亭子口水利樞紐工程導(dǎo)流明渠圍堰采取高壓噴射注漿防滲墻的可行性分析

朱愛軍

重慶蜀通巖土工程有限公司，重慶渝北 401147

1 高壓旋噴參數(shù)取值概述

1.1 目的

為了進(jìn)一步論證高壓旋噴防滲墻應(yīng)用于亭子口水利樞紐工程的防滲效果和高壓旋噴灌漿各項(xiàng)參數(shù)的合理性，通過試驗(yàn)，找到適合于亭子口水利樞紐工程的最優(yōu)的高壓旋噴防技術(shù)參數(shù)，為后期工程高壓旋噴防滲設(shè)計(jì)、施工提供參考資料。

1.2 高壓旋噴灌漿施工

當(dāng)噴具下入到設(shè)計(jì)深度后，啟動(dòng)旋擺機(jī)，按照初定的值調(diào)節(jié)風(fēng)、水、漿的流量、壓力和噴具的旋轉(zhuǎn)速度，待孔口返漿，泥漿比重達(dá)到要求后，開始提升，邊旋轉(zhuǎn)邊提升，自下而上，直至距孔口50cm處停止。在高壓旋噴灌漿過程中，要時(shí)刻注意檢查施工機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，風(fēng)、水、漿的流量、壓力，進(jìn)漿、返漿比重及旋轉(zhuǎn)、提升速度等參數(shù)是否符合初設(shè)值。

1.3 特殊情況處理

高壓旋噴施工過程中因故中斷后應(yīng)立即停止提升，記錄中斷深度。機(jī)械故障要盡力縮短中斷時(shí)間。若長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)的，應(yīng)提出噴具，用水沖洗干凈。待故障處理后，將噴具下入原中斷位置以下0.5m繼續(xù)進(jìn)行噴射灌漿。

2 高壓旋噴生產(chǎn)性試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定高壓旋噴防滲墻應(yīng)用于亭子口水利樞紐導(dǎo)流明渠圍堰的防滲效果以及驗(yàn)證根據(jù)前期參數(shù)實(shí)驗(yàn)取得參數(shù)合理性，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高壓噴射灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)。

2.1 高壓旋噴施工準(zhǔn)備

根據(jù)前期高壓旋噴參數(shù)實(shí)驗(yàn)和亭子口水利樞紐工程實(shí)際情況，在本項(xiàng)目中灌漿工藝采用三管法。

漿液配制：

（1）制漿材料。①水：嘉陵江水；②水泥：P.042.5普通硅酸鹽水泥；③粘土：200目鈣基膨潤(rùn)土；④純堿：碳酸鈉。

（2）漿液配比。水泥-膨潤(rùn)土漿：水：水泥：膨潤(rùn)土按1：1：0.15，碳酸鈉摻入量為膨潤(rùn)土的2%進(jìn)行配制。

（3）配制漿液的加料順序。水泥-膨潤(rùn)土漿：水→碳酸鈉→膨潤(rùn)土→水泥→使用。

2.2 檢測(cè)

試驗(yàn)檢測(cè)以柱列式防滲墻外側(cè)開挖直觀其成墻效果和鉆孔注水兩種方式進(jìn)行。

墻體防滲指標(biāo)：防滲墻的滲透系數(shù)：k≤1×10-5cm/s。

2.2.1 開挖檢測(cè)

墻體開挖：高壓旋噴墻內(nèi)側(cè)為覆蓋層密實(shí)體，為了不破壞其天然的防滲效果，采取單側(cè)開挖，開挖深度為4.0m，開挖長(zhǎng)度為12.0m。

2.2.2 注水檢測(cè)

