（水利工程专业论文）大粒径地层高压喷射灌浆防渗技术.pdf

大粒径地层高压喷射灌浆防渗技术 摘要 我国许多已建、在建或待建的水利工程都座落于大粒径地层上。大粒径地层 系指大于2 c m 以上颗粒含量占多数的不均匀地层，包括砾卵石层、卵漂石层、块 石层以及它们的混合地层。这类地层广泛存在于山区河床，山前坡地等第四系覆 盖层中。另外，某些人工形成的含大量石块、石渣、建筑弃料的回填土也归属于 大粒径地层。大粒径地层的一个显著特点是强透水性，在水头作用下不但漏水严 重而且易产生管漏破坏，从而导致基础失稳，造成上部建筑物损坏。所以一旦要 求在大粒径地层上进行重要建筑，往往需要对地基进行防渗加固处理。传统的处 理措施一般多采用混凝土防渗墙和静压帷幕灌浆等方法，这些方法由于工艺和技 术方面的原因有时很难满足工期和质量的要求，同时工程造价也较高，许多工程 地基处理不当造成重大损失。因此开展“大粒径地层高压喷射灌浆防渗技术” 研究课题具有较大的社会经济意义。 本论文主要包括四部分内容：高压喷射灌浆技术概况，大粒径地层高压喷射 灌浆防渗技术，工程应用实例和结语等内容。其中第二部分( 大粒径地层高压喷 射灌浆防渗技术) 详述了大粒径地层高喷灌浆成墙机理，高喷灌浆设计，高喷灌 浆施工工艺及设备，质量检控与墙体质量检查；第三部分别介绍了两个工程实例。 本论文研究的“大粒径地层高压喷射灌浆防渗技术”成果，从理论上阐述了 大粒径地层中高喷成墙条件和机理；提出了设计原则和施工设备，施工工艺、施 工方法，把高喷灌浆处理大粒径地层的防渗加固技术提高到了一个新的水平，并 产生了很大的经济、社会效益。 关键词：大粒径高喷灌浆防渗 a n t i 。s e e p a g e7 i e c h n i q u eb yh i g h p r e s s u r ej e tg r o u t i n g i ns t r a t aw i t hb i gg r a i ns i z e a b s t r a c t ：i no u rc o u i l t 啪l o t so fh y d r op r o j e c t s ，w i l i c hw c r eb l l i ho ra r eb e i n gb i l i l to r 、 d l lb eb u i l t ，a r e l o c a t e d ms 眦a 诵t l lb i gg r a i ns i z e t h cs 仃a 【诅谢m b 培g r a i ns i z e m e a n t 1 1 en o n l l l l i f - o r n ls t r a t ai nw l l i c ht h ep e r c c n t a g eo fg r a i nm o r et l l a n2 c mc o n s t i t u t c s l e m 旬o r i 吼i n c l u d i n gg r a v e ls 订a 饥e r r a t i cb l o c kf o m ，n l b b l el a y e ra i l dt 1 1 e i rm i x i n gl a e l t l l i sh n do fs t r a t ai sd i g 缸b u t e d 耐d e l yi n 山eq 眦t e m a r ) ro v e r b 删e nl a y e ro fm o l l i 】t a j n r i v e r b e d s 趾dm o 硼【协i i ls l o p i n gf i e l d i na d d i t i o n ，m eb a c k n l ll a y e r 谢t l ls t o n eb l o c k s a n dr o c kd r e g sa n db u i l d 洫gd e r e l i c ta l s ob e l o n g st ot l l em a t a 、i t l lb i gg r a i ns i z e i l lt 1 1 e s 呲a 谢t l lb 蟾g r a i ns i z e ，i ti so f s 的n gp e r n l e a b i l i 何 u n d e rt h ea c t i o o f w a t e rh e a d ，t h e s e r i o u sw 栅1 e a k a g el e a d st o 血ef o u n 捌o no m o f 曲l b i l i t ya n db i l i l d i i l g sd 锄a g e d i t n e e d sa m i 。