高压摆喷灌浆防渗论文（通用6篇）
高压摆喷灌浆防渗论文 篇1
摘要：结合穆棱市清河水库除险加固工程高压摆喷灌浆实例, 探讨高压摆喷灌浆技术应用和施工过程中可能遇到的情况及处理方法。
关键词：高压摆喷灌浆,施工工艺,水库,坝体防渗,问题处理
1 工程概况
清河水库位于穆棱市八面通镇清河村南1km处的清河流域中上游, 距八面通镇6km。总库容305.5万m3, 是一座以防洪、灌溉为主的小 (Ⅰ) 型水库, 设计标准为50年一遇洪水, 校核标准为500年一遇洪水, 灌溉设计保证率为75%。清河水库主体工程包括大坝、溢洪道和放水洞。大坝为混合土坝, 坝长310m, 溢洪道为开敞式侧堰, 堰长37m, 放水洞为坝下埋管式砼箱涵, 洞长42m。
清河水库始建于1958年大跃进期间, 由群众队伍进行施工, 工程质量相对较差, 虽然经过几次维修改造, 但仍存在坝体、坝基渗漏严重等诸多问题, 被鉴定为三类坝。清河水库除险加固工程于2008年3月1日开工建设, 对土坝渗漏采用高压摆喷灌浆技术进行处理, 通过试验检测, 土坝渗透指标由施工前的10-3cm/s提高到10-6cm/s, 防渗效果良好。
2 高压摆喷灌浆技术要点
2.1 技术原理。
高压摆喷灌浆技术是采用三管法, 喷射介质为水、水泥基质浆液和压缩空气, 使喷射管做一定角度的摆动和提升运动, 利用高压水形成高速喷射流束, 冲击、切割、破碎地层土体, 并以水泥基质浆液充填、掺混其中, 形成扇形断面板墙状的凝结体, 以提高坝体防渗能力的施工技术。
2.2 施工工序和设备。
高压摆喷灌浆施工工序为:布孔、钻孔、制浆、高压灌浆、静压回灌。主要施工设备有:钻机、高喷台车、制浆机、高压水泵、空压机、灌浆泵。
2.3 布孔与钻孔。
布孔分三个阶段。第一阶段布先导孔, 沿坝体灌浆轴线方向每30米左右布置一个先导孔, 利用先导孔采取芯样, 可摸清各坝段坝体土质类别、地层变化、漏浆程度、基岩深度等情况。第二阶段布试验孔, 根据工程地质报告和先导孔钻孔情况在大坝一端按设计孔距布置试验孔, 进行现场试验确定合适的孔距和灌浆参数。第三阶段布灌浆孔, 按现场试验确定的孔距沿防渗墙轴线布灌浆孔, 先导孔可作为灌浆孔之一。钻孔可采用任意一种钻进方式。
清河水库布置了9个先导孔, 9个试验孔, 共210个灌浆孔 (含先导孔和试验孔) , 采用回转钻进并泥浆护壁。钻孔孔距为1.5m, 孔径为130mm, 设计深度为进入基岩以下1m, 实际孔深超出设计深度0.3mm.。
2.4 制浆。
高压摆喷灌浆浆液为水泥浆。使用水泥为32.5级普通硅酸盐水泥, 水灰比为1.2:1~0.8:1, 浆液密度为1.55g/cm3~1.7g/cm3。水泥浆采用二级搅拌, 二级过滤。一级搅拌时间不少于90s, 经过滤后进入二级搅拌机, 边搅拌边过滤边使用, 过滤筛网眼尺寸为2mm。
2.5 高压灌浆。
高压摆喷灌浆在钻孔施工完成并检验合格后进行, 采用二序施工, 先喷Ⅰ序孔, 后喷Ⅱ序孔。注浆前先进行地面试喷, 检查机械及管路情况, 如水、气、浆是否畅通, 各种参数是否满足设计要求, 并调准喷射方向和摆动角度。一切正常后, 垂直下入喷管至设计深度, 先送水泥浆液, 后送水和气, 按规定参数进行原位喷射, 待孔口返出浆液密度达到1.2 g/cm3后再按设计的提升速度由下至上进行连续摆喷作业, 如果中途因故中断后恢复施工时, 应对中断孔段进行复喷, 复喷搭接长度不小于0.5 m。灌浆施工的各种技术参数见表1。
2.6 静压回灌。
当喷杆提升至距地面40cm高度时, 先停止水和气, 再停水泥浆, 由于孔内浆液会发生析水、沉淀和凝固收缩, 高喷墙体的顶部会产生凹穴, 需用水泥浆及时进行静压回灌填补。静压回灌要间断进行, 直至填筑到孔口, 浆液不再下沉时为止。每孔完成高喷灌浆后, 要对水泥浆管道系统进行冲洗, 防止管道堵塞。
3 施工记录
在高喷灌浆施工中必须每天做好施工记录, 记录中按造孔和灌浆分别记录, 记录主要内容如下:一、造孔记录:造孔记录内容包括孔号、序号、桩号、钻孔时间 (包括开钻时间和完成时间) 、钻孔深度、基岩深度、地质分层描述以及钻孔过程中出现的问题等项内容;二、高喷灌浆记录:包括孔号、序号、桩号、灌浆时间、提升速度、旋转速度、摆动角度、水、气、浆的压力和流量、浆液密度、孔口返浆情况以及出现特殊情况的处理等内容。
4 施工中特殊情况的处理
高喷灌浆施工中, 在钻孔和灌浆过程会出现塌孔、漏浆、冒浆、串孔等问题引起压力突降或骤增、孔口回浆密度或回浆量异常等情况, 此时, 必须查明原因, 及时进行处理。清河水库在高压摆喷灌浆中, 以上情况都有不同程度发生, 经过及时恰当的处理, 确保了施工进度和质量。
4.1 塌孔。
塌孔是在成孔后, 由于在钻孔部位的地层中含砂或砾石较多时, 会出现坍塌、脱落, 导至灌浆时喷射管无法下到设计深度。
解决方法:可采取加大泥浆浓度或在泥浆中加入火碱、膨润土护壁, 必要时可采用套管护壁法钻进。
4.2 漏浆。
漏浆是由于地层中存在砂、砂砾石或通道, 主要表现在钻孔或灌浆时孔口不返浆或返浆量降低。
解决方法:钻孔时可采取加大泥浆浓度、泥浆中掺加细砂或向孔内填充水玻璃等堵漏材料。灌浆时发生漏浆可采取停止喷杆提升或降低提升速度、降低喷射压力和流量、在浆液中掺入速凝剂、加大浆液密度、灌注水泥砂浆或水泥黏土浆等措施。不论是在钻孔还是灌浆过程中, 必需待孔口返浆正常后才能正常提升钻杆或喷杆。
4.3 冒浆。
冒浆是指在灌浆过程中浆液在坝坡、地面或库区底部流出或喷出。
解决方法:可采取在冒浆点加覆盖、降低灌浆压力、间断灌浆等措施。
4.4 串孔。
串孔是指在某一孔口正常灌浆时, 浆液从相临孔口返出, 说明钻孔在地下有通道相通。
解决方法:可将串孔孔口开挖清理后封闭并压重、降低灌浆压力等措施。灌浆孔结束后, 应尽快对串浆孔进行复钻至设计高程。
5 高压摆喷墙质量检查
在高压摆喷灌浆施工过程中, 应对水泥、浆液和各道工序的质量严格进行控制和检查, 灌浆结束后, 可采用大开挖检查法、钻孔取芯检查法、围井试验检查法等方法对防渗墙体进行质量检查和综合质量评定。
5.1 大开挖检查法。
沿摆喷墙体两侧或一侧进行开挖, 挖深一般2~2.5m。用肉眼直观检查Ⅰ序、Ⅱ序孔喷射距离、衔接情况, 在不同部位横向打孔取芯检查墙体厚度、强度等项指标。清河水库共开挖了5段27 m对高压摆喷墙进行检查。
5.2 钻孔取芯检查法。
高压摆喷墙完成14天后, 可在墙体上布置钻孔取芯。检查孔孔位布置在墙体中心线上的相邻两孔高压摆喷墙体的搭接处, 自上而下分段钻孔、取芯和进行静水头压水试验。每个单元工程可布置1个检查孔。清河水库按单元工程划分共布置5个检查孔, 共取38个芯样。
5.3 围井试验检查法。
围井检查需在高压摆喷墙完成7天后进行, 围井宜布置在地层复杂、漏浆严重或可能存在质量缺陷等部位, 以高压摆喷墙为一侧井壁, 进行布孔和灌浆形成井型封闭式墙体, 并对井底进行封闭, 在围井内钻孔进行注水或抽水试验。围井各面墙体轴线围成的平面面积, 砂土、粉土层中不小于3m2, 砾石、卵石层中不小于4.5m2。清河水库共布置了2个围井, 检测结果高压摆喷墙体渗透系数k=1.48×10-6cm/s, 小于设计渗透系数值 (k) =i×10-5cm/s (i=1~9) , 质量满足设计要求。
6 结束语
高压摆喷灌浆技术在穆棱市清河水库除险加固工程中得到了很好的应用, 它具有工程造价适中、防渗效果良好、施工条件要求低等优点, 随着这项技术逐步成熟, 必将在更多的防渗工程中推广和使用。
参考文献
[1]《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》, DL/T5200-2004;
[2]《黑龙江省穆棱市清河水库除险加固工程初步设计》, 黑龙江省牡丹江市水利勘测设计研究院。
不对称高压摆喷灌浆试验研究 篇2
1.1 堤坝垂直防渗墙工况特点
(1) 堤坝垂直防渗墙是堤坝承受水平渗透压力的防渗构造物, 结构单薄, 垂直于堤坝和地基中。
(2) 堤坝垂直防渗墙施工为分块或分槽孔对接成墙, 墙体一般为混凝土墙或塑性混凝土墙。