檢查孔在S7-16～S7-17孔位軸線上，鉆孔中心在相鄰兩噴射孔的中間，孔徑為Φ130mm，孔深5.0m。

試驗(yàn)孔完成后，靜水頭壓水試驗(yàn)注水面孔口齊平，保持水面高度不變連續(xù)注水。

（2）計(jì)算公式：滲透系數(shù)計(jì)算按下式進(jìn)行：

當(dāng)L/D＞4時(shí)，

式中：K—滲透系數(shù)（cm/s）；

q—平均注水量（cm3/s）；

L—試驗(yàn)段長(zhǎng)度（cm）；

H—孔中固定靜水頭（cm）；

D—造孔直徑（cm）。

根據(jù)《水電水利高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范DL/T5 200—2004》中注水質(zhì)量檢查透水率q與滲透系數(shù)之間的換算：

地層透水率q為1Lu時(shí)，約相當(dāng)于滲透系數(shù)K為1.3×10-5cm/s。

若要求K=i×10-6cm/s，則可取q＜1Lu；

若要求K=i×10-5cm/s，則可取q＜1Lu～5Lu ；

若要求K=i×10-4cm/s，則可取q＜5Lu～20Lu。

透水率計(jì)算按下式進(jìn)行：

式中：q—透水率（Lu）；

Q—流量（L/min）；

P—壓力（MPa）；

L—試驗(yàn)段長(zhǎng)（m）。

3 高壓旋噴生產(chǎn)性試驗(yàn)中的參數(shù)取值分析

3.1 高壓旋噴參數(shù)取值分析

本次試驗(yàn)進(jìn)行了高壓旋擺頻率對(duì)比、高壓旋噴提升速度對(duì)比、高壓旋噴能量對(duì)比、高壓旋噴風(fēng)量風(fēng)壓對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)均是采用三管法進(jìn)行的，其試驗(yàn)成果分析如下。

3.1.1 高壓旋噴旋擺頻率對(duì)比

高壓旋擺頻率對(duì)比試驗(yàn)了四個(gè)孔，孔號(hào)為：S1、S2、S3、S4，噴射方式，擺噴。

試驗(yàn)地層：粉細(xì)砂層。

高壓旋噴參數(shù)如下：注漿壓力為35Mpa，水泥漿排量為65L/min，空氣壓力為0.6Mpa，空氣排量為600L/min，提升速度為10cm/min，旋擺角度為30°，旋擺頻率分別為7、14、21、28r/min。

高壓旋噴將材料消耗情況：加固長(zhǎng)度分別為8.2、8.2、7.6、10.1m；水泥用量分別為6.0、6.4、4.0、6.0。

墻體測(cè)量成果：墻體半徑分別為175、167、153、147cm。

通過四種旋擺頻率的試驗(yàn)分析，采用開挖檢查，發(fā)現(xiàn)：旋擺頻率越快,墻體的半徑越小；反之，則墻體的半徑越大。如果墻體的半徑太小，則要增加孔數(shù)，從而導(dǎo)致了工程量的增加和成本的增加，所以旋擺頻率不能過快，應(yīng)選擇一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)合理的旋擺頻率。

3.1.2 高壓旋噴提升速度對(duì)比

高壓旋噴提升速度對(duì)比試驗(yàn)三個(gè)孔，孔號(hào)為：S5、S6、S7，噴射方式，擺噴。

試驗(yàn)地層：粉細(xì)砂層。

高壓旋噴參數(shù)如下：注漿壓力為35Mpa，水泥漿排量為65L/min，空氣壓力為0.6Mpa，空氣排量為600L/min，旋擺頻率為10cm/min，旋擺角度為30°，提升速度分別為5、10、15r/min。

高壓旋噴將材料消耗情況：加固長(zhǎng)度分別為10.1、9.2、79.1、10.1m；水泥用量分別為7.0、5.4、3.8t。

墻體測(cè)量成果：墻體半徑分別為220、160、130cm。

通過上述對(duì)比試驗(yàn)可知：在其他高壓旋噴參數(shù)一定的情況下，提升速度越快，所成墻半徑越小。通過本試驗(yàn)是得到了提升速度越慢，半徑越大的結(jié)論，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，絕不可以一味地降低速度以增加墻體直徑，這將會(huì)造成很大的浪費(fèi)。

