高壓噴射灌漿技術在水閘除險加固中的應用研究

羅俊彪

(東莞市水電建筑安裝工程有限公司,廣東 東莞 523143)

0 引 言

水閘是一種調節水位與控制流量的水工建筑物,其在生態環境、經濟效益、生命安全等方面起著至關重要的作用[1-2]。當閘門開啟時,能夠起到排泄洪水以及為區域供水的作用。目前,水閘存在的病險主要包括閘室防滲系統失效、啟閉機老化、閘門及閘門槽生銹嚴重等,這些問題嚴重影響水閘的正常運行[3-4]。對于地基承載能力不足的水閘,需要采用振沖加密、灌漿等措施,以提升地基的承載力。對于沉降不均勻的地基,需要采用壓密灌漿的方式升高閘基,以恢復水閘高程。但限于技術水平,過去對水閘地基并沒有合理的處理措施,導致較為嚴重的閘基傾斜或沉降[5-6]。

因此,本文采用高壓噴射灌漿技術加以改進,其優勢在于安全性高、可控性強、施工簡單、耐久性好、漿液可二次回收以及工程造價低等,在水閘軟地基的加固上具有顯著的應用效果,同時還能夠對透水層起到防滲作用。其主要運作機制是:首先將帶有噴嘴的灌漿管放置于土層預設的深度后,并使漿液以40MPa的壓力噴射出來,形成高壓射流進行沖擊切割,使漿液在射流作用范圍內擴散并填充周圍土層,并形成需要的空間。漿液與土石粒混合后將硬化形成凝結體,使原土層結構發生變化,從而實現防滲功效,提高承載力。

1 基于高壓噴射灌漿技術的水閘除險加固

1.1 高壓噴射灌漿技術應用

在地下防滲墻的建造中,高壓噴射灌漿技術是主要的施工手段。該技術不僅能夠對軟弱地基進行加固處理,還兼具升揚置換、沖切摻攪等功能[7-8]。高壓噴射灌漿技術的優點如下:首先是施工方便。高壓噴射灌漿技術所用設備較輕,具有較快的反應速度,僅通過一個小孔即可完成施工,不會造成過多的資源浪費。其次,高壓噴射灌漿技術能夠進行水平、傾斜、垂直等多方位噴射,并且具有較強的耐久性。此外,高壓噴射灌漿技術可以通過三重管法,對10%～20%的漿液進行回收再利用。

在土層深度被確定的基礎上,高壓噴射灌漿技術首先在鉆機的幫助下,將配備噴嘴的灌漿管放入預定深度[9-10]。隨后將壓力調節在20～40MPa的范圍內,由此噴射漿液或水。在此情況下,噴射流會對土層產生一定的破壞,并完成預定形狀的塑造。同時,當速度快、能量大的噴射流所表現出的動壓力比上層結構強度更大時,上層中的土顆粒會發生剝落。由此導致漿液或水溢于地面時,細粒土隨之出現,并且剩下的顆粒會受到離心力等作用與漿液攪拌混合。但攪拌混合并不是無序和無規律的,而是在一定質量和漿土比例下發生的有規律的再次排列。高壓噴射灌漿技術的應用示意見圖1。

圖1 高壓噴射灌漿技術應用示意

高壓噴射灌漿技術施工流程主要分為4步,即鉆孔、下噴射管、噴射灌漿和清洗充填。在鉆孔過程中,首先需要對準鉆孔,墊穩機架,偏差范圍保持在1～2cm以下,且必須滿足預先設定的底高程。整個鉆孔過程必須有嚴密的記錄,同時經相關人員簽字認可后方能終孔。造孔選擇磨盤鉆,通常每鉆進5m即借助測斜儀進行測試,以便孔斜率過大情況出現時能隨時糾正[11-12]。造孔過程中的充填堵漏工作尤為重要,這是泥漿正常循環的有力保障條件之一,最后則是確保垂直,偏斜率需要控制在1%及以下。

在進行下噴射管操作之前,漿、氣嘴需要保持暢通并密封,以避免堵塞現象發生。當其到達既定深度時,噴嘴必須嚴格對準噴射方向,以保證防滲墻質量。完成上述操作后,再進行噴射灌漿。

整個噴射過程均為漿、氣、水三重管高壓噴射。當噴管下至既定深度后,即進行水、氣、漿噴射。直至漿液冒出孔口后,按照自下而上的順序,通過邊噴射邊轉擺的方式,提升至預定高度,停止噴射并將其提出。在水泥漿出現在洞口時,即提升噴射管至預設樁頂高程。