(3) 墙体缺陷一般为对接开叉、墙体下部与相对隔水层接触不好、墙体中部断层。
(4) 因堤坝及地基的不均一和造墙槽孔塌陷, 两侧墙面往往存在不规则的突出, 因此墙面不一定是规则平面。
(5) 堤坝垂直防渗墙缺陷分布具有不确定性。
(6) 堤坝垂直防渗墙隐蔽于堤坝和地基内, 目前尚无有效的检测手段能够查明墙体缺陷的准确部位。
1.2 补强工法选择
堤坝垂直防渗墙缺陷处理有堵、排两种[1,2,3]。对于渗量和渗流溢出水力坡降小的缺陷, 可以采取反滤排水法处理, 使堤坝和地基处于安全渗漏状态;对于渗量和渗流溢出水力坡降大的缺陷, 则需对垂直防渗墙缺陷进行以堵为主的补强方法处理, 使堤坝和地基渗流控制在安全状态。垂直防渗墙缺陷补强方法一般采用灌浆 (定点灌浆和高喷灌浆) 法。根据堤坝垂直防渗墙结构和缺陷特点, 定点灌浆法因被修补防渗墙缺陷位置和定点灌浆影响范围难以确定而不宜采用;高喷灌浆法具有灵活和喷射凝结体影响范围较易控制的优点。为了保证补强质量, 优化高喷灌浆工艺, 确定高喷灌浆参数, 笔者选择了“不对称高压摆喷灌浆补强法”, 并对该方法进行了试验研究。所谓“不对称”高压摆喷灌浆, 是指喷嘴的不对称。
“不对称高压摆喷灌浆补强法”的特点是将高喷灌浆与被修补的堤坝垂直防渗墙联合防渗, 这样能够有效的减少施工工法和施工控制不稳定带来的工程缺陷与被修补的堤坝垂直防渗墙缺陷相重叠的机率, 最大限度地保证工程质量。
2 不对称高压摆喷灌浆工艺特点
不对称高压摆喷灌浆方法与对称高压摆喷灌浆相同。在灌浆参数的选择方面, 因不对称高压摆喷灌浆的工作原理与对称高压摆喷灌浆基本相似, 所以不对称高压摆喷灌浆的灌浆设备和参数可参照对称高压摆喷灌浆规程来选择试验参数。不对称高压摆喷灌浆与对称高压摆喷灌浆在工艺上的主要区别是灌浆孔平面布置方式, 在满足防渗要求前提下, 为减少水泥用量, 保证高喷灌浆凝结体和被修补的堤坝垂直防渗墙的防渗功能, 喷嘴夹角采用140°或155°, 对应摆角为50°或35°的不对称方式, 使高喷灌浆凝结体与被修补的堤坝垂直防渗墙粘合成统一的防渗联合体 (见图1) , 这样可以扬堤坝垂直防渗墙强度高、高喷灌浆凝结体防渗性好之长, 避堤坝垂直防渗墙和高喷灌浆凝结体缺陷重合之短, 有效地提高防渗联合体的防渗功能。
3 不对称高压摆喷灌浆试验
3.1 试验场地工程地质条件
试验地点位于抚河中游I级阶地临河边缘, 地基为第4系冲积砂砾石单层结构, 上部为中粗砂层, 厚6.3 m, 渗透系数5.35×10-4 cm/s, 不均匀系数3.71;下部为圆砾层, 厚2.2 m, 含中粗砂30%, 砾石42%, 卵石28%, 渗透系数1.30×10-3 cm/s, 不均匀系数24.13。
3.2 不对称高压摆喷灌浆试验方案
不对称高压摆喷灌浆试验是针对抚河中游I级阶地已建射水法造混凝土垂直防渗墙缺陷修补而进行的。根据抚河中游I级阶地的地质条件和垂直防渗墙工况特点, 不对称高压摆喷灌浆试验方案见表1。
3.3 不对称高压摆喷灌浆试验参数
根据试验场地岩土层的分布情况和松散层的颗粒粒径, 在粗颗粒松散层中适当降低不对称高压摆喷灌浆提速和摆速, 基本参数见表2。
3.4 不对称高压摆喷灌浆试验主要施工设备
主要施工设备见表3。
3.5 施工工艺流程
与对称摆喷相同。
3.6 施工方法
高喷灌浆试验采用摆喷。下注浆管、静喷、摆动喷射、提升成墙和静压回灌。
3.7 试验检查
不对称高压摆喷灌浆效果检查, 采取开挖和注水试验相结合的方式进行。
第1组围井:上部中粗砂层围井内壁不平整, 井径比设计更小, 单孔喷射半径为0.80～0.95 m;下部圆砾层墙体搭接良好;渗透系数1.92×10-6 cm/s。
第2组围井:上部中粗砂层单孔有效喷射半径为0.65～0.90 m, 没有满足单孔有效喷射半径为0.70 m的要求, 搭接位置有两道长30 cm, 宽10 cm的缝隙;下部圆砾层墙体也未搭接好;注水漏水明显。
第3组围井:上部粗砂层单孔有效喷射半径为0.65～0.95 m, 下部圆砾层墙体搭接良好, 围井内径也比第4组围井小;渗透系数5.4×10-7 cm/s。
第4组围井:上部粗砂层单孔有效喷射半径为0.65～0.95 m, 围井表面成型较规则;下部圆砾层墙体搭接良好;渗透系数3.77×10-6 cm/s。
3.8 试验结果评价
从试验检查结果分析, 注水试验检查表明, 第2组围井渗透系数不能满足要求, 而其他3组围井基本满足规范渗透系数K<i×10-6 cm/s (1≤i≤9) 要求。开挖检查表明, 第1组围井内壁不平整, 井径比设计更小, 说明高喷孔距偏小;第2组围井内壁较平整, 但墙体未搭接好, 说明高喷孔距偏大;第3组围井内径也比第4组围井小, 且围井内壁较不平整, 说明高喷孔距偏小;第4组围井井壁表面成型较规则, 墙体搭接良好, 说明高喷孔距适中。试验证明, 采用HT-60型高喷灌浆机在砂砾卵石层进行不对称高压摆喷灌浆的处理深度大于20 m, 二管法凝结体有效影响半径为0.65 m, 三管法凝结体有效影响半径为0.70～0.75 m。其他主要施工选定参数见表4。
4 不对称高压摆喷灌浆工法讨论
4.1 高压喷射流冲切力对被修补防渗墙体的破坏影响分析
高喷技术主要是借助于高压射流, 通过冲击切割和强烈扰动, 使浆液在射流作用范围内扩散、充填周围土层, 并与土石粒掺混搅合, 硬化后形成凝结体, 从而改变原地层结构和组成, 以此达到加固和防渗目的。高喷冲切作用力过大可能会对被修补防渗墙体产生破坏, 因此需要对射浆能量进行必要的控制, 达到射浆能量不至于破坏被修补防渗墙体, 而又能与被修补防渗墙体很好地连接的效果。射浆能量取决于比能值E的大小[4], 其表达式为:
式中:E为每米旋喷柱耗用的能量, MJ/m;P为喷射灌浆压力, MPa;Q为射流浆量, L/min;V为提升速度, cm/min。
当采用摆喷, 摆角为β度时, 射浆能量比能值E′是:
式中:E′为摆喷射浆能量比能, MJ/m;β为摆角, °。
E′值大, 摆喷喷射半径越远, 喷嘴离被修补防渗墙体越近, 高压摆喷射流对被修补防渗墙体冲切力越大。为了不使高压摆喷射流对被修补防渗墙体产生破坏, 需要确定安全喷射距离, 在确定安全喷射距离之前, 需要确定喷嘴出口浆液作用力。根据流体力学原理求解喷嘴出口浆液作用力, 其表达式为
式中:F为浆液出口作用力, N;ρ为喷嘴内浆液压强, Pa;Q为喷嘴浆液流量, m3/s。
由试验测得高压摆喷射流凝结体在土体中的有效半径为L, 设单层土体在水平方向具均一性, 高压摆喷射流末端冲切力为0, 则喷射浆液冲切力的沿程衰减系数为 (L-Li) /L, 由此可以导出高压摆喷射流在Li位置 (以喷嘴为原点, 浆液射流方向为L轴正方向) 的冲切力为:
式中:S为试验实测高压摆喷射流凝结体在土体中的有效半径, m;Si为浆液射流方向任意位置, m。
设被修补防渗墙体设计抗压强度为Rb, 则其允许压应力表达式为:
将式 (4) 、 (6) 代入式 (5) 得到:
式中:Rb为被修补防渗墙体允许抗压强度, Pa;α为喷射流收敛圆锥角α=13°14′ (水力试验值) [5]。
解不等式 (7) , 取Si的正数解即为喷嘴至被修补防渗墙体侧面的安全喷射距离。据不对称高压摆喷灌浆试验检测结果, 二管法安全喷射距离一般为0.40～0.45 m为宜, 三管法安全喷射距离一般为0.50～0.55 m为宜。在安全喷射距离之外的高喷射流束仍然有一定的冲切力, 该冲切力不再对被修补防渗墙体。但会在被修补防渗墙体一侧墙面继续折向冲切和搅拌土体, 使凝结体与被修补墙体充分结合。为了保证凝结体和凝结体与被修补墙体结合部位的质量, 喷射结束后, 静压灌浆需持续进行, 被修补防渗墙体利用静压灌浆对周围土体产生的渗透作用, 可以促使凝结体与被修补墙体结合更加密实, 从而增强凝结体的防渗性能。
4.2 喷嘴反力对高压摆喷灌浆凝结体质量的影响分析
由于喷嘴的不对称, 当喷嘴向墙体侧面高压喷浆时, 浆液冲击墙体会有一个反力, 反力的大小由式 (3) 求得。该反力迫使喷嘴远离墙体, 喷浆导管的理论偏离值[6]为:
式中:δb为导管理论偏离值, m;F为喷嘴反力, N;L为导管长度, m;Eo为导管弹性模量, Pa;I为导管惯性矩, m4;r为导管内外直径平均值, m;t为导管壁厚度, m。
经计算, 喷浆导管偏离值大于高喷导孔直径, 喷嘴将有远离被修补墙体的趋势, 从而使凝结体不能与被修补墙体良好结合。为了在松软土体中不至于使喷浆导管偏离过大, 一般在下喷浆导管的过程中需要喷嘴微压出浆, 以保护高喷导孔孔壁稳定, 有利于高喷导孔孔壁对喷浆导管偏离的限制, 这样喷浆导管偏离值就会很小。根据不对称高压摆喷灌浆试验检测结果分析, 在不对称高压摆喷灌浆施工中, 喷浆导管偏离值可以忽略不计。
4.3 不对称高压摆喷灌浆凝结体与被修补防渗墙体连接分析
(1) 高喷灌浆与被修补墙体的连接:
根据高喷灌浆工作原理, 高喷浆对土体产生切割、搅拌和置换作用, 高喷浆在有效喷射范围内, 能与凝聚力接近0的砂土充分搅拌形成渗透系数K<i×10-6 cm/s (1≤i≤9) 的凝结体, 并与被修补墙体良好连接。
(2) 高喷灌浆凝结体上下端与被修补墙体的连接:
从图1可知, 不对称高压摆喷灌浆凝结体的上下端存在三角形“天窗”没有封闭, 对三角形“天窗”的封闭, 需根据不同工况作不同的处理。
①对于全封闭高喷灌浆凝结体, 不对称高压摆喷灌浆凝结体的上下端三角形“天窗”可以不作封闭。
②对于不对称高压摆喷灌浆凝结体为悬挂式, 或高喷灌浆凝结体顶低于正常蓄水位的情形, 不对称高压摆喷灌浆凝结体的上下端三角形“天窗”应作封闭处理。封闭处理方式可在底、顶部土体各增加0.5～1.0 m高的210°摆喷或旋喷。
5 不对称高压摆喷灌浆质量检查
不对称高压摆喷灌浆质量检查与常规高压摆喷灌浆方法一致, 有灌浆凝结体取芯、开挖检查和围井注水试验等方法。
摘要：采用不对称高压摆喷灌浆法, 对堤坝已建防渗墙缺陷进行修补处理, 在我国水利工程建设中还是首次提出。为了证明该工法的实用性和可靠性, 需要对该工法进行试验研究。试验采用HT-60型高喷灌浆机, 在砂砾卵石层进行不对称高压摆喷灌浆, 以测定不对称高压摆喷灌浆施工参数, 并对不对称高压摆喷灌浆工法进行了讨论, 重点分析了高压喷射流冲切力对被修补防渗墙体的破坏影响, 喷嘴反力对高压摆喷灌浆凝结体质量的影响和不对称高压摆喷灌浆凝结体与被修补防渗墙体连接方式。试验表明, 不对称高压摆喷灌浆工法可靠, 试验参数能够直接应用于同类岩土层中的堤坝防渗墙缺陷修补处理。
关键词：灌浆参数,高压摆喷灌浆,缺陷处理,防渗墙
参考文献
[1]王静莲.新河节制闸防渗设施破坏原因及处理[J].中国农村水利水电, 1998, (10) :34-35.
[2]陈国平.湖北堤防砂基的防渗处理[J].中国农村水利水电, 2004, (3) :67-69.
[3]尹红莲, 王河.地下坝高喷灌浆与振动沉模试验研究[J].中国农村水利水电, 2009, (3) :104-107.
[4]候娅静, 聂志坚.高压喷射灌浆技术的作用机理及其在水利工程中的应用[J].中国水利水电市场, 2004, (12) .
[5]工程地质手册编写委员会工程地质手册[Z].3版.北京:中国建筑工业出版社, 1992:875-877
高压摆喷灌浆防渗论文 篇3
1.1 项目基本情况
达开水库位于广西贵港市北部,贵港市、桂平市和来宾市武宣县交界处的大瑶山余脉龙山之中,主坝位于武宣县桐岭乡龙山雅拔屯黔江支流马来河中下游,地理位置为东经109°38′,北纬24°38′,距武宣县桐岭乡15 km,东距桂平市石龙镇20 km。水库坝址以上集雨面积为426.8 km2,水库总库容为4.24亿m3,有效库容为2.135亿m3。设计灌溉面积约为3.48万hm2(52.2万亩),有效灌溉面积约为2.02万hm2(30.31万亩)。是一座以灌溉为主,兼顾发电、养殖等综合利用效益的大(2)型水利工程。水库枢纽包括拦河主坝、1～9副坝、溢洪道、水库检修放空设施、灌溉输水设施等。本次除险加固工程有:主坝及9个副坝加固工程、溢洪道加固工程、放水设施加固工程(包括水库检修放空设施、灌溉输水设施、泄洪洞设施和灌溉发电洞等)、高架坝加固工程、防汛抢险道路、机电及金结设备安装等。
1.2 工程特征及设计要求
达开水库高压摆喷灌浆工程主要分布在3、4、5、6、7、8、9副坝及高架坝,其中3～5副坝和7～9副坝为均质土坝,填筑土的物理性状基本相同,属于中等压缩性土,勘察成果显示:坝体填土为含碎石粉质黏土,黄褐杂灰黄色,干～稍湿、硬塑状态,碎石成分为全风化砂岩、泥岩,强度低,经碾压大部分已成土状,含量30%左右,分布不均,填筑材料来自附近山体的残坡积土及全强风化砂岩及泥页岩;高架坝坝基及坝肩为残坡积含碎石粉质黏土及强～弱风化含生物碎屑泥灰岩,大部分属中等～强透水层。本次高压喷射灌浆设计总孔数601个,总灌浆量约7 510 m,高喷孔孔距均为1.2 m,高喷孔最深约为26 m,高喷防渗墙进入风化基岩2 m,采用三管法高压摆喷灌浆,摆角30°,分2道工序施工。高压喷射墙体设计质量要求:渗透系数小于1×10-5 cm/s,抗压强度≥0.5 MPa。
2 高压喷射灌浆技术原理和施工工法
2.1 高压喷射灌浆技术原理
水库大坝高压喷射灌浆是借助高压脉冲泵使注入剂(如水泥浆、水)形成高压喷射流,通过喷射装置高速水平喷入大坝土体,借助高压喷射流对大坝土体进行切割、搅拌,一边旋转或摆动切割,一边徐徐提升,使水泥浆与土质形成新的混合体,重新排列,最终凝结成桩柱或板墙状的水泥防渗体(常称作“旋喷桩”或“摆喷墙”),用以提高水库大坝防渗能力的施工技术。形成的水泥防渗体的强度要比原土体高得多,它具有可灌性好、可控性好、连接可靠等技术优点,在水库大坝坝体防渗加固等水利工程方面得到了广泛的应用。根据工程需要和地质条件,高压喷射灌浆可采用旋喷、摆喷、定喷3种形式,每种形式可采用三管法、双管法和单管法。
2.2 高压喷射灌浆工艺流程
高压喷射灌浆工艺流程是:灌浆平台搭设→测量放线→造孔→钻机移位→高喷台车就位→地面试喷→下入喷射管→高喷灌浆及提升→终孔灌浆→提出高喷管→管路冲洗→高喷台车移位→孔口回灌。
三管法高压喷射灌浆的施工顺序是:喷射管就位后先进行送气、再送水,最后送浆;灌浆结束的施工工序为先停浆、再停水,最后停气。
在水库除险加固工程中,高压喷射灌浆既是重要隐蔽工程又是工程施工的关键部位工程,必须确保其施工质量和施工安全。
3 高压喷射灌浆的质量控制
据笔者了解,目前高压喷射灌浆在各水库大坝坝体防渗加固工程中,灌浆质量有优有劣,例如有成墙的,有不成墙的;有上部成墙而下部不成墙,或成墙效果较差等。出现这些情况的原因有多方面,笔者认为主要有以下几个方面的原因:①施工及管理人员不熟悉高压喷射灌浆的技术原理和施工工法。②投入的灌浆设备不匹配或运行状态不好。③没有按规范要求认真进行灌前试验及确定灌浆参数。④灌浆过程不规范。⑤管理人员不到位或不履职,没有严格对灌浆的时间和水泥用量进行控制。⑥发现问题(如串浆、漏浆等)没有及时处理。⑦灌浆施工存在偷工减料的行为。⑧施工记录马虎或不真实等。下面结合达开水库大坝高压摆喷灌浆施工项目的监理实践,谈谈高压摆喷灌浆的质量控制要点和质量控制方法。
3.1 事前预控
3.1.1 加强技术指导,进行必要的岗前培训
达开水库大坝在灌浆施工前,参建各方的现场施工及管理人员对高压喷射灌浆的技术还没有十分了解,故在灌浆施工前,先由具有高压喷射施工管理经验的总监理工程师组织业主、设计人员、施工人员、监理人员进行设计技术交底和监理专题会,进一步熟悉设计文件、施工图纸、施工技术要求及《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》(DL/T 5200-2004)。如有必要,可聘请高压喷射灌浆技术专家对现场技术人员(包括业主、监理、施工人员)进行有针对性的高压喷射灌浆技术和相关管理培训,加强对高压喷射灌浆技术施工的指导,加深现场技术人员对高压喷射灌浆技术的认识和理解,并学以致用,从而加强对施工质量的管理和监控。施工期间,还应多创造机会安排现场技术人员到附近除险加固工地参观正在施工的高压喷射灌浆项目,听取兄弟单位的施工管理经验,为下一步灌浆施工提供参考。