s e e p a g ea n ds 呦g i l l e t l i n gt r e a t m e n tw h e nb u i l d i n g0 nt l l es t r a 协、v i mb i g 伊a i n s i z e n e a i l t i s e 印a g ec o l l c r e t ew a l la i l ds t a t i cc l l n a i ng r 0 1 m n ga n do t l l e r 啪y sa r co f t e n u s e di nl l 】e 柏d i t i o n a l 臼n 1 1 e n t i ti sd i 历c u l tf o rt l l ea b o v e _ m c n i o n e dw a y st om e e tt 1 1 e d e m a i l do fp r 蜘e c tq u a l i t ya n d 血n el i m i t sw i m l l i g hc o s tb e c a u s co f t e c c s 甜l dt e c h i l i c a l c a u s e s i fi ti sn o tb et i a t e dp r o p e r l y 血f o l l i l 捌o n ，i tw i l ll e a d st os e r i o u sl o s s e s t h u s m es t u d yo nm ea i l t i s e 印a g et e c l l i l i q u eb yl l i 业- p r e s s l l r ej e tg r o u 血gi ns t r a 诅w i 血b i g 孕a i l ls i z ei so fg r e a ts o c i a la 1 1 de c o n o m i cs i 鲫f l c a l l c e t h e r ca r cf i o u rp a r t si nt h ep a p c r ，i n c l u d i n g 也ei n t r o d u c t i o no fm eh i g h p r e s s l l r ej e t g m u 曲gt e c h i l i q u e ，t h et e c h 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dm e c h a i l i s mi ns t r a t a w i 也b i gf a i l ls i z ei nat 1 1 e o r e t i c a lw a y ，p u t sf o n v a r d 也ed e s i g np r i n c i p l ea n dc o n s 觚l c t i o n e q u i p m e n t 粕dt e c l l i l i c s t h ea m i - s e e p a g e 趾ds t r e n g t l l e i l i n gt e c l l i l i q u eh a sb e e nr a i s e dt 0a n e wl e v e lw i m 母e a te c o n o i i l i c 趾ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：b i gg r a i ns i z e ，h i g h - p r e s s u r ej e tg r o u t m g ，a m i s e 印a g c 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 一1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 插图清单 旋、定、摆喷凝结体形状4 压力p 与喷射距离l 的关系8 大颗粒地层结构类型1 0 大粒径地层高喷墙结构型式1 2 喷射长度与密实度的关系1 3 风化砂中比能与桩径关系1 3 孔距孔深有效直径关系1 4 施工程序图1 6 大颗粒地层高喷旆工工艺流程图1 7 射流交叉式喷射1 9 高喷灌浆设备组装示意图2 l 三管喷射装置2 3 水龙头结构图示意图2 3 喷嘴结构图2 3 三管不同心承插式连接型式2 3 围井注水试验示意图2 5 试验轴线地质剖面图2 6 二期围堰高压喷射灌浆生产性试验平面布置图2 9 围井布置图3 4 地质剖面图3 5 库水位、渗流量及测压管水位观测曲线3 7 表格清单 表1 一l 凝结体性质指标 表1 2 凝结体渗透坡降 表2 1 大粒径地层孔距经验数据 表2 - 2 高压喷浆基本喷射参数表 表2 3 各种高喷灌浆法主要施工设备一览表 表2 4 设备性能指标表 表3 1 补充标贯成果 表3 2 高喷灌浆试验施工参数表 表3 3 围井注水试验成果表 表3 。4k 值计算结果 表3 5 墙体结石力学性能指标试验结果 表3 6 主要施工设备性能表 表3 、7 工效分析表 o ， b 加 加 挖 勰 凹 如 孔 孔 娩 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金篷兰些塞堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名南印孝 签字日期：聊彳年r ，月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒魍王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权盒胆王堡盔掌可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 南节筝 导师签名； 签字日期：亭年，f 月4 