浅谈高压喷射灌浆技术的设计与施工

＜湖南水利水电）ｚｏｌｏ年第４期　技术的设计与施工匿　蕊　蕊　：苑西　哭　尹　梁润华　（中国水利水电第五工程局有限公司　成都市　６１００６６）　【摘　要】　在实际的工程设计和施工中，高压喷射灌浆不同的工法其能量载体和能量发生装置　不尽相同．所以适应范围也不完全相同。而且高喷灌浆机理复杂，影响高喷灌浆质量的因素众　多。在设计和施工中忽视其中任何一个因素的影响，都可能会导致工程质量事故的发生。　【关键词】　高压喷射灌浆凝结体　注浆比　１问题提出　段，坝址下游距梧州１２　ｋｍ，是一座以发电为主、兼有航　运、灌溉和养殖等综合利用的大型水利工程。坝顶高程　我国自２０世纪７０年代引进高压喷射灌浆技术以　３４．８　ＩＴＩ、最大坝高４９．３　ｎｌ，坝长３　３５０ｍ；总装机６３０ＭＷ。　来。就应用于软土地基处理，堤坝防渗加固及各种坝基防　其围堰及土坝高喷防渗工程量达５万ｍ，高喷防渗墙穿　渗处理。通过几十年的施工生产应用，灌浆技术得到了迅　过的地层有人＿Ｔ填筑碎石层、粉细砂层、砂卵石层、全风　速的发展。由于高喷灌浆技术的迅速发展，在我国堤坝防　化基岩。为了确保高喷防渗工程的施工质量，我们针对不　渗加固及坝基防渗方面做出了重要贡献，解决了一些其　同的地层进行了不同的高喷试验，先后采用了单管法、双　他技术难以解决的技术难题。　管法、三管法和二次切割法（新三管法）。通过试验，我们　但是，在一些病险水库的高喷灌浆防渗中，由于对高　得出．一是在一定的参数情况下．成墙质量从好到坏依次　压灌浆工艺理解和应用不当，产生了工程事故，给国家造　为二次切割法、双管法、三管法、单管法；成桩半径从大到　成了不应有的经济损失。下面通过高喷灌浆ｌ丁程事故案　小依次为二次切割法、三管法、双管法、单管法。二是在同　例的分析．总结出现上述问题的原因主要有两个方面：　一种＿Ｔ艺下，高喷半径从大到小依次为定喷、摆喷、旋喷；　一是有些工程技术设计或施工人员，对于高喷灌浆　墙体厚度从薄到厚依次为定喷、摆喷、旋喷。　技术看得过于简单。认为只要是一般的Ｔ程技术人员就　在张掖大孤山水电站枢纽基础防渗施工中，所采用　能设计，一般的施工队就可以施工等等。其实不然，高压　的喷灌方法为ｊ管法定向喷射成墙施工。防冲隔墙长为　喷射灌浆技术是一项非常复杂的技术。没有一定的专业　６８　ｍ，该下程地层为砂砾土，采用凝结体的结构布置形式　知识和丰富的实践经验是设计不好的。同样没有专业知　为柱摆式，成墙深度为３０　ｍ，墙厚平均为８０　ｅｍ。孔距２　识和高喷灌浆实践经验的队伍也是保证不了工程施工质　ｍ．喷射中心有直径（２０—３０）ｅｍ的圆柱体。首先用水管、气　量的。　管、浆管同轴布设组成喷射杆，杆底部设置有喷嘴，气、水　二是并没有讲明高喷灌浆的哪些丁法（或哪种喷射　喷嘴在上，浆液喷嘴在下，高喷时，随着喷射杆的旋转和　形式）不适应哪些地层，只是讲高压喷射灌浆适应于粘性　提升，采用高压水和气的射流冲击扰动地层土体，呈翻滚　土层．淤泥地层、砂层、砾卵石层等。