3.1.2 认真抓好进场材料、设备的报验审批工作
《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》(以下简称“高喷灌浆规范”)规定:灌浆浆液宜使用水泥浆,所使用的水泥一般采用普通硅酸盐水泥,其强度等级应≥42.5 MPa《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)中已明确,普通硅酸盐水泥最低强度等级为42.5 MPa,受潮结块和过期水泥不得使用。达开水库大坝工程采用贵港台泥普通硅酸盐水泥,其强度等级为42.5R,在施工过程中为确保灌浆质量,凡出厂超过3个月或受潮结块的水泥严禁在高压喷射灌浆部位使用。要求每一批次水泥进场时,须经监理、业主及施工三方代表现场核验其数量、出厂合格证及出厂检验报告单,并进行见证取样送试验检测单位进行检验,合格并报验经监理工程师批准后才能投入使用,未经报验或报验不合格不得使用。
高压喷射灌浆工程的主要设备、工器具有:高喷台车、搅拌机、储浆桶、压力表、空气压缩机、灌浆泵及地质钻机等。
工程选用高塔架的无级调速型高喷台车,其旋转、提升和摆动性能均能满足设计要求。喷射管体具有足够刚度且连接顺直,喷嘴定向准确。本工程选用高速搅拌机,以确保浆液拌制均匀。选用双层储浆桶,每个储浆桶的容积达500 L以上,能满足连续供给高压喷射灌浆浆液的需要。
工程选用的压力表均能满足《高喷灌浆规范》规定的使用压力宜在压力表最大标值1/3～3/4之间的要求,且压力表与管路之间设有隔浆装置。压力表附有当年有效的检定证书,使用前报监理工程师审查核备。
工程选用的空气压缩机为可动式YV-3/8型,气压可达1.5 MPa,流量为3～8 m3/h,满足《高喷灌浆规范》有关气压及流量的要求。
工程采用GY-150型地质钻机,钻径为Φ110 mm,孔径大于喷射管外径(D75) 35 mm,确保其孔径满足《高喷灌浆规范》规定大于喷射管外径20 mm的要求。
上述设备进场后,监理工程师会同业主代表、设计代表对其规格、型号、性能等进行核实,确认投入的高压喷射设备匹配、完好后方可投入使用。
3.1.3 审批高压喷射灌浆试验方案
《高喷灌浆规范》规定:灌浆前应选择有代表性的地层进行高压喷射灌浆现场试验,试验目的是:①确定高压喷射灌浆的方法及其适用性。②确定有效桩径(或喷射范围)、施工参数、浆液性能要求、适宜的孔距排距、墙体防渗性能等。灌浆后5～7d要求施工单位进行开挖检查,形成试验报告,确定高压喷射灌浆施工技术参数,经参建各方代表签字确认后实施施工。本工程在8副坝和高架坝各选择了两处具有代表性的地层进行了现场试验,业主、设计、监理和施工等单位代表全程旁站监控,并通过开挖检查高压喷射成墙质量效果,发现只有高架坝第一次灌浆试验成墙效果不够理想,需要调整灌浆技术参数,进行第二次灌浆试验,8副坝的灌浆效果比较理想,搭接长度、成墙厚度等均满足设计要求。最终确定采用的高压喷射灌浆施工技术参数。
3.1.4 审批高压喷射灌浆施工方案
确定了高压喷射灌浆施工技术参数后,施工单位应及时提交灌浆专项施工方案报监理工程师审批及业主认可。监理工程师重点要对该方案的可行性、可操作性和有无违反工程建设强制性标准进行审查,包括人、材、机的管理,施工质量保证措施,施工的顺序及施工工法,先导孔的布置工序,分析施工中可能产生的质量和安全问题及采取的预控措施,灌浆产生的废水、废浆的处理方法,施工记录资料的收集和整理及单元工程质量评定等。做到有章可循,从制度上、程序上规范高压喷射灌浆的施工。
3.2 事中检查
3.2.1 检查先导孔的布置是否合理,施工是否规范
先导孔的作用是核对地层。要求抽取芯样,并存放在岩芯箱并附岩芯牌,待竣工验收时移交给业主。钻孔的有效深度应超过设计高喷墙底深度0.3 m。业主现场技术人员会同监理工程师重点检查布孔是否合理,是否抽取芯样,存放是否规范,孔深是否满足设计要求,钻孔记录是否真实完整,并将其绘制成平、剖面图作为控制其他高喷孔深度的依据。
3.2.2 钻孔质量检查要点
高压喷射灌浆孔的施工工序:按图布孔→钻机定位→先导孔→高喷Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→质量检查孔。
根据施工图纸的要求,达开水库大坝工程高喷孔孔距为1.2 m,施工放样后要求施工单位实地埋设并标明各孔序号和孔号,并把孔号引到防浪墙上,钻孔孔位与设计孔位偏差不得大于50 mm。所有钻孔的有效深度应超过设计墙底深度0.3 m以上。
钻孔施工时应采取预防孔斜的措施,要求施工时钻机安放要平稳牢固,并采用加长粗径钻具等措施。开始钻孔前用水平尺、罗盘仪校正钻机,确保孔向的精度,并将钻机牢固定位于槽口板上。本工程还结合使用KXP-2X型无线数字罗盘测斜仪进行孔斜检测,根据检测结果随时采取纠偏措施,严格控制钻孔偏斜率在允许范围内上,由监理工程师组织参建各方对每个孔进行联合检查并重点对其钻孔孔径、孔位、孔序、孔深、孔斜、入岩等情况进行签字确认。
3.2.3 灌浆质量检查要点
本工程按二序施工,先施工Ⅰ序孔再施工Ⅱ序孔,即在Ⅰ序孔的高喷墙有一定的强度后方可进行Ⅱ序孔的钻孔和灌浆。灌浆质量检查要点如下。
(1)下喷射管前,要求施工单位在地面上进行试喷,检查机械及管路运行情况,并调准喷射方向和摆动角度。下入喷射管时采用封口胶封闭喷嘴,以防止喷嘴堵塞。通过量测喷射管长度的办法来检查喷射管插入深度是否到位。
(2)加强对高压喷射灌浆的旁站监控。当喷头下至设计深度后,要求按规定参数进行原位喷射(即静喷),待浆液正常返出孔口后方可开始提升喷杆;施工过程中要对已确定的主要灌浆技术参数进行严格控制,在监理旁站记录中要准确记录各孔灌浆的各项参数、浆液材料用量、异常现象及处理情况等;灌浆结束后应要求施工单位及时利用回浆或水泥浆进行封孔回灌,直至孔口浆液不下降为止。
在高压喷射灌浆旁站过程中,现场监理应重点控制以下几个主要参数,并做好相应的记录:①提升速度。本工程采用10 cm/min的提升速度,现场监理每隔30 min左右检测一次。②水压力。本工程采用37～38 MPa,现场监理应不定时抽检水压力。如果压力过小,将无法切割土层,水泥浆从孔口流掉,无法成墙;如果压力过大,会导致大坝产生纵向裂缝。③浆液密度。本工程采用≥1.6 g/cm3的进浆密度和≥1.3g/cm3的返浆密度。现场监理每隔30 min左右检测一次进浆密度和返浆密度。④浆液流量。本工程选用65～70 L/min的浆液流量;采用三缸浆液输送机,该台输送机分为快、慢2个挡位,本工程选用快挡位。⑤气压力。本工程采用0.7～0.8 MPa,流量采用1.5 L/min,现场监理应每隔30 min左右检查一次压缩空气的压力和流量。
现场监理应将每次检查(测)的数据及时记录在“高压喷射灌浆施工监理质量检查记录表”,同时还对施工单位的记录表进行检查,确保记录及时、真实、准确。在施工过程中,现场业主代表根据施工情况进行不定期的监督检查,发现不符合施工技术要求的项目及时提出并责令其改正,确保施工正常有序进行。
(3)高压喷射灌浆的水泥消耗量和灌浆时间的控制方法。水泥用量和灌浆时间是控制高压喷射灌浆的重点和难点。高压喷射灌浆质量的好坏往往与水泥用量和灌浆时间有直接的关系。目前,大多数的高压喷射灌浆设备均没有安装有水泥浆液流量表,给水泥用量的监控工作带来一定的难度。作为业主现场技术人员和监理工程师,必须掌握水泥浆液的流量计算。如何进行水泥浆液的流量计算呢?根据近年来的施工管理实践,采取如下办法可以有效测算水泥浆液的流量大小:①量出储浆桶的直径,计算出该桶的截面积。②量出储浆桶的高度,计算出水泥浆液每下降1 cm所对应的容积。③用秒表进行测算,通过5 min或10 min桶内的浆液所下降的高度来计算该时段的浆液流量。
有了浆液流量值,高压喷射灌浆的水泥单位估算量就很容易计算。如本工程选用1.6 g/cm3的水泥浆液,提升速度为10 cm/min,浆液流量为65 L/min,则每提升1 m需要水泥约为575 kg。那么如果某灌浆孔深为10 m,则其在正常灌浆情况下大约需要水泥5 750 kg。有了水泥的估算量,现场监理就可以做到心中有数,就会知道现场的水泥存量是否满足该高喷孔的灌浆需要量,从而才能有效加以控制。
