蔡家華

（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523003）

0 引言

某水庫堤壩位于河上游，以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、旅游開發(fā)。水庫堤壩為黏土心墻砂殼壩，現(xiàn)狀壩頂高程與長(zhǎng)度分別為74.8m、308m，壩基為7.5～8.2m厚砂礫石覆蓋層。受初期建設(shè)條件所限，壩基砂礫石覆蓋層采用水上拋土填筑，防滲質(zhì)量不佳。自蓄水運(yùn)行以來，水庫堤壩砂礫鋪蓋多處出現(xiàn)裂縫，壩基滲漏問題嚴(yán)重，致使堤壩處于不安全運(yùn)行狀態(tài)。利用高壓噴射灌漿技術(shù)，可解決水庫堤壩基礎(chǔ)滲漏問題。本文結(jié)合該水庫堤壩實(shí)際情況，對(duì)采用三管法高壓噴射灌漿技術(shù)解決其基礎(chǔ)滲漏問題進(jìn)行分析。

1 高壓噴射灌漿技術(shù)工藝原理

高壓噴射灌漿技術(shù)是借助鉆機(jī)造孔后，將帶噴頭灌漿管下放到土層預(yù)定位置。設(shè)定較高壓力，噴射漿液（或水）。高壓噴射流可以沖擊破壞土層，促使土體松散、土粒剝落，部分細(xì)顆粒隨漿液冒出地面，部分在土體內(nèi)的細(xì)顆粒與灌入漿液混合成凝結(jié)體。高壓噴射灌漿技術(shù)主要借助噴射流做功，具體見圖1所示。

圖1 高壓噴射灌漿噴射流做功示意圖

圖1中，P為噴嘴入口流速壓力（Pa），ρ為泵壓力（Pa），Q為流量（m3/s）。由圖1可知，在高壓高速條件下，單位時(shí)間內(nèi)由噴嘴射出流體含有較大能量，可以在一段時(shí)間內(nèi)做功破壞土體，并為水泥漿液擴(kuò)散、充填、置換提供空間，打造壩體內(nèi)部具備滲流切斷功能的連續(xù)防滲墻。

2 高壓噴射灌漿技術(shù)類型

高壓噴射灌漿技術(shù)可以分為單管法、二管法、三管法、多管法幾種類型[1]。其中單管法主要是借助高壓泥漿泵，以超20MPa的壓力由噴射管下部噴嘴噴出水泥漿，水泥漿可破壞地層并在地層內(nèi)與局部土體顆?；旌蠑嚢瑁罱K形成樁徑達(dá)0.75±0.15m的凝結(jié)體。

二管法主要是借助二通道噴射管，設(shè)定超30MPa的高壓水泥漿噴射壓力以及0.75±0.05MPa左右的空氣噴射壓力，在同一時(shí)刻沖擊攪拌土體，借由高壓漿液射流、外圈環(huán)繞氣流破壞地層，最終形成樁徑1.0～1.8m的凝結(jié)體。

三管法主要是借助三通道噴射管，內(nèi)嘴高壓水噴射壓力設(shè)定為45±15MPa，內(nèi)嘴空氣噴射壓力設(shè)定為0.75±0.05MPa、下方噴嘴稠漿（相對(duì)密度1.6g/cm3）噴射壓力設(shè)定為0.15±0.05MPa，先開啟內(nèi)嘴噴射高壓水、環(huán)繞氣流，再開啟下方噴嘴噴射泥漿，使下方稠漿與土體顆粒摻和為凝結(jié)體。

多管法主要是先在地面鉆孔再放入多重管，借助逐漸向下旋轉(zhuǎn)的超高壓射流破壞周邊土體。同時(shí)由高壓水沖擊切削土體、礫石，經(jīng)真空泵抽出多重管內(nèi)泥漿，循環(huán)高壓水沖擊-真空泵抽出操作，獲得較大填充空間。內(nèi)部按比例填充砂漿、礫石等材料可以獲得大直徑柱狀固結(jié)體。

3 三管法高壓噴射灌漿技術(shù)施工要點(diǎn)

根據(jù)該水庫堤壩防滲施工難度大、影響程度高的特點(diǎn)，選擇三管法高壓噴射灌漿技術(shù)施工。

3.1 施工準(zhǔn)備

在施工前期，根據(jù)高壓噴射灌漿工藝要求，準(zhǔn)備由供氣系統(tǒng)、造孔系統(tǒng)、供漿系統(tǒng)、提升機(jī)架系統(tǒng)、孔口裝置系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等組成的高壓噴射灌漿設(shè)備，見圖2所示。