其实有些丁法对于某　松散状态，随后以低压注入浓浆掺混搅拌，硬化后形成凝　些地层是不适宜的。　结体。此方法高喷质量可满足设计要求，工效高、造价低，　广西长洲水利枢纽位于广西西江于流浔江下游河　能充分利用原地土体，就地取材，机械化程度高，其工艺　１０　梁润华，，浅谈高压喷射灌浆技术的设计与施工　参数为：　（１）喷嘴直径：（２～２．３０）ｍｍ：　（２）高压水：ｌ０　ＭＰａ，流量４０　Ｌ／ｍｉｎ；　射灌浆时，由于粘土或黄土都具有较强的粘聚力，而高速　喷射流切割土层都是瞬时发生的，所以不可能在短时间　内将粘性土体进行全部粉碎，致使在这些地层中所形成　（３）气压：０．７０　ＭＰａ。气量６　ｍＴｍｉｎ：　（４）浆压：０．３０　ＭＰａ，流量８０　ｍ３／ｍｉｎ；　（５）提升速度：１５　ｃｍ／ｍｉｎ：　的高喷凝结体中常夹有大小不等的粘土块。如果在这些　地层中采用定喷或摆喷灌浆形式进行防渗，由于形成的　防渗板墙很薄，有些部位只有十几厘米，如果在这些部位　夹有较大土块，就很容易形成薄弱环节，很有可能成为上　下游贯通的漏水通道。所以作为一个工程技术设计人员　（６）三重管回转：７　ｒ／ｍｉｎ。　施工完成后采用挖深坑数米，用电子填土密实度检　测仪对周围土体进行现场质量测试。检测结果为土体密　或高喷灌浆工程技术施工人员，搞清高压喷射灌浆机理．　实度和承载力均大于原土体。　弄清影响高喷准浆质量的影响因素至关重要，也是确保　高压喷射灌浆１二法，分为单管法（ＣＣＰ工法），二重管　高压喷射灌浆工程质量的重要前提。高压喷射灌浆的设　法（ＪＳＧ工法）、三重管法（ＣＪＰ工法）和多重管法（ＳＳＳ—　计和施工都必须充分了解掌握具体工程的具体地质情　ＭＡＮ工法）。各工法的能量发生装置和能量介质是不同　况，因地制宜的进行设计和施工。　的。单管法和二重管法，它们的能量发生装置是高压泥浆　泵　％量介质是浆液。是利用高压浆液射流切割破碎土体，　２高压喷射灌浆设计　并与地层中的土、砂颗粒掺搅混合后而形成凝结体。ｊ重　在进行高喷灌浆防渗工程设计时，部分设计人员是　管法和多重管法的能量发生装置是高压水泵　色量介质是　根据现场高喷灌浆试验及开挖后所形成凝结体尺寸的大　水，利用高速水射流切割破坏土体。三重管法（ＣＪＰ工法）　小，然后再乘以安全系数，来确定高喷灌浆的孔距及其他　的低压浆液是靠高速水、气流的卷吸作用带入切割范围　施工参数。其实光这样做是不够的，因为高喷灌浆凝结体　地层内．并与升扬置换后剩余的土、砂颗粒掺搅混合后而　的形成是一个非常复杂的过程，常受多种因素的影响。而　形成凝结体。正是这些差异，使三重管法（ＣＪＰ工法）的适　坝的施工条件，如施工深度、地下水情况及地基应力情况　应范围受到了。工程实践表明，该工法就不适宜流塑　等，往往与现场试验条件相差甚远。正是这些差异。往往　状态的淤泥地层。在这种地层就不易形成凝结体。由于淤　会使形成的高喷灌浆凝结体的形状、尺寸与现场试验的　泥和淤泥质土含有较多的极细颗粒——胶体颗粒．并且　凝结体形状和尺寸有较大出人。