如何测算灌浆时间呢?换句话来说,即每个灌浆孔理论测算至少需要多少时间才能完成呢?根据近年来的施工管理实践,采取如下办法可以有效测算灌浆时间:在正常灌浆情况下,某高喷孔灌浆时间=灌浆孔深÷提升速度+静喷时间+中途换管时间+复喷时间。
(4)防止环境污染,弃浆回收再用的前提及原则。高压喷射灌浆的弃浆很多,造成的浪费也大,如果土质含砂量少,可以考虑对回浆沉淀后再重复利用,但要重新制浆,保证浆液浓度。
如果无法再利用,应注意设立排污池或排污沟,尽可能减少对周围环境的破坏、污染。
但在目前的水库除险加固工程中,很少利用弃浆回收再利用。本工程采用设立排污池办法,通过沉淀及时将废浆清走。
3.3 事后效果检查
达开水库大坝工程主要采取开挖检查、钻孔检查和注水试验、围井试验3种检查方式。其中每个坝均抽取2个灌浆孔进行开挖检查;每个单元布置一个检查孔进行钻孔检查和注水试验;在4、8副坝各布置一个围井进行围井试验。
(1)检查原则:①地层复杂的部位。②漏浆严重的部位。③可能存在质量缺陷的部位。
(2)时间要求:围井检查宜在高压喷射灌浆结束14 d后进行,钻孔检查宜在该部位完成28 d后进行。
(3)检查效果:本工程委托广西水利科学研究院和广西水电科学研究院进行了自检和抽检,对每个单元工程进行了检查。目前该项工作已经完成,从自检和抽检结果看,7个坝的高压喷射灌浆成墙质量较好,实测透水率全部满足设计要求。
4 结语
通过达开水库大坝高压摆喷灌浆的施工管理实践,证明高压摆喷灌浆适用于均质土坝坝体防渗工程。高压喷射灌浆技术并不复杂,关键是要加强事前的预控和指导,包括正确选择合理的灌浆技术参数,同时要规范事中的检查和监督,确保管理人员到位、履职,并强化事后的检测和验收等工作。在做好这些工作后,高压喷射灌浆的质量是可控的,可以广泛应用于水库除险加固工程。
参考文献
高压摆喷灌浆防渗论文 篇4
为解决重力坝防渗问题, 改善地基土的受力条件及边坡稳定, 提高坝体的抗剪强度, 改善地基土的变形性能, 使其在上部结构荷载作用下, 不至破坏或产生过大的变形。高压喷射灌浆技术在水库加固除险工程中的应用, 很大程度地提高了防渗能力, 减轻防洪压力, 对保障人民生命财产安全以及社会经济发展起到积极的作用, 其社会效益十分明显。
1 实例分析
杨梅畲水库位于武平县岩前镇大布村, 距岩前镇约10km, 水库控制流域面积5.6km2, 总库容101.65万m3, 是一座具防洪、灌溉及水产养殖的综合小 (一) 型水库。大坝为均质土坝, 最大坝高31.3m, 坝顶高程534.9m, 坝顶宽5m, 坝顶长86m。防洪标准为20年一遇设计, 300年一遇校核。
根据水库安全鉴定的复核成果:因大坝被水坡多处出现渗漏、基脚出现塌陷, 为保证垦田用水, 防止导流明渠侧基坑边坡滑坡失稳, 市防洪办决定对该坝进行除险加固处理。设计采用三管高压旋喷灌浆防渗桩对坝体进行加固, 灌浆孔平行坝轴线距大坝防浪墙外测2.2m单排布置, 孔距为1m, 分两序孔逐渐加密施工, 第一序孔距2m, 第二序孔距1m。范围为全坝段并向两岩延伸, 钻孔从坝顶钻至强风化岩石下限, 灌浆从强风化下限至正常蓄水位, 总的灌浆长度4235m。
2 工作原理
三管高压旋喷灌浆的工作原理:先利用钻机造孔, 然后把带有喷头的注浆管沿孔下至基石土的预定位置, 利用水、气喷射、浆液灌注搅拌混合喷射的方法。以高压把浆液从喷嘴中喷射出来, 使一定范围内的土体结构破坏, 在水泥中形成水泥土的凝结体, 从而达到防渗的目的。浆液是通过安装在钻杆 (喷杆) 杆端置于孔底的特殊喷嘴, 向周围土体高压喷射固化浆液 (一般使用水泥浆液) , 同时钻杆 (喷杆) 以一定的速度边旋转边提升, 并强制与固化浆液混合, 凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体 (见图1、2) 。
3 施工设备选择
施工设备是根据高压喷浆工艺要求, 由多种设备组装的成套设备。三管高压施工设备由钻机、泥浆泵、高压水泵、空压机、泥浆搅拌机和高压胶管等组成 (见图3示意图) 。
1-三脚架;2-卷杨机;3-转子流量计;4-高压水泵;5-空压机;6-孔口装置;7-搅拌机;8-贮浆池;9-回浆泵;10-筛子;11-喷头
(1) 造孔设备。设备的选择必须满足现场复杂地质条件要求, 坝体宽5m, 设计孔中心距防浪墙2.2m。高压灌浆施工常用的钻机是立轴式液压回转式钻机。这种钻机可液压给进及提拨钻杆, 操作方便, 适应性强。
(2) 供水设备。供水系统中主要设备是高压水泵和高压胶管。根据设计压力达到30~50MPa, 流量50~100L/min, 选择3D2-S型卧式三柱塞泵。
(3) 供气设备。三管高喷要用压缩空气与主射流同轴喷射, 以提高主射流的喷射效果。常用设备排气压力达到0.7~0.8MPa。
(4) 供浆设备。供浆设备主要包括搅拌机、注浆泵、上料机三部分。注浆泵选择压力P≥1MPa, 流量50~150L/min。
(5) 喷灌设备。主要包括垂直机架、卷杨机、旋摆机构、喷射装置。其旋摆机构是用来使喷射装置进行旋转作业的机构, 喷射管提升时进行定向喷射;喷射装置设计为三管高压喷射装置, 输送水、气、浆三种介质, 分别用高压压缩机、空气压缩机、注浆泵输送到喷射装置, 进行喷射作业 (见图2) 。
4 施工工艺及流程
4.1 施工准备
施工前必须做好以下工作:熟悉设计图纸, 了解设计参数, 准备施工材料 (水泥) , 对施工机械设备进行性能检查, 桩位放样及修建排污和灰浆拌制系统。
4.2 施工工艺参数确定
根据工程项目 (桩径1000mm) 及地质特征、工艺水平确定施工工艺技术参数。经现场试验桩试喷情况, 测量桩径直径形状, 设计最终确认其工艺参数 (1) 喷嘴直径 (双喷嘴) :2~2.30mm; (外φ5) ; (2) 高压水:40MPa, 流量70L/min; (3) 气压:0.70MPa, 气量6m3/min; (4) 浆压:0.650MPa, 流量80m3/min; (5) 提升速度:15cm/min。
4.3 施工流程
大体分为钻孔、下注浆管、喷射提升和成桩 (见图4) 。
4.4 施工流程
(1) 钻机就位。钻机就位后, 对桩机进行调平、对中, 调整桩机的垂直度, 保证钻杆与桩位一致, 偏差应在10mm以内, 钻孔垂直度误差小于0.3%;钻孔前应调试空压机、泥浆泵, 使设备运转正常;校验钻杆长度, 保证孔底标高满足设计深度。
(a) 钻孔; (b) 下注浆管; (c) 喷射提升; (d) 成桩
(2) 引孔钻进。钻机施工前, 应首先在地面进行试喷, 在钻孔机械试运转正常后, 开始引孔钻进。钻孔过程中要详细记录好钻杆节数, 保证钻孔深度的准确。
(3) 插入注浆管。引孔至设计深度后, 拔出岩芯管, 并换上喷射注浆管插入预定深度。在插管过程中, 为防止泥砂堵塞喷嘴, 要边射水边插管, 水压不得超过1MPa, 以免压力过高, 将孔壁射穿。
(4) 旋喷提升。当喷射注浆管插入设计深度后, 接通泥浆泵, 然后由下向上旋喷, 同时将泥浆清理排出。为保证桩底端的质量, 喷嘴下沉到设计深度时, 在原位置旋转10s左右, 待孔口冒浆正常后再旋喷提升。
(5) 钻机移位。旋喷提升到设计桩顶标高时停止旋喷, 提升钻头出孔口, 清洗注浆泵及输送管道, 然后将钻机移位。
5 施工质量控制要点及验收
5.1 高喷法质量控制要点
控制要点包括施工材料、钻孔深度、注浆长度、工艺参数、施工流程、桩位偏差等。本文详细介绍工艺参数控制要点:
(1) 水压和水量控制。水射流喷射压力和水量对凝结体形成的有效长度极大。压力增大产生强大的破坏力从而获得较大的防渗加固体和有效长度, 但水量大将对浆液稀释作用, 使冒出的浆液增加, 从而使凝结体有效长度质量下降。所以要选择水量和工作压力适宜的高压泵, 设计确认压力40MPa, 流量70L/min。
