高压喷射灌浆技术的作用机理及其在水利工程中的应用

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[摘 要] 首先介绍了高压喷射灌浆技术作用的机理，由于地基土质较差，承载力较低，渗透性较强，对水工建筑物来说，影响建筑物的稳定性。本文讨论了高压喷射灌浆的机理及在运用中的工艺参数的确定及防渗效果。

[关键词] 高压喷射机理；防渗；效果

1、前言

多年来为解决江、河、湖、堤、坝等水工建筑物防渗问题，寻求一种经济且技术先进可靠的防渗方法。在水利工程施工当中，基础防渗处理是水利工程施工中尤为重要的环节，当基础土质较差，渗透性较强时，在水流的作用下对基础的危害很大。现结合这项技术在巴楚县小海子水库进水口工程、小海子水库除险加固工程、伽师县布哈拉枢纽水毁加固工程、以及巴楚县民生渠渠首水毁工程中的应用，在应用过程中，采用沈阳建科仪器研究所研制的电子填土密实度检测仪进行现场检测。明显看出密实度和承载力均远大于原土体，从而提高和保证工程质量。本文重点介绍高压喷射灌浆机理及其施工工艺。

2、工艺原理

2.1冲切掺搅作用

高喷技术主要是借助于高压射流，通过冲击切割和强烈扰动，使浆液在射流作用范围内扩散、充填周围土层，并与土石粒掺混搅合，硬化后形成凝结体，从而改变原地层结构和组成，借以达到防渗或提高承载力的目的。

高喷凝结体是多种因素综合作用的结果，高压射流对地层结构的影响范围，取决于比能值E的大小，其表达式为：

E=（PQ）/（100V）

E——每米旋喷柱耗用的能量MJ/m；

P——喷射灌浆压力Map；

Q——射流浆量L/min；

V——提升速度cm/min

E值大，旋喷柱的直径大，一般选用50~70cm直径较好，但最终应通过现场高喷试验确定。

2.2升扬、转换作用

高喷施工时，水、气、浆由喷嘴中喷出，压缩空气除能对水或浆液构成外包气层，使水或浆液射流能透入地层较远距离并维持较大压力破碎地层结构外，还可产生升扬作用，浆经射流冲击切削后的土石碎屑和地层中细粒，由孔壁和喷射杆的环状间隙中升扬带出孔外，空余部位由浆液替代，同时也起到了转换作用。

2.3挤压、渗透作用

高喷射流强度随射流距离的增加而较快地衰减至射流束末端，虽能再冲切地层，但对地层仍产生挤压作用。同时，喷射结束后，静压灌浆持续进行，这对周围土体产生渗透作用，这样不仅可以促使凝结体与周围土体结合更加密实，还在凝结体外侧产生明显的渗透凝结层，具有较强的防渗性能。

高喷灌泵技术有单管法、双管法、三管法。小海子水库进水口工程、小海子水库除险加固工程和布哈拉枢纽水毁加固工程、巴楚县民生渠渠首工程中都采用的是三管法施工。用水管、气管、浆管同轴布设组成喷射杆，杆底部设置有喷嘴，气、水喷嘴在上，浆液喷嘴在下，高喷时，随着喷射杆的旋转和提升，先是高压水和气的射流冲击扰动地层土体，呈翻滚松散状态，随后以低压注入浓浆掺混搅拌，硬化后形成凝结体。工艺参数主要有：水压38~40Mpa；气压0.6~0.8Mpa；浆压0.3~0.5Mpa，施工设备价廉，易购，高喷质量可满足设计要求，工效高，造价低，能充分利用原地土体，就地取材，机械化程度高。

2.4位移握裹作用

地层中较小的块石，由于喷射能量大，辅以升扬、转换作用，最终浆液可填满块石四周的空隙并将其握裹，遇到大的块石或在块石集中区，应降低提升速度，提高比能值。在强大的冲击震动力作用下，块石将会产生位移、松动，浆液沿块石四周空隙或块石间孔隙渗入。在高压喷射挤压余压渗透等综合作用下，产生握裹凝结作用，形成连续密实的凝结体。

3、凝结体的性能

水工建筑物地基防渗采用高喷施工时，则要求凝结体具有良好的防渗性和稳定性，而对于其抗压强度要求不高。凝结体的防渗性能主要取决于地层组成成分和颗粒级配、施工方法、施工工艺以及浆液材料等。高喷形成的凝结体并不很规则，但与地层结合紧密，由于高喷凝结体周围除了浆皮层外，一般还存在渗透凝结层，有着良好的复合防渗作用，从而进一步提高了凝体的防渗性能。

4、高喷凝结体的结构布置形式

为保证高喷防渗墙的连续性，则必须要使各孔的凝结体在有效范围内牢固可靠连接上，为此如何选用结构布置形式和孔与孔的距离则很重要。

高喷形成的凝结体的形状与喷射的形式有关，喷射形式一般有旋喷、摆喷和定喷三种。喷射时若边提升边旋转，则凝结体的形状为圆柱体（又称旋喷柱）若边提升边摆动，则形成的凝结体的形状为哑铃状，若只提升和定向喷射则可形成板状（又称定喷板）。