设计人员如果对这些影　含水量高于液限。呈流塑状态，所以灵敏性很高。当它静　响估计不足，就会做出错误的设计。甚至造成高喷灌浆工　置一定时间，就成为凝胶体，具有一定的承载能力。如果　程的失败。现将影响高喷灌浆凝结体尺寸大小和质量的　受到外力搅动，就会液化，失去胶粘力，承载能力很低，甚　几个主要因素介绍如下　至就像水一样没有承载能力，这种现象称为触变。大家都　２．１　不同地质情况对高喷灌浆凝结体的影响　知道，水是斩不断，切不开的，同样高速水射流对于灵敏　大量高喷灌浆工程实践表明。当高压喷射灌浆参数一　性很高的淤泥地层也是切割不出沟槽来的，所以浆液也　定时，所形成的高喷凝结体尺寸与地层土质的物理力学　就不会被高速水气流卷吸到被切割的地层中去。四川汶　性质密切有关。经单管法高喷灌浆试验统计结果如表ｌ　川古城电站厂房尾水部位就出现过　表１　单管旋喷压力与围结体直径关系　在液化细砂层中进行高压喷射灌浆　后．地基承载力并没有得到提高这　一现象。ｉ重管法还容易使灌人地　层中的浆液被高压水稀释。在大颗　粒地层动水条件下，会使浆液流失。　而在粘土地层很容易使凝结体干容　重变轻，强度降低。但也有它的优　势．南于该工法的切削能力和升扬　置换能力较强，在某些地层（如砂　层、粉土等）形成的高喷凝固体尺寸　较大。　在粘土或黄土地层进行高压喷　梁润华／／浅谈高压喷射灌浆技术的设计与施工　２地下水深度对高压喷射流切削岩土深度的影响　从表１可以看出，在高压旋喷灌浆参数一定的情况　２＿下．在粉砂土及粉质砂土中形成的旋喷桩直径大，而在粉　作用在高喷杆喷嘴出口处的静水压力，对于高速喷　射流的切削深度有明显的影响。当水气同轴喷射流压力　一质粘土中形成的旋喷桩直径小。而且土质粘聚力越大形　成的桩径越小。　另外。从汶川古城电站厂房尾水基础进行的三管法　定时，喷嘴出口处的静水压力与切削岩土深度ｆ或高喷　凝结体尺寸）的关系如图３。从图３可以看出，当静水压为　０．０５　ｋｇ／ｃｍ　时的切削深度与静水压力为２．０　ｋｇ／ｃｍ２时相　比，后者的切削深度比前者要减少一半左右。　高喷灌浆试验及开挖检查中得知，在粘土层中，一般旋喷　桩径最大为１１５　ｃｍ。高喷孑Ｌ经过复喷（即第一次光喷水　气，第二次为水、气、浆），形成的桩径最大为１４５　ｃｍ，比一　次旋喷成桩直径增加３０　ｃｍ。而摆喷孑Ｌ形成的板墙长度为　鲁　２１０　ｃｍ。板墙中间厚为１３　ｃｍ，摆喷板墙末端厚为５５　ｃｍ。　在凝结体中均夹有土块。又在砂卵石层中，所形成的旋喷　桩直径为（１５０～１６０）ｃｍ，摆喷形成的板墙长度为２．７０　ｃｍ，　板墙中间薄处为３９　ｃｍ．板墙末端厚度为６３　ｃｍ。　高喷灌浆形成的凝结体尺寸（或切割深度）还与地层　的应力条件和软硬程度有关。图１为水气同轴喷射时，不　同应力条件下的地层，在不同喷射压力情况下与切割深　度的关系。从图１可以看出，在相同喷射压力情况下岩土　无侧限抗压强度　越低．切割深度越深，加　ｍ　否则相反。