(2) 气压和气量控制。压缩空气形成的气幕, 可保护水射束能量不过早扩散, 增加喷射切割长度和升扬转换作用, 改变地层的颗粒级配。输气量宜选择较大值。设计确认气压0.70MPa, 气量6m3/min。
(3) 浆量和浆压控制。在水、气同轴喷射作用下, 浆液可喷射充填到气水喷射的作用范围, 浆压保持在0.650MPa, 最主要是保持浆液有足够的稠度。水灰比控制在1∶1, 流量80m3/min。
(4) 提升及旋摆速度控制。是确保施工质量非常重要因素。提升速度过快, 则有效长度过短, 且影响墙体的密实性, 过慢则耗用浆液太多, 造成不经济。经现场试验确定提升速度为15cm/min。
(5) 进浆和回浆比重控制。进浆的浆液比重是控制浆液水灰比的重要参数。通常回浆比重过低, 有可能反映成桩质量差, 或进浆水灰比过低、或喷浆量过小;回浆比重过高, 有效成桩直径小, 或进浆水灰比过高、高压射水流量过小。设计确认控制在交液比重大于1.52 (水灰比1∶1) , 要求每喷一延米检测一次。
5.2 施工质量的检验
根据设计高压旋喷桩的抗渗和强度指标要求:渗透系数K≤1×10-6cm/s, 抗压强度R≥1.5MPa。经现场注水试验渗透系数平均值4.9×10-7cm/s, 抗压强度代表值2.5MPa, 均满足设计要求。
6 施工常见问题处理
(1) 串浆处理。串浆是高喷过程中经常发生的, 遇此情况, 首先先封堵被串孔, 继续串浆孔的施工, 待其结束后尽快进行串孔的施工。
(2) 复喷处理。因机械设备故障停喷超过半小时以上均需补喷。
(3) 冒浆异常处理。冒浆量过大或不返浆都属于冒浆异常。冒浆量过大可采用以下措施解决: (1) 提高喷射注浆压力; (2) 适当缩小喷嘴孔径; (3) 提升速度适当加快。不返浆可采用以下措施解决: (1) 降低提升速度和喷射压力或进行原地注浆; (2) 加大浆液密度或进浆量; (3) 若因地层较大空隙可喷注粘土浆或加砂处理。
7 质量效果评价
该工法对坝体破坏最小, 造价低廉, 施工速度快, 工艺简单, 可成功解决坝体基坑开挖的安全问题。2013年5月19日, 武平县岩前镇遭遇百年一遇的洪涝灾害, 该工程经受了考验。经过完工验收及竣工验收, 各项设计指标均达到预期效果。
参考文献
高压摆喷灌浆防渗论文 篇5
关键词：水库,渗漏,高喷灌浆
1 工程概况
南岩水库位于上林县唐红乡龙详村, 是一座以灌溉为主, 兼顾防洪、发电等综合利用的中型水库工程, 总库容1 952万m3, 有效库容1 555万m3, 设计灌溉面积2.47万亩。水库有主坝1座, 副坝7座, 溢洪道1座, 拦洪、排涝闸各1座, 坝后电站1座。
主、副坝均为均质土坝, 基岩除南岩副坝右坝和长帅副坝为泥质灰岩外, 其余均为粉沙质泥岩, 大坝渗漏主要有坝体、接触面和基岩强风化渗漏。本工程设计对坝体和接触面进行高压旋喷灌浆, 基岩进行帷幕灌浆, 基岩灌浆深度至q≤5Lu线以下5米。
2 灌浆设计
本工程沿坝轴线布一排灌浆孔, 喷灌孔距为2米, 基岩帷幕灌浆孔距为1米, 基岩灌浆深度至q<5Ln线。高喷采用三管法, 分二个次序施工;基岩分三个次序施工。
灌浆材料水泥使用32.5强度以上普通硅酸盐水泥。
灌浆质量要求:灌浆施工结束后, 坝体帷幕连续, 搭接紧密, 渗透系数小于k<1×10-5cm/s。坝基单位吸水率q≤5Lu。
3 高压旋喷灌浆试验
3.1 试验目的及内容
按《上林县南岩水库除险加固工程帷幕灌浆及高压旋喷灌浆试验施工大纲》的要求, 工程在全面灌浆施工前要进行灌浆试验, 通过现场帷幕灌浆、高压旋喷灌浆 (三管法) 试验, 选定恰当的灌浆技术参数, 寻求一种适合于本工程的灌浆工艺和方法, 以此推广到全面施工中。重点解决以下技术参数:
(1) 高压旋喷灌浆的提升速度。
(2) 高压旋喷灌浆浆液的配合比、进浆密度。
(3) 高压旋喷灌浆的水、气、浆的压力和流量。
(4) 高压旋喷灌浆的喷嘴直径。
(5) 帷幕灌浆的浆液配比。
(6) 帷幕灌浆的压力。
3.2 试验依据
按设计图纸和参考《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》SL62-94、《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》DL/T5200-2004进行试验。
3.3 高压旋喷灌浆试验过程及结果
3.3.1 灌浆试验孔的布置
在南岩副坝选择具有代表性的坝段进行, 共布置了4个试验孔, 试验孔之间距离按设计要求喷灌2m, 帷幕灌浆1m。
3.3.2 造孔
造孔采用液压式岩心钻机回转钻进, 钻孔孔径为110mm, 满足《规范》DL/T5200-2004大于喷射管外径20mm以上的要求;钻孔深度按设计要求进入坝基岩, 钻孔垂直度为90°角, 钻孔偏斜率不超过1%。造孔达到设计孔深后先进行坝基帷幕灌浆, 再进行高压旋喷灌浆, 没有条件进行旋喷的, 用套管壁, 防止塌孔。
3.3.3 提升速度
高压旋喷灌浆采用三管法自下而上进行旋喷, 经过反复比较, 较为适合本工程土坝坝体高压旋喷灌浆的提升速度为13~18cm/min。
3.3.4 喷射参数
经过多次试验, 适合本工程土坝坝体高压旋喷灌浆的喷射参数, 水、气、浆的压力分别为35~38MPa、0.6~0.8MPa、0.2~0.8MPa, 流量分别为70~80L/min、0.8~1.2m3/min、70~80L/min。
3.3.5 浆液配合比
本次高压旋喷灌浆试验的浆液配合比:水泥浆液采用集中式配制, 所用的水灰比为1∶1、0.8∶1、0.6∶1三个比级;保证进浆密度1.5~1.7g/cm3, 返浆密度≥1.2g/cm3;并经常对进、返浆液密度的检测。
3.3.6 喷嘴直径
经过反复试验, 高压旋喷灌浆水、浆的喷嘴直径分别为1.8~1.9mm、8~10mm, 气的环状间隙为1.0~1.5mm。
3.3.7 搭接长度
在高压旋喷灌浆试验施工中, 途中拆卸喷射管时, 搭接段都进行复喷, 复喷长度均不小于20cm;因故中断时间超过30min, 对中断段复喷长度均不小于50cm。
3.3.8 每个高压旋喷灌浆试验孔结束后, 利用回浆或水泥浆及时回灌, 直到孔口浆面不下降为止。
当回浆无法利用时, 采取排放措施, 防止受到污染。
3.4 特殊情况的处理
高压旋喷灌浆过程中, 出现压力突然下降或骤增、孔口回浆密度或回浆量异常等情况时, 要查明原因, 及时处理。
高压旋喷灌浆中孔口不返浆时, 必须立即停止提升;孔口返浆少量时, 要降低提升速度。
3.5 施工记录
钻高压旋喷灌浆孔都认真做好每一回次钻进记录, 正确描述孔内地质情况, 尽量提高岩心获得率, 必要时进行岩心摄像;高压旋喷灌浆过程中要认真做好技术参数以及参数变化和大坝出现劈裂等情况的记录。
3.6 试验检测数据
灌浆试验结束后, 于2008年12月13日进行灌浆试验, 共布置1个检查孔, 布在G1-80和K1-81中间高旋凝结体的搭接处, 孔深28.3m, 坝体15.0m, 自上而下分三段做注水试验, 各段注水结果:0~5.0m段, 渗透系数K=5.6×10-6cm/s;5.0~10.0m段, 渗透系数K=4.6×10-6cm/s;10.0~15.0m段, 渗透系数K=8.6×10-6cm/s;注水试验结果满足设计要求K<1×10-5cm/s。坝基13.3m, 自上而下分三段做压水试验, 各段压水结果:15.0~19.0m段, 透水率q=3.5Lu, 19.0~23.5 m段, 透水率q=2.7Lu, 23.5~28.3m段, 透水率q=2.3Lu, 压水试验结果满足设计要求q≤5.0Lu。
通过帷幕灌浆和高压旋喷灌浆试验, 其结果达到设计要求, 所确定的技术参数符合《上林县南岩水库除险加固工程帷幕灌浆及高压旋喷灌浆试验施工大纲》的要求, 满足了《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》SL62-94和《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》DL/T5200—2004的技术标准。
4 高压旋喷灌浆施工工艺及方法