最后清洗填充。噴射結束后,必須對所有管路進行沖洗,確保無超重殘渣。當高噴灌漿到達既定頂部高程時,提出孔口后注入水泥漿,通過隨沉隨補的方式保證其高度,直至漿液不下沉。

1.2 工程概況

研究選取的水閘屬于膠東引黃調水工程的一部分,隨著時間推移,該水閘工程在安全運轉十幾年的同時,發生許多病險問題。該水閘所在地為溫帶大陸性季風季候,平均氣溫約13℃,每年無霜期為190天,年平均降水量在583～588mm范圍內波動。該水閘是一座集供水、防洪等作用功能為一體的水工建筑物,樁號183+750。根據聯合調度方式,對該工程設計洪水進行防洪調度計算,同時按照河道洪水的演進情況,求得該工程部分各級洪水流量,見表1。

表1 所選水閘工程各級洪水洪峰流量情況 /m3·s-1

在黃河下游,引水閘均采用無壩側向引水,分水角通常在50°以上。因此,為確保能夠正常引水,引水位在設計過程中將分水口下游斷面對應的大河流量水位作為標準。據計算,引水位設計為11.05m。該工程的設計引水流量120m3/s。除險加固工程級別在黃河大堤之上,所以主要建筑物級別是1級,次要建筑物是3級。該工程所在地地勢相對平緩,河道比較窄,彎曲處較多,呈二級懸河形態,距活動性斷裂地帶較遠,所以更為穩定。場區地層由人工填筑土、海陸沖撞沉積巖層組成,地下水為潛水,枯水與豐水期測得的水質相差較小。

按照實地調查結果,原閘室出現不同區域不同程度的沉降,由此導致水閘上下游止水系統能力變差。同時,原閘樁基在建設時并未將地震液化的影響納入考量,無法達到抗震要求,水閘安全運行問題較為嚴重。

1.3 高壓噴射灌漿施工工藝優化

根據所選水閘工程,對高壓噴射灌漿施工技術在該工程除險加固中的施工工藝進行優化。天然地基的地質十分復雜,土層含水量和地下水狀態等存在較大差異,單一技術參數噴射長樁容易引起旋噴樁承載力降低。

因此,在長樁噴射中,針對不同的土層情況,適當調整噴射時間,并放慢或提升速度。在保持噴射技術參數的同時,利用相同土層的重復噴射來提高固化強度。在旋噴過程中,主要根據經驗對冒漿量進行判定,當其大于灌漿量的20%或不冒漿時,需要及時應對。按照工程需要,主要噴射成6種形狀的固結體,即圓盤狀、墻壁狀、圓柱狀、葫蘆狀、大帽狀和扇形狀。完成控形工藝后,對固結體進行勻稱程度檢查,并對地基加固過程的凹穴現象進行處理。

然后進行防縮工藝。在土粒與純水泥漿液進行混合后的凝固過程中,由于漿液具有析水性,因此會造成不同程度的收縮,使固結體的頂部出現一個凹穴。該凹穴的深度主要受漿液的析出性、固結體的直徑等因素影響,其對地基的加固影響極為不利,因而必須采取相應措施進行消除。

通過單管分噴或多重管新工藝提升樁身強度。該工藝首先進行高壓切割,高壓切割后孔內以深泥漿占主導。然后進行中壓灌漿,得到固結體含土量低但強度相對較高的土體。雖然這容易導致耗時增加,但仍然采取此方法以確保樁身強度滿足要求。此外,水泥漿體存在收縮離析作用,因此在灌漿后需要及時補漿,通常補漿頻率為2h一次。在該工程中,高噴樁高度約28m,地下水位較高,并且含有較多的無機鹽,在一定程度上對水泥的凝固時間造成影響。

為確保高噴樁的成樁質量,在該工程中確定的試樁基本參數見表2。

表2 試樁基本參數

在該工程的高壓噴射灌漿施工中,通過XY-1A-4型鉆機,選用金剛石單筒鉆具進行。開鉆前,通過水平尺進行鉆機調平,以保證鉆進過程的豎直狀態,并離樁邊緣10cm處開孔。所確定的3組樁號樁長均為30m,鉆孔取芯深度分別為12、23和28m。

