三管高壓旋噴灌漿在某小型水庫除險加固中的應用

林　毅中國水利水電第十六工程局有限公司（361000）

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三管高壓旋噴灌漿在某小型水庫除險加固中的應用

林毅
中國水利水電第十六工程局有限公司（361000）

摘要：為解決重力壩防滲問題，改善地基土的受力條件及邊坡穩定，提高壩體的抗剪強度，改善地基土的變形性能?？稍谒畮旒庸坛U工程中應用三管高壓噴射灌漿技術。該技術不僅防滲能力得到提高，防洪壓力減輕，而且對保障人民生命財產安全以及社會經濟發展起到積極的作用。這里簡要分析了三管高壓旋噴灌漿技術的工作原理、質量控制要點及工程實例中的防滲效果。

關鍵詞：三管高壓旋噴灌漿；工作原理；水庫除險加固；控制要點

1　實例分析

某控制流域面積為5.6 km2，總庫容為110萬m3的小型水庫，是一座防洪、灌溉及水產養殖三者兼顧的綜合小型水庫。

大壩為均質土壩，壩高最大為31.3 m，壩頂高程534.9 m，壩頂寬5 m，壩頂長86 m。該水庫的防洪標準為20年一遇設計，其校核年限是300年。

當地防洪辦決定對該壩進行除險加固處理，其原因是：根據水庫安全鑒定的復核成果，大壩不僅背水坡多處出現滲漏，而且基腳出現塌陷。

三管高壓旋噴灌漿防滲樁設計，是對壩體進行加固的主要方法，將灌漿孔按平行壩軸線單排布置，距大壩防浪墻外側2.2 m，分兩序孔逐漸加密施工，孔距為l m。第一序孔距2 m，第二序孔距1 m。全壩段范圍開展除險加固施工，鉆孔從壩頂鉆至強風化巖石下限，灌漿從強風化巖石下限至正常蓄水位，總的灌漿長度4 235 m。

2　工作原理

三管高壓旋噴灌漿的工作原理：先利用鉆機造孔，然后把帶有噴頭的注漿管沿孔下至基石土的預定位置，噴射方法是利用水、氣噴射，漿液灌注攪拌混合噴射。利用高壓，將漿液從噴嘴中噴射出來，從而達到防滲的目的。為了向周圍土體高壓噴射水泥漿液，在鉆桿（噴桿）桿端孔底安裝特殊噴嘴，以此來達到目的。以一定的速度邊旋轉邊提升鉆桿（噴桿），凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結體（見圖1）。

圖1　三重管高壓旋噴結構示意圖

3　施工設備選擇

根據高壓噴漿工藝要求，由多種設備組裝的成套設備是該工程施工的必選設備。

三管高壓噴射設備由鉆機、泥漿泵、高壓水泵、空壓機、泥漿攪拌機和高壓膠管等組成（見圖2）。

圖2　高壓噴射設備組裝示意圖

1）造孔設備

該工程壩體寬5 m，設計孔中心距防浪墻2.2 m，加上地質條件復雜，設備選擇必須謹慎，要符合現場要求。

因此，選擇立軸式液壓回轉式鉆機，這類鉆機是高壓灌漿施工常用的鉆機，操作方便，適應性強，關鍵是可液壓給進及提拔鉆桿。

2）供水設備

高壓水泵和高壓膠管是供水系統中的主要設備。該工程選擇3D2-S型臥式三柱塞泵。

3）供氣設備

排氣壓力為0.7～0.8 MPa才能保證主射流的噴射效果，所以，三管高噴機是必要的選擇。

4）供漿設備

攪拌機、注漿泵、上料機是供漿設備的主要部分。注漿泵選擇壓力≥1 MPa，流量50～150 L/min。

5）噴灌設備

噴灌裝備不僅僅是噴射裝置，垂直機架、卷揚機、旋擺機構等也屬噴灌設備。其旋擺機構用途是使噴射裝置進行旋轉作業；噴射管的作用是提升時進行定向噴射。噴射裝置設計為輸送水、氣、漿三種介質的三管高壓噴射裝置，分別用高壓壓縮機、空氣壓縮機、注漿泵輸送到噴射裝置，進行噴射作業。

4　施工工藝及流程

4.1施工準備

施工材料（水泥）的準備，設計圖紙的熟悉，設計參數的了解，對施工機械設備進行性能檢查是施工前必須做好的工作。施工準備還包括樁位放樣、修建排污和灰漿拌制系統等。

4.2施工工藝參數確定

施工工藝參數是根據工程項目（樁徑1 000 mm）及地質特征、工藝水平確定的?，F場試驗樁試噴情況可知，最終選擇的工藝參數：噴嘴直徑（雙噴嘴）2～2.30 mm；水壓40 MPa，流量70 L/min；氣壓0.70 MPa，氣量6 m3/min；漿壓：0.65 MPa，流量80 m3/min；提升速度15 cm/min。