4.1 高喷灌浆施工工艺流程
4.2 高压旋喷灌浆施工设备
主要施工设备有:钻机、高喷台车、制浆机、高压水泵、空压机、灌浆泵。
4.3 高压旋喷灌浆施工技术措施
本工程防渗设施分大坝高喷帷幕和基础防渗帷幕两部分, 施工时先进行基础帷幕灌浆, 后进行高喷灌浆。高喷灌浆设计孔距2m, 基础帷幕灌浆设计孔距1 m。高喷灌浆分两个次序施工, 先施工Ⅰ次序, 后施工Ⅱ次序;基础帷幕灌浆分三个次序施工, 先施工Ⅰ次序, 次施工Ⅱ次序, 后施工Ⅲ次序。基础帷幕灌浆施工技术按《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》SL62-94执行, 下面不做详细论述。
4.3.1 钻孔定位
根据设计图纸用测量仪器在灌浆轴线上进行测量定位, 将孔位一一标出, 用木桩标定, 并按设计要求进行统一编号。孔位偏差不得超出±5 cm。
4.3.2 钻孔
造孔采用液压式岩心钻机回转钻进, 钻孔孔径为110mm, 满足《规范》DL/T5200-2004大于喷射管外径20mm以上的要求;钻到基岩后改用孔径为90mm的钻至终孔。钻孔深度按设计要求进入坝基岩, 钻孔垂直度为90°角, 钻孔偏斜率不超过1%。钻孔达到设计孔深后先进行坝基帷幕灌浆, 再进行高压旋喷灌浆, 由于进度原因没能及时旋喷的, 用套管壁, 防止塌孔。钻孔质量控制如下:
(1) 钻机安装要平稳, 开机前技术人员要用水平仪对钻机进行校平, 对钻轴进行校直。对孔位进行校准。符合要求后方可开钻。
(2) 开钻后要轻压慢钻, 钻到5米左右改用长钻具钻进。
(3) 钻进过程中, 要及时检查钻孔的垂直度, 发现偏斜应及时纠偏。
(4) 由于进度原因没有及时旋喷的, 用套管壁, 防止塌孔。
4.3.3 台车就位
施工按照逐渐加密的原则分二序进行, 先灌Ⅰ序孔, 再灌Ⅱ序孔。所以台车就位先从Ⅰ序孔开始。台车就位对顺利下喷射管影响很大, 为此台车就位时, 首先要保证高喷台车的孔口装置和钻孔同一轴心, 而且必须经水平仪找平, 这样才能保证喷射管下放顺利。台车就位后, 检查浆、气管路并试喷, 各项指标正常后, 开始下喷射管。
4.3.4 下喷射管
在下管过程中, 为防止泥砂堵塞喷嘴, 下管时边通水通气边下管, 浆压力一般不超过1MPa, 如压力过高, 则易将孔壁射塌。
4.3.5 高压旋喷灌浆
高压旋喷灌浆在钻孔施工完成并检验合格后进行, 采用二序施工, 先灌Ⅰ序孔, 再灌Ⅱ序孔。注浆前先进行地面试喷, 检查机械及管路情况, 如水、气、浆是否畅通, 各种参数是否满足设计要求, 并调准喷射方向和摆动角度。一切正常后, 垂直下入喷管至设计深度, 先送水泥浆液, 后送水和气, 按规定参数进行原位喷射, 待孔口返出浆液密度达到1.2g/cm3后再按试验确定的提升速度由下至上进行连续旋喷作业, 如果中途因故中断后恢复施工时, 应对中断孔段进行复喷, 复喷搭接长度不小于0.5m。在施工过程中, 严格按监理批准的控制参数 (经试验确定的) 进行施工操作, 未经监理批准同意, 不得变更施工控制参数。
当喷射管的喷嘴下至设计要求的高压旋喷灌浆底线后, 经监理工程师签字开始静喷 (各施工参数均达到设计要求, 且不提升喷射管) 。当冒浆比重大于设计要求的比重时, 开始按规定提速提升喷射管, 自下而上直至高压旋喷灌浆顶线后, 方停止气、水、浆的供应, 然后拆管移机。
4.3.6 回浆静压补灌
由于孔内浆液会发生析水、沉淀和凝固收缩, 高喷墙体的顶部会产生凹穴, 需用水泥浆及时进行静压回灌填补。回灌结束标准为直到浆液液面稳定为止。
5 高压旋喷灌浆施工质量控制
(1) 各灌浆孔钻孔前, 按设计孔位进行测量放线, 并标注每一孔的灌浆顺序, 钻孔结束后对钻孔进行检查并经监理认可。
(2) 在高喷过程中有专门的技术人员对各个仪表进行观察, 监视各个仪表读数, 有专人控制水泥的投入量和投入速度, 严格控制进浆量, 并每隔5分钟记录一次读数和测一次浆液比重, 确保各参数符合设计要求。
(3) 用于灌浆的任何材料必须满足“技术规范”要求的各项性能, 并有质量检验合格证书。
(4) 组织所有施工人员进行上岗前专业培训, 认真学习高喷技术并持证上岗。技术、质量人员跟班作业, 检查指导施工, 发现问题及时处理, 并把高喷灌浆技术要求和机械设备操作规程的标牌立于现场的醒目位置。
(5) 安全员跟班作业, 对施工过程进行安全监控, 确保施工过程安全。
6 施工记录
在施工中, 施工纪录必须与施工过程同时完成, 记录中按造孔和灌浆分别记录, 记录的主要内容如下:1) 造孔记录:造孔记录内容包括孔号、序号、桩号、钻孔时间 (包括开钻时间和完成时间) 、钻孔深度、基岩深度、地质分层描述以及钻孔过程中出现的问题等项内容;2) 高喷灌浆记录:包括孔号、序号、桩号、灌浆时间、提升速度、旋转速度、摆动角度、水、气、浆的压力和流量、浆液密度、孔口返浆情况以及出现特殊情况的处理等内容。
7 施工中特殊情况的处理
高喷灌浆施工中, 在钻孔和灌浆过程会出现塌孔、漏浆、冒浆、串孔等问题引起压力突降或骤增、孔口回浆密度或回浆量异常等情况, 此时, 必须查明原因, 及时进行处理。
7.1 塌孔
塌孔是在成孔后, 由于在钻孔部位的地层中含砂或砾石较多时, 会出现坍塌、脱落, 导至灌浆时喷射管无法下到设计深度。
解决方法:可采取加大泥浆浓度或在泥浆中加入火碱、膨润土护壁, 必要时可采用套管护壁法钻进。
7.2 漏浆
漏浆是由于地层中存在砂、砂砾石或通道, 主要表现在钻孔或灌浆时孔口不返浆或返浆量降低。
解决方法:钻孔时可采取加大泥浆浓度、泥浆中掺加细砂或向孔内填充水玻璃等堵漏材料。灌浆时发生漏浆可采取停止喷杆提升或降低提升速度、降低喷射压力和流量、在浆液中掺入速凝剂、加大浆液密度、灌注水泥砂浆或水泥黏土浆等措施。不论是在钻孔还是灌浆过程中, 必需待孔口返浆正常后才能正常提升钻杆或喷杆。
7.3 冒浆
冒浆是指在灌浆过程中浆液在坝坡、地面或库区底部流出或喷出。
解决方法:可采取在冒浆点加覆盖、降低灌浆压力、间断灌浆、在浆液中掺入速凝剂等措施。
7.4 串孔
串孔是指在某一孔口正常灌浆时, 浆液从相邻孔口返出, 说明钻孔在地下有通道相通。
解决方法:可将串孔孔口开挖清理后封闭并压重、降低灌浆压力等措施。灌浆孔结束后, 应尽快对串浆孔进行复钻至设计高程。
8 高压旋喷灌浆质量检查
在高压旋喷灌浆施工过程中, 应对水泥、浆液和各道工序的质量严格进行控制和检查, 灌浆结束后, 可采用大开挖检查法、钻孔取芯检查法、围井试验检查法等方法对防渗墙体进行质量检查和综合质量评定。
本工程采用围井试验检查法对高喷灌浆质量进行检查。围井检查需在高压旋喷墙完成7天后进行, 围井宜布置在地层复杂、漏浆严重或可能存在质量缺陷等部位, 以高压旋喷墙为一侧井壁, 进行布孔和灌浆形成井型封闭式墙体, 并对井底进行封闭, 在围井内钻孔进行注水试验。围井各面墙体轴线围成的平面面积, 砂土、粉土层中不小于3m2, 砾石、卵石层中不小于4.5m2。南岩水库每个坝布一个围井, 六个坝共布置了6个围井, 高压旋喷墙体渗透系数检测结果分别为:k1=1.25×10-6cm/s, k2=1.31×10-6cm/s, k3=1.39×10-6cm/s, k4=1.47×10-6cm/s, k5=2.56×10-6cm/s, k6=2.48×10-6cm/s, 小于设计渗透系数值k≤1×10-5cm/s, 质量满足设计要求。经过灌浆处理后, 坝后渗水点全部消失。
9 结论
针对高压灌浆工程施工的特点与常见的问题, 笔者认为, 做好高压灌浆工程, 要从以下几点抓起:
(1) 针对不同的地层, 施工中严格根据设计提供参数以及开工后的现场试验, 对各个参数进行具体调整, 以便使工程施工更加精密, 更加完善。
(2) 施工中严格注意各个关键部位, 做到早发现, 早处理, 早防治。
(3) 施工中加强对各个控制点的管理与控制, 做到有的放矢。
参考文献
[1]水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[Z].SL62-94.
