亭子口水利樞紐工程導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 高壓旋噴參數取值概述

1.1 目的

為了進一步論證高壓旋噴防滲墻應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參數的合理性，通過試驗，找到適合于亭子口水利樞紐工程的最優(yōu)的高壓旋噴防技術參數，為后期工程高壓旋噴防滲設計、施工提供參考資料。

1.2 高壓旋噴灌漿施工

當噴具下入到設計深度后，啟動旋擺機，按照初定的值調節(jié)風、水、漿的流量、壓力和噴具的旋轉速度，待孔口返漿，泥漿比重達到要求后，開始提升，邊旋轉邊提升，自下而上，直至距孔口50cm處停止。在高壓旋噴灌漿過程中，要時刻注意檢查施工機具運轉是否正常，風、水、漿的流量、壓力，進漿、返漿比重及旋轉、提升速度等參數是否符合初設值。

1.3 特殊情況處理

高壓旋噴施工過程中因故中斷后應立即停止提升，記錄中斷深度。機械故障要盡力縮短中斷時間。若長時間不能恢復的，應提出噴具，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)進行噴射灌漿。

2 高壓旋噴生產性試驗

為了進一步確定高壓旋噴防滲墻應用于亭子口水利樞紐導流明渠圍堰的防滲效果以及驗證根據前期參數實驗取得參數合理性，在施工現場進行高壓噴射灌漿生產性試驗。

2.1 高壓旋噴施工準備

根據前期高壓旋噴參數實驗和亭子口水利樞紐工程實際情況，在本項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目鈣基膨潤土；④純堿：碳酸鈉。

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

（3）配制漿液的加料順序。水泥-膨潤土漿：水→碳酸鈉→膨潤土→水泥→使用。

2.2 檢測

試驗檢測以柱列式防滲墻外側開挖直觀其成墻效果和鉆孔注水兩種方式進行。

墻體防滲指標：防滲墻的滲透系數：k≤1×10-5cm/s。

2.2.1 開挖檢測

墻體開挖：高壓旋噴墻內側為覆蓋層密實體，為了不破壞其天然的防滲效果，采取單側開挖，開挖深度為4.0m，開挖長度為12.0m。

2.2.2 注水檢測

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。

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

（2）計算公式：滲透系數計算按下式進行：

當L/D＞4時，

式中：K—滲透系數（cm/s）；

q—平均注水量（cm3/s）；

L—試驗段長度（cm）；

H—孔中固定靜水頭（cm）；

D—造孔直徑（cm）。

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

地層透水率q為1Lu時，約相當于滲透系數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。

透水率計算按下式進行：

式中：q—透水率（Lu）；

Q—流量（L/min）；

P—壓力（MPa）；

L—試驗段長（m）。

3 高壓旋噴生產性試驗中的參數取值分析

3.1 高壓旋噴參數取值分析

本次試驗進行了高壓旋擺頻率對比、高壓旋噴提升速度對比、高壓旋噴能量對比、高壓旋噴風量風壓對比試驗，對比試驗均是采用三管法進行的，其試驗成果分析如下。

3.1.1 高壓旋噴旋擺頻率對比

高壓旋擺頻率對比試驗了四個孔，孔號為：S1、S2、S3、S4，噴射方式，擺噴。

試驗地層：粉細砂層。

高壓旋噴參數如下：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分析，采用開挖檢查，發(fā)現：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，從而導致了工程量的增加和成本的增加，所以旋擺頻率不能過快，應選擇一個比較經濟合理的旋擺頻率。

3.1.2 高壓旋噴提升速度對比

高壓旋噴提升速度對比試驗三個孔，孔號為：S5、S6、S7，噴射方式，擺噴。

試驗地層：粉細砂層。

高壓旋噴參數如下：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。

墻體測量成果：墻體半徑分別為220、160、130cm。

通過上述對比試驗可知：在其他高壓旋噴參數一定的情況下，提升速度越快，所成墻半徑越小。通過本試驗是得到了提升速度越慢，半徑越大的結論，但在實際工程應用中，絕不可以一味地降低速度以增加墻體直徑，這將會造成很大的浪費。

