堤防除險加固工程中的高壓噴射灌漿技術

摘要：在提防出險加固過程中，有的是在修建過程中需做防滲處理，有的是在修建運行后發現滲漏隱患需做防滲除險加固。過去沿用傳統的靜壓灌漿加固方法，但是高壓噴射灌漿在近年來得到廣泛的應用，它是一項先進的地基處理技術，具有不釋放地基應力，能形成復合狀防滲墻，施工速度快，造價低，加固質量高等特點。只要工藝方法選擇控制得當，可適用于從粘土層到卵礫石地層的各種類型的軟軟基加固。本文就其技術原理、設備、工藝方法及形成防滲板墻的力學性能等方面作簡要介紹，并通過工程實例具體說明其運用的可靠性。

關鍵詞：提防出險加固工程高壓噴射灌漿技術使用技巧

一、引言

在我國修建的眾多水庫土壩、河道湖泊防洪堤、攔河閘、排灌涵洞中，有的是在修建過程中需做防滲處理，有的是在修建運行后發現滲漏隱患需做防滲除險加固。過去沿用傳統的靜壓灌漿加固方法，僅適于在被灌地層的可灌比(被灌地層占15％的顆粒直徑與灌漿材料占85％的顆粒直徑之比)大于某一數值時，才是可灌的。而許多較細顆粒地層普遍存在不可灌及漿液擴散范圍小等問題，形不成防滲帳幕。有些粗顆粒地層雖然是可灌的，但往往漿液流失嚴重，造成漿體大量浪費，難以達到防滲目的。這就使傳統的靜壓灌漿方法的廣泛采用受到限制。

針對靜壓灌漿存在的被灌地層的“可灌性”與“可控性”難于處理的問題，遼寧省水電科學研究所于80年代初期，通過學習國外及國內鐵路、冶金系統高壓旋噴樁提高地基承載力經驗，研究了適合于更廣泛地層防滲的高壓噴射灌漿技術。這項技術又稱三重管高壓噴射灌漿法，1983年通過鐵嶺泡子沿水庫現場試驗獲得成功，并迅速應用于水利工程防滲。目前已在省內外完成堤防，閘站、病險庫等基礎處理工程40余項，成功地在粉砂、粗砂、細礫、砂卵石地層構筑力學、抗滲性能滿足要求，幾何形狀保證，缺陷率低的防滲板墻或承載樁244800m(樁折算成板墻面積)，取得了顯著經濟和社會效益。

二、高噴灌漿原理及設備工藝

高壓噴射灌漿是利用周圍包裹環狀氣流的高壓水細射流切割、摻攪破壞地層，氣流起減緩射流能量衰減的作用，并將切割下來的部分較細顆粒升揚置換到地面，同時將凝結材料，如材料，如水泥漿，灌注摻攪地層，漿液在射流作用范圍內擴散充填，與地層土混合，形成要求形狀的凝結體。

高噴灌漿施工的主要設備包括：鉆機、灌漿管、噴射臺車、高壓水泵、空壓機、泥漿泵等。輔助設備包括：介質管路系統、操縱控制臺、漿材制備系統等。高噴灌漿管(亦稱三重管)由三根互不相通的同心管組成，頂部接送液器，分別壓入水、氣、漿三種介質，底邦裝有三介質出口噴嘴。灌漿管的提升、旋轉、擺動均由噴射臺車液壓驅動控制，并實現無級變換。

三、高噴灌漿成墻工藝

將灌漿管置于預計的地基加固深度進行噴射灌漿，形成單孔凝結體的形狀取決于噴嘴的移動方向、噴射能量，并受地層的結構和組成等因素影響。噴嘴噴射時，邊提升邊旋轉則形成柱狀體(旋噴)-邊提升邊擺動則形成亞鈴體(擺噴)；只提升而方向固定不變則形成板狀體(定噴)。噴嘴出口射流能量與噴射水壓力和噴射持續時間有關。工程試驗證明：在水壓力為30—40MPa、提升速度為12—16cm／min的噴射條件下，對于易噴的細顆粒松散地層，如砂層、砂礫石層等，定噴可形成長2.5—4.0m、厚15—20cm的板狀體，旋噴可形成直徑為1.5—1.8m的柱狀體(旋噴校)；對于難噴地層，如粘性較大的致密粘土層，往往消耗噴射能量較大，定噴有效延伸長度一般能達到1.5—2.0m，厚度為7—12cm，旋噴校直徑--在0.8—1.2m左右。擺噴在地層中形成凝結體有效長度、厚度介于定噴與旋噴之間。因此對于某一特定的加固地層，只要選擇適當的孔間距和設備參數，各孔形成的凝結體便可以某種形式連接在一起，構成完整的防滲墻。