如　∞　加　　量　蜒　磊　喷射流压Ｐｏ＝（ｋＰｍ）ｘｌ０２（同轴水・空气）　图１　喷射流压力与切削速度关系　图２为单管法高压旋喷所形成的桩径与地层标贯击　数的关系。从图２可以看出，当高喷灌浆参数一定时，地　层标贯击数越大所形成的桩径越小，否则相反。　●粉土　　Ｉｘ　‘　０中～粉砂　腐殖土　●—一粘性土　砂碛　　一．．　．　‘　：　一　・　０　２　４　６　８　１０　１２　１４　１６　１８　２０　２２　２４　２６　图２单管法桩径　１２　蜷　磊　Ｏ．０５　０．１　０－２　Ｏ－３　０．５　１．０　２．Ｏ　‘　喷射压力Ｐｓ／ｋｍ．ｃＩ１ｒ２　图３切削深度和静水压力关系（同轴喷射空气喷流的场合）　在四川省木里俄公堡电站厂房一期围堰进行的旋喷　试验表明，在相同地层（均为砂砾石层）和相同高喷灌浆参　数情况下，在有无地下水情况下，所形成的旋喷桩直径相　差明显．见表２。　表２有无地下水对旋喷桩直径的影响　２．３高喷孔深度对高喷防渗凝结体整体质量的影响　目前我国一般施工队的施工水平，钻孔精度孔斜率　约在１％～５％，按这个精度计算，钻５０ｍ深的孔，到下部就　有可能偏斜（５０～２５）ｃｍ。如果相邻两孔向相反方向偏斜，　到下部两孔之间的距离就更大。作高喷灌浆设计时，如果　不把这一因素考虑进去，高喷防渗板墙就不会进行有效　的连接。钻孔深度增加后．往往要穿过几个不同的地层．　由前述可知，在不同地层，如果采用相同的高压喷射灌浆　施工参数，往往会形成不同的高喷凝结体直径。在这种情　况下，就应考虑是否适当缩小高喷灌浆孔距，还是增加灌　浆孔的排数，这都要经过技术和经济的比较论证后才能　确定。　四川木里沙湾电站厂房尾水防渗高喷施工完成后。　在基坑排水开挖时发现，围堰中有几处集中渗水，开挖后　梁润华，，浅谈高压喷射灌浆技术的设计与施工　发现，渗水处两高喷孑Ｌ之间的间距为３．５　ｍ，两孑Ｌ各自向　如钻机。高压泵、高喷台车等。钻机要能确保钻孔的精度．　相反方向偏斜，使得该处成为集中渗水点，经补孑Ｌ处理后　才得到解决。所以，在进行高喷灌浆设计时必须充分考虑　到钻孑Ｌ的偏斜问题，在难以保证钻孔垂直的情况下，尽可　能采用双排钻孑Ｌ设计，以保证高喷防渗的质量。　孑Ｌ深对高压喷射灌浆质量的影响还表现在随着孔深　度的增加，地层压力在增加，地下水压力在增加，喷杆长　度增加，随之带来的是高压气、水、浆液压力的损失增加。　气、水、浆液返流阻力增大，这些问题都会直接影响高压　欲善其事，先利其器，高喷灌浆也是一样，优良的高喷灌　浆设备，是确保高喷灌浆质量的第一步。在难以成孔的细　砂层、淤泥地层及地下空隙较大地层，采用钻喷一体机将　会取得较好的高喷效果　另外要选用合理的高喷灌浆施ｌ丁参数。因为不同的　高喷灌浆施工参数，它将直接影响高喷凝结体的尺寸和　质量。所以，根据具体地层进行高压喷射灌浆实验．取得　合理的参数是搞好灌浆的关键第一步。　喷射灌浆质量。　２．ｇ水泥含量对高喷凝结体强度的影响　从高喷灌浆试验开挖出来的大量高喷灌浆凝结体的　化验中得知，采用纯水泥浆进行高喷灌浆形成的凝结体　水泥含量一般在３０％～５０％：而采用水泥含量５０％的水泥　粘土浆进行高喷灌浆形成的凝结体水泥含量一般为２０％　～３０％。