3.1.3 高壓旋噴能量對(duì)比

高壓旋噴提升速度對(duì)比試驗(yàn)三個(gè)孔，孔號(hào)為：S8、S9、S10、S11，噴射方式，擺噴。

試驗(yàn)地層：粉細(xì)砂層。

高壓旋噴參數(shù)如下：水泥漿排量為65L/min，空氣壓力為0.6Mpa，空氣排量為600L/min，旋擺頻率為10cm/min，旋擺角度為30°，提升速度10r/min、注漿壓力分別為25、30、35、40Mpa。

高壓旋噴將材料消耗情況：加固長(zhǎng)度分別為8.8、9.1、8.8、8.8m；水泥用量分別為4.0、5.2、6.3、7.4t。墻體測(cè)量成果：墻體半徑分別為217、190、175、160cm。通過上述對(duì)比試驗(yàn)可知：高壓旋噴能量越大，成墻尺寸越大。

3.1.4 高壓旋噴風(fēng)量風(fēng)壓對(duì)比

高壓旋噴風(fēng)量風(fēng)壓對(duì)比試驗(yàn)了三個(gè)孔，孔號(hào)為：S12、S13、S14，噴射方式，擺噴。

試驗(yàn)地層：粉細(xì)砂層。

高壓旋噴參數(shù)如下：注漿壓力為35Mpa，水泥漿排量為65L/min，空氣排量為600L/min，旋擺頻率為10cm/min，旋擺角度為30°，提升速度10r/min、空氣壓力分別為0.6、0.0、1.2Mpa。

高壓旋噴將材料消耗情況：加固長(zhǎng)度分別為8.7、8.2、7.9m；水泥用量分別為3.6、4.5、5.3t。

墻體測(cè)量成果：墻體半徑分別為175、60、230cm。

通過上述對(duì)比試驗(yàn)可知：高壓旋噴風(fēng)量風(fēng)壓越大，所形成的墻體半徑越大，特別是不用風(fēng)，墻體半徑非常小。分析原因是：高壓空氣在噴射流的周圍形成了一層保護(hù)，使噴射流的能量不致很快衰減。

3.1.5 高壓旋噴護(hù)壁對(duì)比

高壓旋噴風(fēng)量風(fēng)壓對(duì)比試驗(yàn)了三個(gè)孔，孔號(hào)為：S15、S16、S17，噴射方式，旋噴。

試驗(yàn)地層：粉細(xì)砂層。

高壓旋噴參數(shù)如下：注漿壓力為35Mpa、水泥漿排量為65L/min，空氣壓力為0.6Mpa、空氣排量為600L/min，旋擺頻率為10cm/min，旋擺角度為30°，提升速度10r/min，護(hù)壁方式分別為PVC管護(hù)壁、不護(hù)壁、泥漿護(hù)壁。

高壓旋噴漿材料消耗情況：加固長(zhǎng)度分別為8.7、8.2、7.9m；水泥用量分別為3.6、4.0、4.4t。

墻體測(cè)量成果：墻體半徑分別為190、190、63cm。

通過上述對(duì)比試驗(yàn)可知：不護(hù)壁、PVC管護(hù)壁成墻半徑差不多，都比較大；泥漿護(hù)壁成墻半徑比較小，分析其原因，主要是護(hù)壁泥漿阻塞了高壓旋噴漿液的擴(kuò)散和滲透。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)取值分析小結(jié)

經(jīng)過以上取值分析，我們可以得到高壓旋噴參數(shù)與旋噴樁體直徑存在如下關(guān)系：

（1）通過旋擺頻率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：旋擺頻率越快,墻的半徑越小；反之，則墻的半徑越大。

