)既定頂部高程時(shí),提出孔口后注入水泥漿,通過(guò)隨沉隨補(bǔ)的方式保證其高度,直至漿液不下沉。

1.2 工程概況

研究選取的水閘屬于膠東引黃調(diào)水工程的一部分,隨著時(shí)間推移,該水閘工程在安全運(yùn)轉(zhuǎn)十幾年的同時(shí),發(fā)生許多病險(xiǎn)問(wèn)題。該水閘所在地為溫帶大陸性季風(fēng)季候,平均氣溫約13℃,每年無(wú)霜期為190天,年平均降水量在583～588mm范圍內(nèi)波動(dòng)。該水閘是一座集供水、防洪等作用功能為一體的水工建筑物,樁號(hào)183+750。根據(jù)聯(lián)合調(diào)度方式,對(duì)該工程設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行防洪調(diào)度計(jì)算,同時(shí)按照河道洪水的演進(jìn)情況,求得該工程部分各級(jí)洪水流量,見(jiàn)表1。

表1 所選水閘工程各級(jí)洪水洪峰流量情況 /m3·s-1

在黃河下游,引水閘均采用無(wú)壩側(cè)向引水,分水角通常在50°以上。因此,為確保能夠正常引水,引水位在設(shè)計(jì)過(guò)程中將分水口下游斷面對(duì)應(yīng)的大河流量水位作為標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)計(jì)算,引水位設(shè)計(jì)為11.05m。該工程的設(shè)計(jì)引水流量120m3/s。除險(xiǎn)加固工程級(jí)別在黃河大堤之上,所以主要建筑物級(jí)別是1級(jí),次要建筑物是3級(jí)。該工程所在地地勢(shì)相對(duì)平緩,河道比較窄,彎曲處較多,呈二級(jí)懸河形態(tài),距活動(dòng)性斷裂地帶較遠(yuǎn),所以更為穩(wěn)定。場(chǎng)區(qū)地層由人工填筑土、海陸沖撞沉積巖層組成,地下水為潛水,枯水與豐水期測(cè)得的水質(zhì)相差較小。

按照實(shí)地調(diào)查結(jié)果,原閘室出現(xiàn)不同區(qū)域不同程度的沉降,由此導(dǎo)致水閘上下游止水系統(tǒng)能力變差。同時(shí),原閘樁基在建設(shè)時(shí)并未將地震液化的影響納入考量,無(wú)法達(dá)到抗震要求,水閘安全運(yùn)行問(wèn)題較為嚴(yán)重。

1.3 高壓噴射灌漿施工工藝優(yōu)化

根據(jù)所選水閘工程,對(duì)高壓噴射灌漿施工技術(shù)在該工程除險(xiǎn)加固中的施工工藝進(jìn)行優(yōu)化。天然地基的地質(zhì)十分復(fù)雜,土層含水量和地下水狀態(tài)等存在較大差異,單一技術(shù)參數(shù)噴射長(zhǎng)樁容易引起旋噴樁承載力降低。

因此,在長(zhǎng)樁噴射中,針對(duì)不同的土層情況,適當(dāng)調(diào)整噴射時(shí)間,并放慢或提升速度。在保持噴射技術(shù)參數(shù)的同時(shí),利用相同土層的重復(fù)噴射來(lái)提高固化強(qiáng)度。在旋噴過(guò)程中,主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)冒漿量進(jìn)行判定,當(dāng)其大于灌漿量的20%或不冒漿時(shí),需要及時(shí)應(yīng)對(duì)。按照工程需要,主要噴射成6種形狀的固結(jié)體,即圓盤狀、墻壁狀、圓柱狀、葫蘆狀、大帽狀和扇形狀。完成控形工藝后,對(duì)固結(jié)體進(jìn)行勻稱程度檢查,并對(duì)地基加固過(guò)程的凹穴現(xiàn)象進(jìn)行處理。