高压摆喷灌浆防渗论文 篇6
高压摆喷灌浆技术是利用高压射流作用切割掺搅地层, 改变地层的结构和组成, 同时灌入水泥浆或复合浆形成凝结体, 借以达到加固地基和防渗的目的。具有设备简单、操作方便、质量可靠、速度快、成本低以及应用广泛等优点。主要适用于砂类土、粘土、人工填土、淤泥等软基加固。本文以新立城水库除险加固工程施工为例, 对高压摆喷灌浆在砂砾层中的使用进行分析及研究, 阐述了该工艺的设计、施工及效果分析, 证实了设计方案和施工方法的可行性。
1 工程概况
新立城水库位于伊通河中上游, 距长春市区16Km, 为伊通河流域控制性水利枢纽工程, 水库库容5.506×108m3, 控制流域面积1970Km2;工程是以长春市防洪, 供水为主, 结合天然渔业和旅游的大型水利枢纽工程;工程等别为Ⅱ等, 主要建筑物有土坝、溢洪道和输水洞, 建筑物级别为2级。新立城水库坝体为粘土均质土坝, 坝顶高程224.00m左右, 宽8.0m, 长2626m, 最大坝高18.15m。根据新立城水库除险加固工程设计报告勘察结论, 坝基存在渗透稳定和地基液化问题, 因此本次除险加固的重要内容之一是为解决坝基渗透稳定问题和地基液化问题对坝基进行高压喷射灌浆处理。
2 设计概况
2.1 新立城水库除险加固工程 (一标段) 设计大体上分为两个阶段
第一阶段:2004年11月, 设计单位编制了《吉林省新立城水库大坝安全评价报告》, 2007年11月, 水利部大坝安全管理中心以坝函[2007]2703号《关于新立城等十四座水库三类坝安全鉴定成果的核查意见》文件中将大坝安全类别综合评定Ⅲ类, 建议进行除险加固处理, 吉林省水利水电勘测设计研究院于2008年完成了《新立城水库进行除险加固工程设计报告》, 2009年2月水利部松辽水利委员会以 (松辽规计[2008]243号) 文件《关于吉林省新立城水库除险加固工程初步设计报告复核意见的函》对设计报告进行了批复。
第二阶段:2009年9月根据施工单位高压摆喷灌浆试验结果, 由设计单位提出, 经建设单位同意并报上级主管机关批准, 长春市水利局对《新立城水库进行除险加固工程设计变更申请报告》进行了批复, 同意了变更申请, 原设计及变更申请报告的主要内容有:
2.2 设计参数
高压摆喷灌浆钻孔为一排, 孔距1.3m, 分二序灌浆, 采用折线形布置, 摆角30度, 喷射轴线与防渗墙轴线夹角为25度。一序孔施工与二序孔施工的间隔时间不小于48小时, 灌浆全孔连续作业, 中途拆卸喷射管时, 搭接段进行复喷, 复喷长度不小于0.2m。
2.3 灌浆材料
灌浆所需的水泥、外加剂等材料均符合有关的材料质量标准, 并附有生产厂家的质量合格证明, 每批材料使用前均按规定进行了检查验收。
2.4 灌浆方法
高压灌浆采用三管法施工, 施工时水浆气同轴喷射。
2.5 封孔
封孔用直径1.5~2.5厘米的粘土泥球, 粘土泥球所用的粘土, 为坝体填筑所用粘土, 粘粒含量大于30%, 塑性指数大于17.0 (干容重不小于1.4g/cm3) 。对用泥浆固壁的钻孔, 采用自下而上分层填筑粘土球分层捣实逐步抬高封孔层面直至设计高程, 其具体方法见吉林省水利水电测设计研究院2009年6月《吉林省新立城水库除险加固工程坝基高压喷射灌浆施工技术要求》。
3 主要项目施工
新立城水库除险加固工程 (一标段) 按施工时间顺序分为高压摆喷灌浆试验和主体工程灌浆施工, 按工序可分为钻孔、高喷灌浆和封孔, 具体施工情况如下:
3.1 高压摆喷灌浆试验
具体施工情况参见吉林省新立城水库除险加固工程 (一标段) 高压摆喷灌浆试验报告。
3.2 主体工程高喷灌浆施工
3.2.1 钻孔
钻孔直径在Φ110mm~Φ130mm。施工时为了保护坝体的安全与稳定坝体部分采用无水干钻, 对坝基部分粘性土、淤泥质粘土、砾质粗砂和细砾可使用泥浆钻进。
钻孔过程中全孔采取岩心, 导孔岩心移交建设单位保留, 其它孔岩心保留至高喷灌浆完成并照相后弃掉。钻孔入岩深度为1.0m, 经监理批准建设单位同意岩石中钻进遇有花岗岩较硬岩体时可以提前终孔。终孔后进行钻孔测斜, 全部钻孔进行三次孔深、方位角、顶角测量;出现钻孔坍塌时进行扫孔和清孔, 保证高喷喷射装置顺利下入孔底。
3.2.2 高喷灌浆
高喷管下入孔底后应保证水、气、浆口通畅, 不堵塞。 (1) 施工初期由于钻孔完成后不能及时灌浆导致的钻孔坍塌不允许带水、带浆振动强行下管, 非上述原因导致的钻孔短时间坍塌经监理和建设单位同意可以降低水压、低流量振动下管。 (2) 严格按照设计参数进行高喷灌浆, 因事故、拆卸高喷管导致灌浆中断, 恢复灌浆时保证搭接长度在设计值允许值以内。 (3) 高喷灌浆过程中钻孔串浆时及时进行扫孔, 扫孔后进行复喷。 (4) 经常测试水泥浆液密度和回浆密度, 保证浆液密度在1.5g/cm3~1.7g/cm3, 回浆密度≥1.2g/cm3。灌浆完毕后及时进行回灌至208.0m高程。 (5) 桩号1+600.0m~1+800.0m区域因地质条件复杂深厚砾质粗砂 (2-3) 层、细砾 (2-4) 层 (最深厚度达到14.0m) 高喷灌浆采用以下工艺措施:
下高喷管遇到钻孔坍塌时, 即在钻孔坍塌位置开始自下而上高喷灌浆至208.0m高程;第二次扫孔至终孔深度如果再次遇到钻孔坍塌时即在坍塌位置开始高喷灌浆至第一次坍塌之上0.5m;重复以上过程直至整个钻孔处理完毕。遇到上述情况时在高压水中加入一定比例的水玻璃加速水泥浆液的凝固, 加入水玻璃的数量通过现场试验确定。
4 达到效果
高喷灌浆施工中使用的原材料 (水泥) 和速凝剂 (水玻璃) 经出厂、抽样检验合格;原始记录真实、准确、完整, 工序质量、单孔灌浆质量优良;围井检查结果表明单元工程质量优良;根据坝后减压井渗流量观测和高喷墙无损检测结果, 坝基高喷板墙渗透性较小, 搭接及连续性较好, 满足设计、合同文件及相关规程规范要求。
5 经验与建议
通观新立城水库除险加固工程 (一标段) 高压摆喷灌浆试验、主体工程施工全过程, 我们得出如下经验:
5.1准确把握地质条件是做好高喷灌浆设计和施工的前提和基础, 要尊重客观事实, 理论结合实际高喷灌浆质量才能够得到保证, 才会收到较好的防渗效果。
5.2 水库高水头运行在一定程度上增加了高喷灌浆施工难度。
5.3 采用化学高喷灌浆是我们今后进行生产试验研究的重点和努力的方向。
5.4 坝后减压井的渗流量与大气降雨量、汇水面积、减压井滤水管的埋藏深度、坝基含水层的渗透性等多种参数有关。
6 结语
高压摆喷灌浆施工在建设单位的领导和大力支持下, 在监理单位的监督指导下通过灌浆试验获取最优高喷灌浆参数, 施工中严格按照经设计单位调整后的高喷灌浆参数进行施工, 对各工序、各高喷灌浆孔、单元工程以及整个分部工程质量进行控制, 保证了整个高喷灌浆工程质量, 施工后所形成的高喷板墙防渗性能、整体性能和连续性能均满足设计要求和相关规程规范要求。
参考文献
[1]池毓笑.高压旋喷防渗墙施工工艺探究[J].内蒙古水利, 2012 (03) .
【高压摆喷灌浆防渗论文】推荐阅读：
高压摆喷灌浆技术10-15
三管高压旋喷灌浆10-24
高压喷射灌浆防渗技术06-18
高压灌浆11-25
高压灌浆防水堵漏施工方案09-28
高压超高压论文05-13
灌浆防渗01-07
高压单相论文10-11
高压管道论文12-31
灌浆防渗处理06-27