4.3施工流程

1）鉆機就位

為保證鉆桿與樁位一致（偏差＜10 mm，鉆孔垂直度誤差＜0.3％），鉆機就位后，對樁機進行調平、對中，調整樁機的垂直度。為了保證設備正常運轉，鉆孔前還應調試空壓機、泥漿泵。為了保證孔底標高滿足設計，還應對鉆桿長度進行深度校驗。

2）引孔鉆進

鉆機施工前，應首先在地面進行試噴，在鉆孔機械試運轉正常后，開始引孔鉆進。鉆孔過程中要詳細記錄好鉆桿節數，保證鉆孔深度的準確。

3）插入注漿管

引孔至設計深度后，拔出巖芯管，并換上噴射注漿管，插入預定深度。在插管過程中，為避免泥砂堵塞噴嘴，不僅要邊射水邊插管，而且水壓不可以超過1 MPa，否則將導致孔壁射穿。

4）旋噴提升

接通泥漿泵，然后由下向上旋噴，同時將泥漿清理排出，這些工作是在噴射注漿管插入設計深度后進行的。為了確保樁底端的質量，在噴嘴下沉到設計深度后，應該在原位置旋轉l0 s左右，待孔口冒漿正常后再旋噴提升。

5）鉆機移位

旋噴提升到設計樁頂標高時停止旋噴，提升鉆頭出孔口，清洗注漿泵及輸送管道，然后將鉆機移位。

5　施工工藝參數控制要點及驗收

1）控制水壓水量

要選擇水量和工作壓力適宜的高壓泵，該設計選擇壓力40 MPa、流量70 L/min。其原因是：雖然水射流噴射壓力和水量對凝結體形成的有效長度可增大壓力，獲得較大的防滲加固體和有效長度，但是水量大將造成漿液稀釋，冒出的漿液增加，導致凝結體質量降低。

2）控制氣壓氣量

該設計選擇氣壓0.70 MPa、氣量6 m3/min。其原因是：該氣壓氣量可壓縮空氣形成氣幕，保證水射束能量不過早擴散，還可增加噴射切割長度和升揚轉換作用，改變地層的顆粒級配，因此輸氣量宜選擇較大值。

3）控制漿量漿壓

該設計確認水灰比控制在1∶1、流量80 m3/min。因為在水、氣同軸噴射作用下，漿壓保持在0.650 MPa，其主要作用是保持漿液有足夠的稠度，這對工程有重大影響。

4）控制旋擺速度

經現場試驗，該設計選擇提升速度為1.5 cm/ min。其原因在于：有效長度會因提升速度不同而改變，提升速度過快，則有效長度過短，且影響墻體的密實性；提升速度過慢則耗用漿液太多，造成不經濟。正確控制旋擺速度是確保施工質量的重要因素。

5）控制進漿回漿比重

該設計選擇漿液比重大于1.52（水灰比l∶1），而且要求每噴一延米檢測一次。其原因在于：進漿水灰比過低、噴漿量過小極可能會導致成樁質量差；回漿比重過高，有效成樁直徑小，或進漿水灰比過高、高壓射水流量過小均會導致一系列問題的出現，因此，進漿的漿液比重是控制漿液水灰比的重要參數。

根據設計高壓旋噴樁的抗滲和強度指標要求：滲透系數K≤1×10-6crn/s，抗壓強度R≥1.5 MPa。經現場注水試驗滲透系數平均值4.9×10-7cm/s，抗壓強度代表值2.5 MPa，均滿足設計要求。

6　施工常見問題處理

1）處理串漿問題

在高噴過程中經常會發生串漿的情況，此時應先封堵被串孔，并繼續串漿孔的施工，待其結束后盡快進行串孔的施工。

2）處理復噴問題

需在因機械設備故障停噴超過半小時以上的情況下進行。

3）處理冒漿異常問題

冒漿異常包括冒漿量過大或不返漿，采取提高噴射注漿壓力、適當縮小噴嘴孔徑、提升速度適當加快等措施，可解決冒漿量過大的問題。采取降低提升速度和噴射壓力來進行原地注漿、加大漿液密度或進漿量、噴注黏土漿或加砂處理等手段可有效解決不返漿的問題。

7　質量效果評價

在水庫加固除險中應用三管高壓噴射灌漿技術不僅工藝簡單、造價低廉，而且施工速度快，對壩體破壞小，能成功解決壩體基坑開挖的安全問題。該工程經過完工驗收及竣工驗收，各項設計指標均達到預期效果。