三管法高壓噴射灌漿技術在水利水電工程施工中的應用分析

蔡家華

（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523003）

0 引言

某水庫堤壩位于河上游，以防洪、灌溉為主，兼顧發電、旅游開發。水庫堤壩為黏土心墻砂殼壩，現狀壩頂高程與長度分別為74.8m、308m，壩基為7.5～8.2m厚砂礫石覆蓋層。受初期建設條件所限，壩基砂礫石覆蓋層采用水上拋土填筑，防滲質量不佳。自蓄水運行以來，水庫堤壩砂礫鋪蓋多處出現裂縫，壩基滲漏問題嚴重，致使堤壩處于不安全運行狀態。利用高壓噴射灌漿技術，可解決水庫堤壩基礎滲漏問題。本文結合該水庫堤壩實際情況，對采用三管法高壓噴射灌漿技術解決其基礎滲漏問題進行分析。

1 高壓噴射灌漿技術工藝原理

高壓噴射灌漿技術是借助鉆機造孔后，將帶噴頭灌漿管下放到土層預定位置。設定較高壓力，噴射漿液（或水）。高壓噴射流可以沖擊破壞土層，促使土體松散、土粒剝落，部分細顆粒隨漿液冒出地面，部分在土體內的細顆粒與灌入漿液混合成凝結體。高壓噴射灌漿技術主要借助噴射流做功，具體見圖1所示。

圖1 高壓噴射灌漿噴射流做功示意圖

圖1中，P為噴嘴入口流速壓力（Pa），ρ為泵壓力（Pa），Q為流量（m3/s）。由圖1可知，在高壓高速條件下，單位時間內由噴嘴射出流體含有較大能量，可以在一段時間內做功破壞土體，并為水泥漿液擴散、充填、置換提供空間，打造壩體內部具備滲流切斷功能的連續防滲墻。

2 高壓噴射灌漿技術類型

高壓噴射灌漿技術可以分為單管法、二管法、三管法、多管法幾種類型[1]。其中單管法主要是借助高壓泥漿泵，以超20MPa的壓力由噴射管下部噴嘴噴出水泥漿，水泥漿可破壞地層并在地層內與局部土體顆粒混合攪拌，最終形成樁徑達0.75±0.15m的凝結體。

二管法主要是借助二通道噴射管，設定超30MPa的高壓水泥漿噴射壓力以及0.75±0.05MPa左右的空氣噴射壓力，在同一時刻沖擊攪拌土體，借由高壓漿液射流、外圈環繞氣流破壞地層，最終形成樁徑1.0～1.8m的凝結體。

三管法主要是借助三通道噴射管，內嘴高壓水噴射壓力設定為45±15MPa，內嘴空氣噴射壓力設定為0.75±0.05MPa、下方噴嘴稠漿（相對密度1.6g/cm3）噴射壓力設定為0.15±0.05MPa，先開啟內嘴噴射高壓水、環繞氣流，再開啟下方噴嘴噴射泥漿，使下方稠漿與土體顆粒摻和為凝結體。

多管法主要是先在地面鉆孔再放入多重管，借助逐漸向下旋轉的超高壓射流破壞周邊土體。同時由高壓水沖擊切削土體、礫石，經真空泵抽出多重管內泥漿，循環高壓水沖擊-真空泵抽出操作，獲得較大填充空間。內部按比例填充砂漿、礫石等材料可以獲得大直徑柱狀固結體。

3 三管法高壓噴射灌漿技術施工要點

根據該水庫堤壩防滲施工難度大、影響程度高的特點，選擇三管法高壓噴射灌漿技術施工。

3.1 施工準備

在施工前期，根據高壓噴射灌漿工藝要求，準備由供氣系統、造孔系統、供漿系統、提升機架系統、孔口裝置系統、供水系統等組成的高壓噴射灌漿設備，見圖2所示。

圖2 高壓噴射灌漿設備結構[2]

在設備布置完畢后，以原壩砂礫石層為對象，開展高壓噴射防滲墻試驗，確定最佳孔距以及高壓水、水泥漿、壓縮氣體的技術參數，具體見表1。

表1 高壓噴射灌漿技術參數

表1中，漿液為P·O32.5MPa水泥與水拌和而成的純水泥漿（水灰比0.7～1.0∶1），漿液比重超出1.65±1.70g/cm3。拌和裝置為90kW 的灰漿攪拌機以及7.5kW 的泥漿攪拌機。

除此之外，在正式操作前，應平整場地，使工作平臺寬度超出6m、起伏差超出10cm，為樁機機架的穩固、垂直安置提供良好條件。同時可以搭建電力資源、水力資源供應系統，在堆料空間大、進料方便的位置布置制漿站點以及灌漿泵、攪拌機、貯漿桶，確保制漿站供漿量超出4.5m3/h[3]。