圖2 高壓噴射灌漿設(shè)備結(jié)構(gòu)[2]

在設(shè)備布置完畢后，以原壩砂礫石層為對(duì)象，開展高壓噴射防滲墻試驗(yàn)，確定最佳孔距以及高壓水、水泥漿、壓縮氣體的技術(shù)參數(shù)，具體見表1。

表1 高壓噴射灌漿技術(shù)參數(shù)

表1中，漿液為P·O32.5MPa水泥與水拌和而成的純水泥漿（水灰比0.7～1.0∶1），漿液比重超出1.65±1.70g/cm3。拌和裝置為90kW 的灰漿攪拌機(jī)以及7.5kW 的泥漿攪拌機(jī)。

除此之外，在正式操作前，應(yīng)平整場(chǎng)地，使工作平臺(tái)寬度超出6m、起伏差超出10cm，為樁機(jī)機(jī)架的穩(wěn)固、垂直安置提供良好條件。同時(shí)可以搭建電力資源、水力資源供應(yīng)系統(tǒng)，在堆料空間大、進(jìn)料方便的位置布置制漿站點(diǎn)以及灌漿泵、攪拌機(jī)、貯漿桶，確保制漿站供漿量超出4.5m3/h[3]。

3.2 鉆孔處理

在鉆孔前，借助經(jīng)緯儀配合鋼尺定位放線，確定不同高壓噴射灌漿孔的位置（孔位偏差≤2cm）后借助定位標(biāo)尺標(biāo)注。在放樣位置，布置10個(gè)旋噴孔，形成圍井（見圖3）。

圖3 鉆孔圍井

圖3中兩孔中心間距為1.0～1.2m，以便在最終封閉的2孔鉆成后圍井內(nèi)抽水水差達(dá)到5.5±0.5m，進(jìn)而在動(dòng)水條件下旋噴[4]。

在鉆孔處理時(shí)，應(yīng)對(duì)準(zhǔn)鉆孔（圍井中心），借助水平尺控制機(jī)身平穩(wěn)牢固且主軸維持鉛直狀態(tài)（把桿中心、孔位中心、立軸中心處于同一垂直線上）。進(jìn)而由磨盤鉆搭配Φ50mm鉆桿深入基巖，泥漿護(hù)壁兩段鉆孔，先鉆入基巖層1.0m 以上，再鉆孔至設(shè)計(jì)深度。兩段鉆孔偏差均需≤1.5±0.5cm。同時(shí)借助測(cè)斜儀測(cè)量孔斜率，檢測(cè)頻率為1次/5m，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正孔傾斜問題。

3.3 噴射桿設(shè)置

在鉆孔完畢后，需要先移除鉆機(jī)，再將高壓噴射桿移動(dòng)到孔位，全程著重控制鉆孔、高壓噴射之間的作業(yè)距離，且造孔、高壓噴射時(shí)間間隔<7d。

在達(dá)到噴射條件后，根據(jù)高壓噴射灌漿作業(yè)速度、鉆孔作業(yè)速度差異，選擇一臺(tái)高壓噴射臺(tái)車與多臺(tái)鉆機(jī)相搭配，規(guī)避高壓噴射臺(tái)車過于頻繁移動(dòng)引發(fā)的塌孔現(xiàn)象。噴射桿（見圖4所示）設(shè)置時(shí)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)深度，將噴射桿對(duì)準(zhǔn)噴射方向，邊低壓輸送水、氣、漿液邊下放噴射桿，或者在下放噴射桿前將塑料布包扎在端頭，避免噴嘴堵塞。

圖4 高壓噴射桿結(jié)構(gòu)[5]