（2）通過提升速度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：提升速度越快，所成墻體半徑越小；反之，提升速度越慢，半徑越大。

（3）通過高壓旋噴能量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：高壓旋噴能量越高，墻體半徑越大。

（4）通過風(fēng)量風(fēng)壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：高壓旋噴風(fēng)量風(fēng)壓越大，所形成的墻體半徑越大，特別是不用風(fēng)，墻體半徑非常小。

4 高壓旋噴生產(chǎn)性試驗(yàn)中防滲墻防滲效果分析

4.1 生產(chǎn)性中防滲墻防滲效果分析

4.1.1 防滲墻開挖分析

根據(jù)開挖后直觀檢查和對(duì)樁體直徑測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析得：

（1）樁體搭接厚度滿足設(shè)計(jì)要求，樁體成墻厚度能滿足該高壓旋噴防滲要求。

（2）漿液有效地充填了地層中存在的孔隙、空洞部位，水泥膠結(jié)體均勻，該工藝和高壓旋噴參數(shù)對(duì)本工程是可行的。

（3）根據(jù)膠結(jié)體形成的均勻程度和個(gè)別充填部位的直觀效果得出，需降低漿液比重，增大漿液的流動(dòng)性，從而增加漿液滲透性。

（4）在人工填筑層發(fā)現(xiàn)樁體部位的漿液中含泥量較大，究其原因：首先，三管法灌漿屬于半置換法（半置換：指在灌漿過程中，孔內(nèi)的部分泥沙將隨著往外冒的漿液流出孔外，剩余部分泥砂將留在孔中與水泥漿液攪拌在一起，最終形成樁體）。其次，因?yàn)槿斯ぬ钪樱ㄖ饕煞譃檎惩粒┑膹?qiáng)度不高，在灌漿過程中，粘土層被高壓噴射漿液沖擊破壞，并且破壞的范圍不斷擴(kuò)大，直至高壓噴射漿液的能量消耗盡為止。這個(gè)時(shí)候已經(jīng)有很多的泥沙與漿液混合在一起，而且漿液破壞的范圍越大，水泥漿液中的泥沙含量也就會(huì)越大。所以，在人工填筑層部位的樁體中水泥漿液也會(huì)偏少。

（5）在防滲墻開挖后，我們還發(fā)現(xiàn)在孤石的周圍有少量的微小裂縫存在，樁體的防滲質(zhì)量存在隱患。就其原因：孤石的體積和強(qiáng)度都較大，在灌漿過程中，高壓噴射漿液也不能破壞和攪動(dòng)它，以致孤石周圍的水泥漿液也是靠滲流的形式將其包裹的，有時(shí)候?qū)?huì)因?yàn)闈{液不足未將其周圍包裹充分，或是由于漿液滲入與其接觸的地層中。

（6）在各種地層的交接處，我們也發(fā)現(xiàn)樁體在此有縮小的現(xiàn)象。究其原因：為兩種地層對(duì)漿液的需求量不一致造成的。在施工過程中，沒有控制好提速，或是由于鉆孔班報(bào)不夠準(zhǔn)確。解決方法有：首先要保證鉆孔班報(bào)的準(zhǔn)確性；二是要嚴(yán)格控制各種地層的提速；三是在地層的交接處采取靜噴的方法；四是在地層交接處正負(fù)50cm范圍內(nèi)降低提速。

4.1.2 防滲墻注水試驗(yàn)結(jié)果分析

招標(biāo)文件墻體滲透系數(shù)要求為：k≤1×10-5cm/s；由表中看出：高壓旋噴墻體滲透系數(shù)為10-6cm/s量級(jí)左右，根據(jù)《水電水利高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范DL/T 5200—2004》中注水質(zhì)量檢查透水率q與滲透系數(shù)之間的換算，其設(shè)計(jì)要求透水率為1～5Lu，而實(shí)際施工透水率小于1Lu。通過上述注水試驗(yàn)成果表與墻體滲透系數(shù)要求比較，該高壓旋噴灌漿質(zhì)量高出墻體滲透設(shè)計(jì)要求。注水試驗(yàn)成果見表1。