由于凝结体的水泥含量不同．所以物理力学性能　也不一样，结石水泥含量越低，结石干密度越小，抗压强　度越低。同时在水下形成的凝结体的强度比在水上形成　的凝结体强度要低。所以在进行高压喷射灌浆丁程设计　时，应根据丁程的具体要求和所承受的水头来选用合适　的浆液，以满足工程的要求。同时．在进行高压喷射灌浆　时，往往一个高喷孑Ｌ要穿越几个不同性质的地层和受到　不同静水压力的影响。高喷灌浆施工时如果各个施Ｔ参　数不变．在不同的地层或不同静水压力情况下形成的高　喷凝结体的尺寸也不同。不同尺寸的凝结体的单位体积　内的水泥含量也不一样。从而导致凝结体的物理力学性　能也不同。如果把喷射的浆量与所形成的凝结体的体积　之比定义为注浆比。则注浆比与凝结体的无侧限抗压强　度之间的关系如图４。从图４可以看出。高喷凝结体的无　侧限抗压强度与高喷灌浆注浆比值成正比。　皇１Ｏ　毒ｌｏ　１Ｏ　４　３　２　１　平均无侧向抗压强度ｑ（ｔｏｏ　ｋＰａ）　图４　固结体强度与注浆比的关系　３高压喷射灌浆施工　一个成熟的高喷灌浆专业施Ｔ队伍，应懂得为完成　设计任务首先要准备好能够确保施Ｔ质量的机械设备，　３．１　喷射压力对凝结体尺寸（或切割深度）的影响　从大量高喷灌浆实践和试验中得知。高压喷射流压　力和所形成凝结体的尺寸密切相关，表１是单管法高压　旋喷灌浆在不同地层中，在其他高喷灌浆参数一定的情　况下，不同喷射压力与所形成旋喷桩直径的关系。从表ｌ　可以清楚地看出，在同一地层中旋喷射桩直径与喷射压　力成正比。　另外从图１还可以看出，在同一地层（即相同应力条　件下）中，水气同轴喷射压力与切削深度成正比。　３＿２灌浆管旋转与提升速度及凝结体尺寸的关系　一般来说，旋转与提升速度减慢．凝结体尺寸会增　加，但减慢到某一范围时，凝结体尺寸增加甚微。当提升　速度一定时，旋转速度有一最佳值，当低于此最佳值时，　凝结体的尺寸反而会减少　图５是三重管旋喷提升速度为４　ｃｍ／ｍｉｎ时．在两种　土层中旋转速度与凝结体直径关系的试验结果。其他技　术参数是：喷射压力４０　ＭＰａ，喷射泵量７０　Ｌ／ｍｉｎ。压缩空　气压力０．７　ＭＰａ，气量３　ｍ３／ｍｉｎ，水泥浆量２００　Ｌ／ｍｉｎ。水泥　浆泵压３．５　ＭＰａ。　ｌ　。　Ｃ，　ｏ　莉　。，　＼　一１　／　／　，，一、　／／　越　｜｝　、　；　、　～—一　田　以　＼、＿＼　、～、～　５　１Ｏ　钻机旋转数／ｒ・ｒａｉｎ。。　１一Ｎ＝１０的砂土．２－Ｎ＝３的粘土　图５三重旋喷试验的旋转速度　图６为相同试验条件下，旋转速度为５　ｒ／ｍｉｎ时，提　升速度与凝结体关系的试验结果。　旋转速度和提升要合理配合．才能取得较好的破坏　土体的效果。一般应通过高喷灌浆现场试验来确定合理　的旋转速度和提升速度。　ｌ３　梁润华∥浅谈高压喷射灌浆技术的设计与施工　但随着喷嘴直径的增加，单位注入浆量亦随之增加。在增　Ｉ　加喷嘴直径的同时还要考虑到经济的合理性。　