2 高壓噴射灌漿技術在水閘除險加固中的應用效果

為了檢驗高壓噴射灌漿技術在水閘除險加固中的應用效果,首先對其成樁的承載力和回彈率進行分析,將該工程中已使用該項技術的水閘與未使用的水閘進行對比。為了增強結果的科學性,將已使用與未使用高壓噴射灌漿技術的水閘均分為1、2、3、4、5共5個區域,測得的回彈率與承載力結果見圖2。

圖2 已使用與未使用高壓噴射灌漿技術的水閘區域承載力及回彈率對比

從圖2(a)可以看出,在承載力的比較中,使用高壓噴射灌漿技術的水閘區域較未使用的更高。其中,已使用該項技術的承載力最高值達到1 200kN,最低接近1 050kN;而未使用該項技術的區域最高未能達到1 100kN。兩相比較可以發現,與未使用的相比,已使用該項技術的水閘區域所測承載力最高可領先200kN左右,安全系數更高。

從圖2(b)中可知,在回彈率的比較中,所選5個區域測得的回彈率均為已使用該項技術的更高。具體來看,使用的情況下回彈率均在28%以上,最高值37%。而未使用的情況下最高僅為26%,并且5個區域基本穩定在20%～26%之間。由于在條件相同的情況下,混凝土的回彈率越高,混凝土表面的硬度就越高,強度值同樣高。由此可以證明,使用高壓噴射灌漿技術的水閘區域強度更高,更為堅固,能夠對水閘加固起到增強作用。

為進一步驗證高壓噴射灌漿技術對水閘的加固效果,通過動力計算對其穩定性進行分析。在強震作用下,水閘會發生十分顯著的永久變形,導致強度失衡,縱橫向裂縫出現。在該情況下,水閘的防滲系統被嚴重破壞,由此引起部分區域的滲漏,安全性受到極大威脅。因此,研究進一步通過永久變形,判斷水閘加固的效果。已使用與未使用該項技術得到的水閘永久變形情況見圖3。

圖3 已使用與未使用情況下水閘網格模型的變形結果

從圖3可以發現,對于未使用的情況來說,在其模型網格頂部,出現十分顯著的變形,并且頂部的塌陷證明其以豎向方向的變形為主。同時,在模型網格中部和底部,均出現走勢不同且長度各異的曲線,表明水閘發生的裂縫。根據4條裂縫曲線可以推斷,未使用該技術的水閘底部和頂部均出現局部破壞。而反觀已使用該項技術下的水閘模型網格變性結果可知,頂部十分完整,并沒有出現塌陷、缺失等情況。同時,在其底部和中部,僅出現兩條虛線,即兩條裂縫,表明中部和底部保持較高的穩固性,能夠抗擊較大的沖擊。綜合已使用與未使用的結果可知,高壓噴射灌漿技術能夠對水閘產生較強的加固作用,一定程度上增加了穩固性。

圖4為已使用與未使用高壓噴射灌漿技術的水閘區域安全系數及抗壓強度測試結果。從圖4(a)可以看出,隨著時間的推移,兩種情況均在27天左右出現安全系數的最低值。其中,已使用該技術的安全系數最高可達3.5,而未使用的最高值僅為2.0。兩相比較可以發現,已使用該技術的水閘安全系數更高,且隨時間變化不會出現過低的情況。從圖4(b)可知,已使用與未使用兩種情況對應的抗壓強度均隨時間延長而下降。其中,已使用該技術的抗壓強度最高為19MPa,最低為11MPa。而未使用該技術的抗壓強度在13～5MPa范圍內波動,抗壓強度較低。綜上結果可以說明,研究應用的高壓噴射灌漿技術能夠有效增強水閘的穩定性,具有較高的安全性。

圖4 已使用與未使用高壓噴射灌漿技術的安全系數及抗壓強度測試結果

3 結 論

隨著水閘運行年限的增加,除險加固工程成為其正常運行的必要措施。本文通過分析高壓噴射灌漿技術的應用優勢,結合具體的水閘除險加固工程,對該技術的施工工藝進行了優化。結果顯示,在承載力與回彈率的比較中,已使用該項技術的承載力最低接近1 050kN,而未使用的區域最高未能達到1 100kN。同時,已使用的情況下回彈率均在28%以上,最高值37%。在水閘變形比較中,已使用的情況僅出現2條裂縫,具有更高的穩固性。此外,該技術應用下安全系數最高可達3.5,安全性得到有效提升。