高压喷射灌浆新技术在水库大坝加固中的应用

高压喷射灌浆新技术在水库大坝加固中的应用

1高喷灌浆工艺近年来，高压喷灌技术在国内外水库防雨加固工程中得到了广泛应用，取得了良好的防雨效果。高压喷射灌浆法按喷嘴运动方式可分为旋喷、定喷和摆喷三种形式。旋喷形成柱状;定喷形成板状;摆喷法形成墙体的长度和厚度介于旋喷和定喷之间,适用于各种地层特别是砂卵石层中的防渗处理。根据施工方法的不同,高喷灌浆目前在工程中常用有单管法、两管法和三管法。三管法采用三管分别输送水、气、浆三种介质,水、气同轴喷射,由从内嘴喷出高压水和从外嘴喷出的环绕气流冲击、切割地层,再由下方喷嘴喷射稠浆与土体颗粒掺混搅拌形成凝结体,其形成的凝结体宽度砂砾石层中较两管法大。三管法试验有新、老三管法两种高喷工艺。老三管法采用高压水和压缩空气同轴喷射破坏地层,通过射流冲切、升扬置换,低压水泥浆跟进充填掺搅渗透形成防渗凝结体;新三管法在老三管法的基础上增加高压水泥浆2次切割充填,主要区别在于:除第1次上段的超高压水和空气的复合喷射流体切削土层,紧接着第2次下段的超高压浆液和空气的复合喷射流体,在第1次切削土层的基础上再对土体进行切割,这样增加射流的作用范围,加大了切削深度,从而加大固结体的直径。2高压摆喷试验横排头渠首枢纽是安徽省淠史杭灌区淠河流域的渠首,工程等级为1等Ⅰ级建筑物。本次防渗加固工程主要针对坝基础渗漏严重、渗流稳定性不足等问题,采用高压摆喷灌浆构筑防渗墙技术截断坝基透水层渗流进行处理。根据设计要求,结合现场施工条件,本工程的现场试验选择在溢流坝左岸上游库区内,距土坝段防浪墙右端65m处填筑一个20m×20m的试验平台作为现场试验场地。试验围井孔位布置见图1,高压摆喷试验技术参数见表1。在试验场地上按椭圆形布置有12个喷射孔,形成一个围井。12个摆喷试验孔按孔距、喷射压力、提升速度组合,分两序进行旋喷试验,摆喷试验28d后用XU-150型钻机配金刚石钻具钻孔,在1#～2#、3#～4#、7#～8#孔交接处钻取了3个孔的岩芯,分别代表新老三管法两种工艺的取芯情况。从取芯情况看,两种工艺成墙并无差别。3个孔的取芯情况是:粘土层和砂层中取芯率能达到90%以上,砂卵石层上部卵石含量相对较少时,取芯率在60%以上,成柱状岩芯;但到卵石层下部,卵石含量相对较多且较大时,只能取出经切割后的较少卵石,卵石上可见水泥浆凝结的胶结物岩芯不成柱状;在砂层及砾石含量较少的地层中取芯,其砂层及砂层底部芯样抗压强度最大36MPa,最小8MPa,均大于5MPa;防渗墙的综合渗透系数K值为8.92×10-7cm/s,满足设计要求。通过开挖从表观上看:高压摆喷灌浆所形成的墙体在砂卵石层中最厚,在砂层中次之,在粘土铺盖层中最薄;影响半径砂层最大,卵石层次之,粘土层最小。新三管法比老三管法墙体略厚,墙体有效直径略大。新三管法水泥用量平均625kg/m,老三管法水泥用量平均616kg/m(两种工艺均扣除故障耗用水泥),两种工艺的回浆量均偏大,其余无多大差别。3高喷伤口施工3.1防渗墙节点施工。在锚本工程高喷钻孔需要穿越坝基下厚度约4m的砂卵石层,钻进难度较大,控制和操作不当易造成孔斜过大,必须控制好钻孔的垂直度才能保证防渗墙的有效连接。因此,采取了如下措施:①选择XU-150型钻机。此型钻机钻孔深度大,自重较大,工作平稳;②钻机就位后安装稳固,钻机立轴铅直,配备导向钻具,规范操作;③成孔钻进过程中,根据钻孔情况,分段进行钻孔测斜,用CX-47型钻孔测斜仪测量。