表1 試驗(yàn)孔注水試驗(yàn)成果

另外，我們?cè)诠酀{施工過程中遇到漏漿、串孔、串漿現(xiàn)象時(shí)，采取的相應(yīng)措施見表2。

表2 灌漿施工過程中針對(duì)不同現(xiàn)象采取措施

如果在施工過程中遇到上述現(xiàn)象，還可以采取其他一些有效措施，如發(fā)現(xiàn)漏漿時(shí)，可以采取在孔口加入適量的水玻璃以縮短漿液的凝結(jié)時(shí)間、在漿液中加入適量的氯化鈣作為速凝劑或采取靜噴等方式，這樣既能夠達(dá)到處理地基的目的，也能夠更加經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過此次試驗(yàn)可得到如下結(jié)論：

（1）高壓旋噴旋擺頻率對(duì)比。通過分析，高壓旋噴其它參數(shù)相同情況下，高壓旋噴旋擺頻在1～1.5r/min.cm內(nèi)，成墻成樁半徑最大，在這個(gè)高壓旋噴旋擺頻范圍之外，成墻成樁半徑相對(duì)較小。

（2）高壓旋噴提升速度對(duì)比。通過分析，高壓旋噴其它參數(shù)相同情況下，樁體半徑隨著提升速度增大減小。

（3）高壓旋噴能量對(duì)比。通過分析，高壓旋噴其它參數(shù)相同情況下，樁體半徑與P＆d呈線型關(guān)系。

（4）高壓旋噴風(fēng)量風(fēng)壓對(duì)比。在其他高壓旋噴參數(shù)一定的情況下，風(fēng)量風(fēng)壓對(duì)高壓旋噴成樁的影響情況如下：風(fēng)量風(fēng)壓越大，高壓旋噴墻體的半徑越大，特別是不用風(fēng)，對(duì)高壓旋噴樁體半徑影響是常規(guī)用風(fēng)的2～3倍，從所有的高壓旋噴樁體開挖情況來看，風(fēng)在高壓旋噴成墻中的作用非常重要。

（5）護(hù)壁對(duì)比。本次采用了三種護(hù)壁方式：不護(hù)壁、泥漿護(hù)壁、PVC管護(hù)壁，在其他高壓旋噴參數(shù)一定的情況下，不同護(hù)壁方式對(duì)高壓旋噴成樁的影響情況如下：成墻半徑從大到小排列為：不護(hù)壁、PVC管護(hù)壁、泥漿護(hù)壁。其中，泥漿護(hù)壁成墻最小。

（6）采用PVC管護(hù)壁、兩管法噴灌工藝完全能滿足圍堰高壓旋噴防滲墻的防滲要求。

（7）采用水泥-膨潤(rùn)土漿液，這種漿液結(jié)石率高、析水率低，很適合人工填筑體圍堰防滲。

（8）通過對(duì)柱立式板墻開挖揭露出高壓旋噴成墻情況表明：本次高壓旋噴試驗(yàn)采用的施工工藝、施工參數(shù)、施工方法都是合理可行的，完全能滿足導(dǎo)流明渠人工填筑圍堰防滲要求。

（9）通過此次生產(chǎn)性試驗(yàn)，證明了前期的高壓旋噴參數(shù)試驗(yàn)是非常合理的、切合實(shí)際的。在后期的圍堰防滲墻施工過程中，我們只要控制好各個(gè)施工環(huán)節(jié)，一定能夠保證后期圍堰高壓旋噴防滲墻的防滲質(zhì)量要求。

綜上所述：亭子口水利樞紐工程應(yīng)用高壓噴射注漿防滲墻是可行的。（參考文獻(xiàn)5篇，刊略，需者可函索）