然后進(jìn)行防縮工藝。在土粒與純水泥漿液進(jìn)行混合后的凝固過(guò)程中,由于漿液具有析水性,因此會(huì)造成不同程度的收縮,使固結(jié)體的頂部出現(xiàn)一個(gè)凹穴。該凹穴的深度主要受漿液的析出性、固結(jié)體的直徑等因素影響,其對(duì)地基的加固影響極為不利,因而必須采取相應(yīng)措施進(jìn)行消除。

通過(guò)單管分噴或多重管新工藝提升樁身強(qiáng)度。該工藝首先進(jìn)行高壓切割,高壓切割后孔內(nèi)以深泥漿占主導(dǎo)。然后進(jìn)行中壓灌漿,得到固結(jié)體含土量低但強(qiáng)度相對(duì)較高的土體。雖然這容易導(dǎo)致耗時(shí)增加,但仍然采取此方法以確保樁身強(qiáng)度滿足要求。此外,水泥漿體存在收縮離析作用,因此在灌漿后需要及時(shí)補(bǔ)漿,通常補(bǔ)漿頻率為2h一次。在該工程中,高噴樁高度約28m,地下水位較高,并且含有較多的無(wú)機(jī)鹽,在一定程度上對(duì)水泥的凝固時(shí)間造成影響。

為確保高噴樁的成樁質(zhì)量,在該工程中確定的試樁基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試樁基本參數(shù)

在該工程的高壓噴射灌漿施工中,通過(guò)XY-1A-4型鉆機(jī),選用金剛石單筒鉆具進(jìn)行。開(kāi)鉆前,通過(guò)水平尺進(jìn)行鉆機(jī)調(diào)平,以保證鉆進(jìn)過(guò)程的豎直狀態(tài),并離樁邊緣10cm處開(kāi)孔。所確定的3組樁號(hào)樁長(zhǎng)均為30m,鉆孔取芯深度分別為12、23和28m。

2 高壓噴射灌漿技術(shù)在水閘除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用效果

為了檢驗(yàn)高壓噴射灌漿技術(shù)在水閘除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用效果,首先對(duì)其成樁的承載力和回彈率進(jìn)行分析,將該工程中已使用該項(xiàng)技術(shù)的水閘與未使用的水閘進(jìn)行對(duì)比。為了增強(qiáng)結(jié)果的科學(xué)性,將已使用與未使用高壓噴射灌漿技術(shù)的水閘均分為1、2、3、4、5共5個(gè)區(qū)域,測(cè)得的回彈率與承載力結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 已使用與未使用高壓噴射灌漿技術(shù)的水閘區(qū)域承載力及回彈率對(duì)比

從圖2(a)可以看出,在承載力的比較中,使用高壓噴射灌漿技術(shù)的水閘區(qū)域較未使用的更高。其中,已使用該項(xiàng)技術(shù)的承載力最高值達(dá)到1 200kN,最低接近1 050kN;而未使用該項(xiàng)技術(shù)的區(qū)域最高未能達(dá)到1 100kN。兩相比較可以發(fā)現(xiàn),與未使用的相比,已使用該項(xiàng)技術(shù)的水閘區(qū)域所測(cè)承載力最高可領(lǐng)先200kN左右,安全系數(shù)更高。

從圖2(b)中可知,在回彈率的比較中,所選5個(gè)區(qū)域測(cè)得的回彈率均為已使用該項(xiàng)技術(shù)的更高。具體來(lái)看,使用的情況下回彈率均在28%以上,最高值37%。而未使用的情況下最高僅為26%,并且5個(gè)區(qū)域基本穩(wěn)定在20%～26%之間。由于在條件相同的情況下,混凝土的回彈率越高,混凝土表面的硬度就越高,強(qiáng)度值同樣高。由此可以證明,使用高壓噴射灌漿技術(shù)的水閘區(qū)域強(qiáng)度更高,更為堅(jiān)固,能夠?qū)λl加固起到增強(qiáng)作用。