四、高噴凝結體的結構及力學性能

高噴凝結體由灌漿材料與組成地層的顆粒混合膠結而成。現場開挖及圍井注水試驗表明：用水泥漿在砂礫石層中定噴形成復合結構的水泥砂漿凝結體，中間包裹一層水泥成分含量很高的板體核，兩側為水泥砂漿滲透凝結層，其滲透系數為10—5—10—6cm／s，破壞比降為860—980。用水泥漿在粘性土層中定噴形成凝結體性狀相當于水泥土，沒有明顯的滲透凝結層，板體在兩側土層擠壓下，結合緊密，成為具有明顯邊界的防滲體。其滲透系數達10—7—10—8cm／s，破壞比下降150—210。

高噴凝結體的彈性模量較低，約為103—104MPa，接近于壩體(或地基上)的彈性模量，因而具有較強的變形適應性。凝結體的抗壓強度受地層顆粒組成及粘土摻量多少的影響，變化范圍較大，在3.0—7.0MPa左右，這對中低水頭堤壩地基防滲完全可滿足要求。

五、高噴灌漿工程實例

1.用于大堤基礎加固遼河大堤團山子險工段長約1.5km，座落在第四系沖積砂層上，1985、1986年遼河特大洪水期間，該堤段被水坡附近地面大量滲水，并有多處冒水噴沙等現象，嚴重威脅威脅大堤安全。經滲流分析，堤基滲徑明顯不足，坡腳處滲壓高，從而導致局部的管涌滲透破壞。為此決定采用高壓噴射灌漿法在堤基砂層中構筑一道懸掛式防滲板墻，以延長堤基滲徑。防滲板墻全長1120m，深7.0—8.Om，厚約15cm，頂端插入堤身2.0m，采用定噴構筑，噴射孔距2.0m，板墻平面呈1200折線型，每噴射延米耗用水泥250kg，施工期為50d。該項工程完工后，經1994、1995年較大洪水考驗，防滲效果良好，坡腳處沒再發現管涌溢出點，而且滲水量也明顯減少，達到了預期加固效果。

2，用于病險庫加固

大連市莊河縣永記水庫，為一多年調節的中型水庫，總庫容2710萬m，主壩為粘土心墻土壩，壩高12m。該庫自1981年起，壩后2號魚池池水變渾，魚無法生長。1987年6月，將池水抽干，發現池底有9處較大的翻砂泉涌。經分析認為：在基巖以上，心墻以下存在一層厚度為5.0—7.Om的中細砂強透水層，導致魚池底產生管涌和流土滲透變形。

處理方案為：采用高噴灌漿法，在基巖以上構筑一道插入心墻的防滲板墻。板墻布設在2號魚池上方的主河道壩段上，全長140m，頂部插入心墻3.Om，底部嵌入基巖0.3—O5m。采用雙嘴(夾角1800)定噴灌漿，孔間距為2.3m，各鄰孔噴射板夾角為1200。灌漿材料為水泥粘土漿，漿液配比為1：1：1.6(重量比)，比重為1.57，粘度25—27s。整個施工共持續40d，共耗用水泥340t，粘土400m 2。板墻形成后，正值水庫汛期渡汛，在庫水位比處理前高1.0m的情況下。壩后測壓管水位卻下降了0.4m，而且2號魚池水逐漸變清，證明壩基滲透已趨于穩定。

高噴灌漿不僅用于防滲工程，而且還可以用于提高地基承載力工程。如沈陽市渾河閘閘下護坦經多年運行，地基承載力下降，局部產生了不均勻沉陷裂縫，經高壓旋噴樁加固，增加了地基承載力，沉陷裂縫得到控制。此外還可用于地下構筑物缺陷的修補、基坑維護及防砂基液化圍封等工程。隨著工藝方法的不斷完善，這項技術已用于新建工程地基防滲，如大連市長海縣小龍口水庫土壩壩基已采用高噴防滲墻代替糟型混凝土防滲墻。該庫建成后，經歷5年蓄水運行，壩后沒有出現明顯的滲水現象，防滲效果十分顯著。

六、結語

高壓噴射灌中，水、氣射流能量的消散過程是在短時間內完成的，切割破壞土體的范圍能夠得到有效地控制，漿液基本在射流作用范圍內擴散充填，置換灌漿，從而解決了靜壓灌漿存在的不可灌或可灌而不可控的矛盾。

工程實踐證明，高壓噴射灌漿是一項先進的地基處理技術，具有不釋放地基應力，能形成復合狀防滲墻，施工速度快，造價低，加固質量高等特點。只要工藝方法選擇控制得當，可適用于從粘土層到卵礫石地層的各種類型的軟軟基加固。

參考文獻：

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