｜　１５　２　１　ｌ　ｔ　４结语　１Ｏ　＼　＼　、＼　（１）影响高压喷射灌浆质量的因素很多，对每个因　＼　素的忽视都可能造成工程质量事故，所以高喷灌浆设计　＼＼５　、　和施Ｔ，应由具备专业知识和丰富工程实践经验的工程　＼　、技术人员和施＿［队来承担。　＼、　～～　（２）高压喷射灌浆不同的工法和喷射形式，适应的　ｌ００　２０ｏ　３ｏｏ　条件并不完全相同，应根据不同情况选用合理的高喷灌　直径／ｃｍ　浆１二法和喷射形式。　图６三重管旋喷试验的提升速度　（３）离喷灌浆所形成的凝结体，当采用纯水泥浆时，　在进行俄公堡电站闸首一期围堰高喷防渗施工时．　凝结体的水泥含量一般为３０％～５０％．当采用水泥含量为　我们根据不同孔深、不同的地下水情况及不同的地质情　５０％的水泥粘土浆时，凝结体水泥含量一般为２０％一３０％。　况采用了不同的提升速度：在高喷灌浆开始阶段，由于地　而且凝结体的抗压强度和抗渗坡降等力学性指示，均随　下漂石较多，存在有较大的渗流通道，　现了孔口无返浆　凝结体水泥含量的减少而降低。所以在进行高喷灌浆设　现象，对此，我们采用了只旋转不提杆并加沙的办法。待　计时，一定要根据丁程的具体要求选用合理的浆液．以确　孔口返浆后再提杆，提杆速度为５　ｃｍ／ｍｉｎ。返浆正常后。　保工程的质量。　调整提杆速度为１０　ｃｍ／ｍｉｎ。在二序孑Ｌ施工时，孔底５　ｎ　部　（４）在颗粒较大的砂砾层地层进行高压喷射灌浆时。　位提杆速度为１０　ｃｍ／ｍｉｎ，以后调整为１２　ｃｎｄｍｉｎ，有效地　由于颗粒大，地层中空隙较大，如果直接进行浆液注射，　保证了施工质量，确保了工期要求。经阁井压水检查．渗　会有大量浆液损耗，这时，需先进行纯砂、不提旋喷杆喷　透系数为ｉｘｌ０　射，待注入一定量砂后再开启灌浆泵进行灌浆，这样能取　３．３喷嘴直径的影响　得既节约浆量又保证质量的效果。　如果其他喷射条件不变，而仅仅改变喷嘴直径，切削　（收稿日期：２０１ｏ－－０５－２３）　深度和定喷板厚度均随着喷嘴直径的增加而增加。依喷　嘴的形状，内壁加工精细程度的不同，切削深度也不同　’，ｌ，＇　’　●＇’ｌｔ，，ｌｔ，－，＇ｌ＇，，＇ｌ，ｌ　＇’　＇’＇＇ｌ＇＇，ｌ＇ｌ，，ｌ’＇ｌ’，ｌＪ，２Ｊ，，＇＇　＇，－，＇　＇，　＇’，＇’　ｌ，，ｌ，＇，Ｉ＇’　，＇　＇，ｌ，’●＇　短　讯　芷江“春电’’举　日前，湖南芷江春阳滩水电公司举办防洪演习．近　２００名员工以高度的责任感，在凛历的警报声中，ｌＯ分钟　内迅速赶到各自的岗位，冒雨参加　这次抗大洪防大汛的　抗洪抢险实战演练。　２０１０年６月初以来，连续阴雨绵绵，阵雨不断，尤其　是区域性大暴雨造成许多地方洪水瀑涨，ｔ１．ｊ体滑坡，严蘑　危及到人民群众的生命和财产安全　该公司位于湖南西南　部，与贵州黔东南洲接壤，当地虽然连续细雨不断．但至今　未形成较大洪水，然而春电公司却并未放松防大洪抢大险　的警惕性，一直以来，把防洪工作摆存重要位置，并件件落　在实处。一是机制落实。成立了抗洪抢险指挥部，组建ｒ抢　１４