我国常用的旋喷施工布置形式有几种，近多年来，在新疆的南疆地区常用的结构布置形式有：

a、 定喷折线式：

b、 摆喷对接式：

c、 柱摆式：

在防渗工程中，孔距的选择至关重要，它不仅关系到凝结体能否可靠地连接，而且也影响工程的进度、造价。孔距应根据地层的地质条件，对防渗性能的要求、高喷灌浆的施工方法和工艺、结构形式、孔深及其它因素综合考虑而定。

5、高喷材料

高喷材料多采用水泥浆，水泥为42.5或52.5普通硅酸盐水泥。三管法施工时，多用纯水泥浆，由于三管法施工，先是高压气、水喷射，而后是压力灌浆，灌浆易被先喷入的水稀释，所以使用的水灰比不应大于1：1的浓浆。

6、机械设备的组成

6.1三管法所用主要设备：

7、三管法旋喷所用劳力组织

8、工艺和施工要点

8.1钻孔

8.1.1泥浆固壁回转（或冲击）钻进。造孔过程中做好充填堵漏，使孔内泥浆保持正常循环，返出孔外，直至终孔。

8.1.2跟管钻进。边钻进边跟入套管，直至终孔。

钻进时应注意保证钻机垂直，偏斜率宜≤1%。

8.2下入喷射杆

8.2.1泥浆固壁的钻孔可以将喷射杆直接下入孔内，直至孔底。

8.2.2跟管钻进的钻孔，有两种情况：

a、拔管前在套管内注入密度大的塑性泥浆，注满后，起拔套管，边起拔边注入，使浆面长期保持与孔口齐平，直至套管全部拔出，而后再将喷射杆下入孔内直至孔底。

b、也可先在套管内下入管壁匀均的PVC塑管，直到套管底部，起护壁作用，而后将套管全部拔出，再将喷射杆下入到管底部。

8.2.3高喷施工

施工中所用技术参数因使用高喷的方法不同而不同。所用的灌浆压力不同，提升速度也有差异。对各类地层而言，若使用同一种施工方法则水压、气压、浆压的变化不大，唯有提升速度变化较大，是影响高喷质量的主要因素。一般情况下，确定提升速度应注意下列几个问题：

a、因地层而异，在砂层中提升速度可稍快，砂卵（砾）石层中应放慢些，含有大粒径（40cm以上）块石或块石比较集中的地层应更慢。

b、因分序而异。先序孔提升速度可稍慢，后序孔相对来讲可稍快。

c、高喷施工中发现孔内返浆量减少时宜放慢提升速度。

9、施工工艺

9.1墙体位置的确定

根据设计要求平整好场地，要求场地内地下无障碍物，对某些作业地基软，不平整，有可能引起整机翻倒引起的事故的地段，一定要采取防范措施，在平整场地上对墙体中心线进行测量定位。

9.2喷墙管理

应控制好掘进速度和灌浆压力、提升速度，送气量的大小应使浆液成沸腾状为宜。灌浆阶段浆液不能发生离析和不允许发生断浆现象，保证墙体均匀，无夹心层，若发生管道堵塞或因故短暂停机，应迅速抢修。

质量检测方法：在小海子水库进水口工程和伽师布哈拉枢纽工程中采用挖深探坑数米，用电子填土密实度检测仪对周围土体进行现场测试。检测结果土体密实度和承载力均大于原土体，施工过程中要有专人负责记录，记录要求详实准确。

10、经济和社会效益

在堤坝防渗工程中，与常规砼防渗墙相比，可不同程度地降低工程造价，具有开挖量小，施工方便，占地少，对临近建筑物影响小等特点。

此项技术很大程度地提高了江、河、湖、库、渠的堤坝防渗抗灾能力，减轻防洪压力，对保障人民生命财产安全以及社会经济发展将起到积极的作用，其社会效益是十分明显的。

11、工程实例

11.1巴楚县小海子水库进水口防冲隔墙

在巴楚县小海子水库进水口防冲隔墙施工中，所采用的方喷灌方法为三管法定向喷射成墙施工。防冲隔墙长为68m，该工程地层为细砂土，采用凝结体的结构布置形式为柱摆式，成墙深度为13m，墙厚平均为：15cm。孔距2m，喷射中心有直径20-30cm的圆柱体。工艺参数为：

喷嘴直径：2-2.3mm；（外￠5）

高压水：10Mpa，流量40L/min；

气 压：0.7 Mpa，气量6m3/min；

浆 压：0.3 Mpa，流量80m3/min；

提升速度：15cm/min；

三重管回转7转/分；

经检测符合设计要求，现运行情况良好。

11.2伽师县布哈拉枢纽水毁工程

在伽师县布哈拉枢纽水毁工程中，也是采用三管法施工。该工程消力池严重冲刷损坏，工程土质为流砂，在消力池隔墙后采用双孔沉井工艺，在沉井与沉井之间采用了定喷墙连接围封，边坡也采用高喷防冲墙，第二年就经受了一场特大洪水，现运行良好。

11.3民生渠渠首工程

民生渠渠首工程是一个多次被水冲毁的工程，工程土质为砂性土。99年对该工程的消力池等部位采用了高喷施工，先浇灌砼灌注桩，柱中心距为2.2m，柱径0.8m，在柱与柱之间采用定喷墙连接。此方法对建筑物的基础在防冲、防渗及稳固基础起到了很好的效果。