发现钻孔垂直度超标(孔斜率≤1.0%),及时扫孔纠偏,保证孔斜率在允许的范围内。3.2施工现场的影响高喷防渗墙上与粘土井柱防渗墙、下与河床基岩之间的连接,以及分段施工时先后施工墙体的有效连接,也是保证本工程质量的关键之一。高喷灌浆防渗墙的有效连接除上述孔斜影响外,还受到高喷作业过程中试验选定的水压力、提升速度、浆液浓度等施工参数的影响,只有严格控制上述施工参数,才能确保墙体有效连接。对于因分段施工而造成的先后相邻的一个后序高喷孔,可采用适当提高喷射水压力、降低提升速度、复喷等措施,使前后不同时期的高喷凝结体形成“焊接式”连接。对于防渗墙上与粘土心墙、下与基岩面的结合,可采取下列之一种或几种措施:①降低摆喷提升速度;②提高喷射水压力;③复喷;④在结合面暂停提升,进行原位高压喷射切割。当孔距1.3m、孔深约20m时,在保证钻孔倾斜率不大于1.0%的前提下,要求有效搭接厚度不小于20cm。为此,首先要保证摆喷的有效直径,一般情况下其有效桩径不小于150cm;当钻孔测斜时,还要保证相邻钻孔斜倾方向不得相反,否则需扫孔纠偏。另外,孔位偏差亦是搭接质量控制的参数之一,本工程摆喷防渗墙孔位偏差小于3cm。3.3防渗墙灌浆灌浆大坝防渗加固施工,最佳施工时期一般都选在坝内较低水位期间。横排头渠首施工水库水位约51.0m高程,与下游相比有6m水头差,必须充分考虑到水头差对防渗墙施工的影响,采取如下措施:①在灌浆浆液中掺加促凝剂(如三乙醇胺、二氯分钙、水玻璃等,掺加量由试验确定);②适当提高灌浆的水泥浆浓度;③采用425号早强型水泥,以缩短水泥浆的初凝时间。3.4防渗墙体压监测由于摆喷防渗墙是采用折线连接的相邻两个孔的喷射方向,就决定了防渗墙的整体连续效果,因此每个孔在高喷作业的插管工序前,在地面上应首先对准好喷射方向,并控制在摆幅范围内,这样可保证高喷切割地层方向正确,墙体连接可靠。3.5粘土球的使用要求高喷和灌浆结束后,钻孔的回填质量尤为重要,必须注意:①钻孔内的水和未凝固的浆液必须捞干;②粘土球的大小以2cm～3cm为宜,不可过大;③粘土球应是半风干状态,不可过干或过湿;④分层回填夯实,分层投球量不可过大,且用钢丝绳挂一段圆钢制成的重锤,用钻机上卷扬机带动冲击器上下冲击,夯实粘土球,保证封填质量。施工工艺流程见图2所示。4高喷防渗墙体压浆封闭机关注意事项在高喷防渗墙施工中因停电、浆管破裂或机械故障引起作业中断时,首先应尽快排除故障,恢复灌浆,并按照规范要求复喷0.5m以上,以保证高喷防渗墙的连续性;对处理时间过长(超过4h)的,因制浆站和孔内浆液停置时间过长,可能造成浆液质量变化,胶结凝固性能变差,影响高喷防渗墙的成墙质量,故应对制浆站浆液作废弃处理,高喷孔则作待凝后扫孔重喷处理。对施工过程中发生的坝体冒浆等现象,采用加浓浆液、降低提升速度、低压浓浆减速喷灌等方法进行处理。5防渗墙效果分析高喷防渗墙成墙后,采用围井开挖、围井注水试验和土层搭接部位钻孔取芯等方法进行检查,可得出如下结论:第一,从现场检查围井注水试验成果看,防渗墙的综合渗透系数K值为8.92×10-7cm/s,说明防渗墙整体防渗效果满足设计要求,渗透系数不大于1×10-6cm/s,防渗墙搭接部位取芯抗压强度R>5MPa,围井内开挖后发现搭接良好。第二,通过对防渗墙全面质量检查所取得的成果数据说明,防渗墙起到了明显的防止渗漏作用,从整体上足以达到设计要求的