3.1.3 高壓旋噴能量對比

高壓旋噴提升速度對比試驗三個孔，孔號為：S8、S9、S10、S11，噴射方式，擺噴。

試驗地層：粉細砂層。

高壓旋噴參數如下：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。墻體測量成果：墻體半徑分別為217、190、175、160cm。通過上述對比試驗可知：高壓旋噴能量越大，成墻尺寸越大。

3.1.4 高壓旋噴風量風壓對比

高壓旋噴風量風壓對比試驗了三個孔，孔號為：S12、S13、S14，噴射方式，擺噴。

試驗地層：粉細砂層。

高壓旋噴參數如下：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。

墻體測量成果：墻體半徑分別為175、60、230cm。

通過上述對比試驗可知：高壓旋噴風量風壓越大，所形成的墻體半徑越大，特別是不用風，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，使噴射流的能量不致很快衰減。

3.1.5 高壓旋噴護壁對比

高壓旋噴風量風壓對比試驗了三個孔，孔號為：S15、S16、S17，噴射方式，旋噴。

試驗地層：粉細砂層。

高壓旋噴參數如下：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，護壁方式分別為PVC管護壁、不護壁、泥漿護壁。

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

墻體測量成果：墻體半徑分別為190、190、63cm。

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

3.2 試驗參數取值分析小結

經過以上取值分析，我們可以得到高壓旋噴參數與旋噴樁體直徑存在如下關系：

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

（2）通過提升速度試驗發(fā)現：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發(fā)現：高壓旋噴能量越高，墻體半徑越大。

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

4 高壓旋噴生產性試驗中防滲墻防滲效果分析

4.1 生產性中防滲墻防滲效果分析

4.1.1 防滲墻開挖分析

根據開挖后直觀檢查和對樁體直徑測量結果進行分析得：

（1）樁體搭接厚度滿足設計要求，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，水泥膠結體均勻，該工藝和高壓旋噴參數對本工程是可行的。

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

（4）在人工填筑層發(fā)現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，因為人工填筑層（主要成分為粘土）的強度不高，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大，直至高壓噴射漿液的能量消耗盡為止。這個時候已經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越大。所以，在人工填筑層部位的樁體中水泥漿液也會偏少。

（5）在防滲墻開挖后，我們還發(fā)現在孤石的周圍有少量的微小裂縫存在，樁體的防滲質量存在隱患。就其原因：孤石的體積和強度都較大，在灌漿過程中，高壓噴射漿液也不能破壞和攪動它，以致孤石周圍的水泥漿液也是靠滲流的形式將其包裹的，有時候將會因為漿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)現樁體在此有縮小的現象。究其原因：為兩種地層對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，或是由于鉆孔班報不夠準確。解決方法有：首先要保證鉆孔班報的準確性；二是要嚴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50cm范圍內降低提速。

4.1.2 防滲墻注水試驗結果分析

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

表1 試驗孔注水試驗成果

另外，我們在灌漿施工過程中遇到漏漿、串孔、串漿現象時，采取的相應措施見表2。

表2 灌漿施工過程中針對不同現象采取措施

如果在施工過程中遇到上述現象，還可以采取其他一些有效措施，如發(fā)現漏漿時，可以采取在孔口加入適量的水玻璃以縮短漿液的凝結時間、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，這樣既能夠達到處理地基的目的，也能夠更加經濟。

5 結語

通過此次試驗可得到如下結論：

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

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

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

（4）高壓旋噴風量風壓對比。在其他高壓旋噴參數一定的情況下，風量風壓對高壓旋噴成樁的影響情況如下：風量風壓越大，高壓旋噴墻體的半徑越大，特別是不用風，對高壓旋噴樁體半徑影響是常規(guī)用風的2～3倍，從所有的高壓旋噴樁體開挖情況來看，風在高壓旋噴成墻中的作用非常重要。

（5）護壁對比。本次采用了三種護壁方式：不護壁、泥漿護壁、PVC管護壁，在其他高壓旋噴參數一定的情況下，不同護壁方式對高壓旋噴成樁的影響情況如下：成墻半徑從大到小排列為：不護壁、PVC管護壁、泥漿護壁。其中，泥漿護壁成墻最小。

（6）采用PVC管護壁、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-膨潤土漿液，這種漿液結石率高、析水率低，很適合人工填筑體圍堰防滲。

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

（9）通過此次生產性試驗，證明了前期的高壓旋噴參數試驗是非常合理的、切合實際的。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量要求。

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