為進(jìn)一步驗(yàn)證高壓噴射灌漿技術(shù)對(duì)水閘的加固效果,通過(guò)動(dòng)力計(jì)算對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在強(qiáng)震作用下,水閘會(huì)發(fā)生十分顯著的永久變形,導(dǎo)致強(qiáng)度失衡,縱橫向裂縫出現(xiàn)。在該情況下,水閘的防滲系統(tǒng)被嚴(yán)重破壞,由此引起部分區(qū)域的滲漏,安全性受到極大威脅。因此,研究進(jìn)一步通過(guò)永久變形,判斷水閘加固的效果。已使用與未使用該項(xiàng)技術(shù)得到的水閘永久變形情況見(jiàn)圖3。

圖3 已使用與未使用情況下水閘網(wǎng)格模型的變形結(jié)果

從圖3可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于未使用的情況來(lái)說(shuō),在其模型網(wǎng)格頂部,出現(xiàn)十分顯著的變形,并且頂部的塌陷證明其以豎向方向的變形為主。同時(shí),在模型網(wǎng)格中部和底部,均出現(xiàn)走勢(shì)不同且長(zhǎng)度各異的曲線,表明水閘發(fā)生的裂縫。根據(jù)4條裂縫曲線可以推斷,未使用該技術(shù)的水閘底部和頂部均出現(xiàn)局部破壞。而反觀已使用該項(xiàng)技術(shù)下的水閘模型網(wǎng)格變性結(jié)果可知,頂部十分完整,并沒(méi)有出現(xiàn)塌陷、缺失等情況。同時(shí),在其底部和中部,僅出現(xiàn)兩條虛線,即兩條裂縫,表明中部和底部保持較高的穩(wěn)固性,能夠抗擊較大的沖擊。綜合已使用與未使用的結(jié)果可知,高壓噴射灌漿技術(shù)能夠?qū)λl產(chǎn)生較強(qiáng)的加固作用,一定程度上增加了穩(wěn)固性。

圖4為已使用與未使用高壓噴射灌漿技術(shù)的水閘區(qū)域安全系數(shù)及抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。從圖4(a)可以看出,隨著時(shí)間的推移,兩種情況均在27天左右出現(xiàn)安全系數(shù)的最低值。其中,已使用該技術(shù)的安全系數(shù)最高可達(dá)3.5,而未使用的最高值僅為2.0。兩相比較可以發(fā)現(xiàn),已使用該技術(shù)的水閘安全系數(shù)更高,且隨時(shí)間變化不會(huì)出現(xiàn)過(guò)低的情況。從圖4(b)可知,已使用與未使用兩種情況對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度均隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降。其中,已使用該技術(shù)的抗壓強(qiáng)度最高為19MPa,最低為11MPa。而未使用該技術(shù)的抗壓強(qiáng)度在13～5MPa范圍內(nèi)波動(dòng),抗壓強(qiáng)度較低。綜上結(jié)果可以說(shuō)明,研究應(yīng)用的高壓噴射灌漿技術(shù)能夠有效增強(qiáng)水閘的穩(wěn)定性,具有較高的安全性。

圖4 已使用與未使用高壓噴射灌漿技術(shù)的安全系數(shù)及抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

隨著水閘運(yùn)行年限的增加,除險(xiǎn)加固工程成為其正常運(yùn)行的必要措施。本文通過(guò)分析高壓噴射灌漿技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),結(jié)合具體的水閘除險(xiǎn)加固工程,對(duì)該技術(shù)的施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果顯示,在承載力與回彈率的比較中,已使用該項(xiàng)技術(shù)的承載力最低接近1 050kN,而未使用的區(qū)域最高未能達(dá)到1 100kN。同時(shí),已使用的情況下回彈率均在28%以上,最高值37%。在水閘變形比較中,已使用的情況僅出現(xiàn)2條裂縫,具有更高的穩(wěn)固性。此外,該技術(shù)應(yīng)用下安全系數(shù)最高可達(dá)3.5,安全性得到有效提升。