3.2 鉆孔處理

在鉆孔前，借助經緯儀配合鋼尺定位放線，確定不同高壓噴射灌漿孔的位置（孔位偏差≤2cm）后借助定位標尺標注。在放樣位置，布置10個旋噴孔，形成圍井（見圖3）。

圖3 鉆孔圍井

圖3中兩孔中心間距為1.0～1.2m，以便在最終封閉的2孔鉆成后圍井內抽水水差達到5.5±0.5m，進而在動水條件下旋噴[4]。

在鉆孔處理時，應對準鉆孔（圍井中心），借助水平尺控制機身平穩牢固且主軸維持鉛直狀態（把桿中心、孔位中心、立軸中心處于同一垂直線上）。進而由磨盤鉆搭配Φ50mm鉆桿深入基巖，泥漿護壁兩段鉆孔，先鉆入基巖層1.0m 以上，再鉆孔至設計深度。兩段鉆孔偏差均需≤1.5±0.5cm。同時借助測斜儀測量孔斜率，檢測頻率為1次/5m，以便及時發現并糾正孔傾斜問題。

3.3 噴射桿設置

在鉆孔完畢后，需要先移除鉆機，再將高壓噴射桿移動到孔位，全程著重控制鉆孔、高壓噴射之間的作業距離，且造孔、高壓噴射時間間隔<7d。

在達到噴射條件后，根據高壓噴射灌漿作業速度、鉆孔作業速度差異，選擇一臺高壓噴射臺車與多臺鉆機相搭配，規避高壓噴射臺車過于頻繁移動引發的塌孔現象。噴射桿（見圖4所示）設置時，可以根據設計深度，將噴射桿對準噴射方向，邊低壓輸送水、氣、漿液邊下放噴射桿，或者在下放噴射桿前將塑料布包扎在端頭，避免噴嘴堵塞。

圖4 高壓噴射桿結構[5]

3.4 高壓噴射

在噴射管下降到設計深度后，應高壓噴射2±1min的水、氣、漿。高壓噴射流量計算公式見式（1）：

式中：

Q——高壓噴射流量，m3/s；

μ0——流量系數，工程所用圓錐形噴嘴流量系數為0.964；

F0——噴嘴出口面積，m2；

Φ——噴嘴流速系數，工程所用圓錐形噴嘴流速系數為0.963；

g——重力加速度，9.81m/s2；

P——噴嘴入口流速壓力，Pa；

r——水的容重，9.8kN/m3。

在噴嘴出口孔徑為3.0mm 的情況下，射流速度為192m/s，噴射流功率為24.1kW，噴嘴入口壓力為20MPa，高壓噴射流量為166.07m3/s。

根據設計流量，可以借助7.5kW 的高噴臺車以及90kW的高壓水泵、40kW的空壓機，連續灌注至漿液冒出孔口，同時依據預先設定擺動速度、旋轉速度、提升速度，從下層到上層操作，同步噴射、轉動、擺動，對于廢棄漿液則經管道，在泥漿泵驅動下向溢流壩下游地區排放[6]。噴灌分兩個步驟：第一步是利用高壓水切割地面，靜噴至孔口回漿達到設計標準；第二步是邊提升邊利用高壓水泥漿切割填充壩基，在復合地層形成不間斷均勻防滲凝結體。全孔不間斷作業，在孔口回漿量≥噴射漿量20%時，提高噴射壓力、加快提升速度。重復多次操作，每孔灌注漿液前均需清洗噴灌，確保噴射質量。

結束灌漿時，可以提升噴射桿到設計高度并關停水、氣、漿輸送管路。進而在噴管拆卸后，重復噴灌0.3m長。若噴射期間因事故而中斷3h以內，則在下一次噴灌前重復噴漿0.5m長；在噴漿期間因事故而中斷3h以上，則借助鉆機重新掃孔灌漿。

3.5 噴射管理

在噴射進入尾聲時，應第一時間逐一清洗管路，避免殘渣過多干擾下一孔噴射灌漿[7]。隨即向噴射孔內充填灌漿至孔口漿液面不再下沉，避免漿液析水引發的凝結體頂部凹陷。

在封閉式垂直防滲凝結體設置的基礎上，為進一步減少滲流量，可以先調低水庫進水前池運行速度，再面向前池臨近泵房平底段布設Ф100@1.6m冒水孔。冒水孔整體布置為梅花形，冒水孔下方為反濾層，實現水流的完全截斷。

噴射處理28d 后，借助GXY 型鉆機（搭配金剛石鉆頭）下鉆8m深取樣，檢查高壓噴灌凝結體質量。得出：樁柱直徑均超出1.4m，平均樁徑在1.65±0.05m之間。同時全部旋噴樁體卵石被水泥漿包裹，樁與基巖、樁與樁間膠結狀態良好，砂卵石層凝結強度較高。在靜水位為43.56m、動水位為36.85～38.52m時，水量在1.55～1.97m3/h之間，滲透系數均值為4.83×10-5cm/s，實測滲漏量顯著減小，且水庫水平段抗滲穩定性系數達到10.55×10-5cm/s，抗壓強度為3.4MPa，達到《水閘設計規范》（SL265）關于砂卵石土層允許抗壓強度的要求。表明高壓旋噴灌漿后凝結體抗滲能力較強，達到設計要求。

4 結束語

綜上所述，病險壩防滲薄弱部位多為壩基，利用高壓噴射灌漿法可以直達壩基，沖擊攪拌薄弱部位，獲得防滲凝結體，防滲加固效果較好，且操作成本較低。該工程采用三管法高壓噴射灌漿技術的實踐，不僅收到了預期的效果，還積累了應用該技術的經驗，即結合工程實際情況，選擇適宜的高壓噴射灌漿技術類型，進而根據技術原理，準備噴射桿，設計噴射參數，加強噴射過程管理，確保高壓噴射灌漿效果。