3.4 高壓噴射

在噴射管下降到設(shè)計(jì)深度后，應(yīng)高壓噴射2±1min的水、氣、漿。高壓噴射流量計(jì)算公式見式（1）：

式中：

Q——高壓噴射流量，m3/s；

μ0——流量系數(shù)，工程所用圓錐形噴嘴流量系數(shù)為0.964；

F0——噴嘴出口面積，m2；

Φ——噴嘴流速系數(shù)，工程所用圓錐形噴嘴流速系數(shù)為0.963；

g——重力加速度，9.81m/s2；

P——噴嘴入口流速壓力，Pa；

r——水的容重，9.8kN/m3。

在噴嘴出口孔徑為3.0mm 的情況下，射流速度為192m/s，噴射流功率為24.1kW，噴嘴入口壓力為20MPa，高壓噴射流量為166.07m3/s。

根據(jù)設(shè)計(jì)流量，可以借助7.5kW 的高噴臺(tái)車以及90kW的高壓水泵、40kW的空壓機(jī)，連續(xù)灌注至漿液冒出孔口，同時(shí)依據(jù)預(yù)先設(shè)定擺動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)速度、提升速度，從下層到上層操作，同步噴射、轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)，對(duì)于廢棄漿液則經(jīng)管道，在泥漿泵驅(qū)動(dòng)下向溢流壩下游地區(qū)排放[6]。噴灌分兩個(gè)步驟：第一步是利用高壓水切割地面，靜噴至孔口回漿達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；第二步是邊提升邊利用高壓水泥漿切割填充壩基，在復(fù)合地層形成不間斷均勻防滲凝結(jié)體。全孔不間斷作業(yè)，在孔口回漿量≥噴射漿量20%時(shí)，提高噴射壓力、加快提升速度。重復(fù)多次操作，每孔灌注漿液前均需清洗噴灌，確保噴射質(zhì)量。

結(jié)束灌漿時(shí)，可以提升噴射桿到設(shè)計(jì)高度并關(guān)停水、氣、漿輸送管路。進(jìn)而在噴管拆卸后，重復(fù)噴灌0.3m長(zhǎng)。若噴射期間因事故而中斷3h以內(nèi)，則在下一次噴灌前重復(fù)噴漿0.5m長(zhǎng)；在噴漿期間因事故而中斷3h以上，則借助鉆機(jī)重新掃孔灌漿。

3.5 噴射管理

在噴射進(jìn)入尾聲時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間逐一清洗管路，避免殘?jiān)^多干擾下一孔噴射灌漿[7]。隨即向噴射孔內(nèi)充填灌漿至孔口漿液面不再下沉，避免漿液析水引發(fā)的凝結(jié)體頂部凹陷。

在封閉式垂直防滲凝結(jié)體設(shè)置的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步減少滲流量，可以先調(diào)低水庫進(jìn)水前池運(yùn)行速度，再面向前池臨近泵房平底段布設(shè)Ф100@1.6m冒水孔。冒水孔整體布置為梅花形，冒水孔下方為反濾層，實(shí)現(xiàn)水流的完全截?cái)唷?/p>

噴射處理28d 后，借助GXY 型鉆機(jī)（搭配金剛石鉆頭）下鉆8m深取樣，檢查高壓噴灌凝結(jié)體質(zhì)量。得出：樁柱直徑均超出1.4m，平均樁徑在1.65±0.05m之間。同時(shí)全部旋噴樁體卵石被水泥漿包裹，樁與基巖、樁與樁間膠結(jié)狀態(tài)良好，砂卵石層凝結(jié)強(qiáng)度較高。在靜水位為43.56m、動(dòng)水位為36.85～38.52m時(shí)，水量在1.55～1.97m3/h之間，滲透系數(shù)均值為4.83×10-5cm/s，實(shí)測(cè)滲漏量顯著減小，且水庫水平段抗?jié)B穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到10.55×10-5cm/s，抗壓強(qiáng)度為3.4MPa，達(dá)到《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265）關(guān)于砂卵石土層允許抗壓強(qiáng)度的要求。表明高壓旋噴灌漿后凝結(jié)體抗?jié)B能力較強(qiáng)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，病險(xiǎn)壩防滲薄弱部位多為壩基，利用高壓噴射灌漿法可以直達(dá)壩基，沖擊攪拌薄弱部位，獲得防滲凝結(jié)體，防滲加固效果較好，且操作成本較低。該工程采用三管法高壓噴射灌漿技術(shù)的實(shí)踐，不僅收到了預(yù)期的效果，還積累了應(yīng)用該技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，即結(jié)合工程實(shí)際情況，選擇適宜的高壓噴射灌漿技術(shù)類型，進(jìn)而根據(jù)技術(shù)原理，準(zhǔn)備噴射桿，設(shè)計(jì)噴射參數(shù)，加強(qiáng)噴射過程管理，確保高壓噴射灌漿效果。