日签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：山东省水利科学研究院 通讯地址：济南市历山路1 2 5 号 电话：13 8 0 8 9 2 5 6 0 0 邮编：2 5 0 0 1 3 致谢 本人在三年的硕士研究生课程和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我的 导师完海鹰教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题、还是到收集资料、论文 成稿，都倾注了溉鹰老师的心血，由衷感谢热鹰老师在学业指导及各方面所给 予我的关心及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，老师广博的学识、严谨的 治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我在 今后的工作中发扬光大。 同时，真诚感谢土木工程学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理 论基础，并创造了许多必要条件和学习机会；感谢人事处的领导和同仁们，在我课 程学习和论文撰写期间，给予我的大力支持。 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：高印军 2 0 0 5 年9 月 第一章综述 我国水库大坝、江河大堤大部分为土坝土堤，这些工程多数是五六十年代 兴建的，有些工程除了当时设计防洪标准低外，出现的主要问题是土坝的变形 和渗透稳定得不到保证，这是影响水利枢纽工程安全运行的主要因素。在稳定 方面出现的问题，既有因设计旌工造成的堤身质量缺陷引起的，如有的均质土 坝填料颗粒粗却无防渗体系，渗流稳定得不到保证；有的砂壳土石坝，砂壳不 碾压或碾压不密实，大坝出现一些严重的裂缝，导致渗透破坏。也有因地基造 成的，如有些挡水枢纽工程由于对强透水覆盖层地基未做清基处理：或清基不 彻底又未做防渗处理；或对可能出现的与基岩接触冲刷变形未做处理，致使工 程建成以后发生了严重深漏或渗透变形破坏“1 。这是一个需要解决的问题。另 外，我国大量水电站围堰建在深厚的强透水地基上，基坑开挖需要对地基进行 防渗处理。解决上述问题的技术措施很多，按施工工艺主要有混凝土防渗墙、 深层搅拌法、静压灌浆法和高压喷射灌浆技术等；按墙体防渗材料可分为刚性 材料和柔性材料，刚性材料有砼、黏土砼，柔性材料有固化灰浆塑性砼、塑料 薄膜等。这些工程措施各有其特点及适用范围( 本章重点介绍高压喷射灌浆技 术) 。 1 1 混凝土防渗墙 国内外常用的造槽方法有：冲击钻机造槽、抓斗挖槽、轮铣造槽、回转式 造槽、射水法造槽、锯槽法造槽造槽等。上述方法成槽后浇筑混凝土形成混凝 士防渗墙。 冲击钻机造槽、抓斗挖槽、轮铣造槽、回转式造槽混凝土连续墙适应粘土 层、粉土、砂层、卵砾石层，甚至孤石、漂石和基岩等地层，成墙深度可达8 0 米以上。 射水法造槽、锯槽法造槽造槽成墙深度一般在3 0 m 以内，适应粉土、砂土 和砂砾石层。 近十年来，我国大型混凝土防渗墙施工深度由四川铜街予水电站围堰混凝 土防渗墙7 4 4 m 到小浪底主坝混凝土防渗墙墙深达到8 1 9 m 。液压铣槽机、抓 斗等高效机械已成为施工主力设备，摆脱了长期依赖旧式冲击钻机的局面；塑 性混凝土进一步推广应用。 1 2 深层搅拌法 深层搅拌法是通过搅拌桩机将水泥浆和外加剂注入地层，并与地基土搅拌 混合形成水泥土桩柱。将单根的深层搅拌桩搭接连锁形成水泥土连续墙，可以 用作堤坝和地基防渗。深层搅拌法技术由北京振冲公司江河截渗工程公司引入 堤防防渗以来发展很快，其搅拌桩机由初期的单头搅、双头搅、四头搅发展到 五头搅、六头搅，自动化程度也不断提高。 深层搅拌法适用于淤泥质土、粉质粘土、粉土和松砂等地层。旌工深度 一般在2 0 m 以内。由于深层搅拌水泥土防渗墙技术性能指标适宜，操作简便， 施工速度快，价格低廉，因而使用最为广泛。 1 3 静压灌浆法 静压灌浆法在水利防渗工程中常用的有：劈裂灌浆和砂砾石灌浆。 劈裂灌浆劈裂灌浆是运用坝体应力分布规律，用一定的灌浆压力，将坝体 沿坝轴线方向劈裂，同时灌注合适的泥浆，形成铅直连续的防渗帷幕，堵塞与 劈裂缝连通的洞穴、裂缝或切断软弱层，以提高坝体的防渗能力；同时，通过 浆坝互压和湿陷使坝体内部应力得到调整，提高坝体变形稳定性。当坝体质量 普遍不好，坝体内部有裂缝、塌陷、浸润线和出逸点过高，坝后坡出现大面积 洇湿，坝体有明显渗漏或坝体内部有较多隐患时，可用劈裂灌浆处理。 砂砾石灌浆是采用渗透原理将水泥等浆液灌入地层颗粒中，适用于砂砾石、 砾卵石和堆石体。国内通常采用循环钻灌法，国外较多采用预埋花管法。 1 4 高压喷射灌浆技术 1 4 1 国内外技术现状 高压喷射灌浆技术是日本于2 0 世纪6 0 年代创造出来的一种全新的士木工 程施工方法，当时定名为c c p ( c h e m i c a lc h a r n i n gp i l e ) 工法，即单管法。 在7 0 年代中期，日本又相继开发出j s g ( j u m b os p e c i a lg r o u t ) 工法，即二 重管法：c j g ( c o l u m nj e tg r o u t ) 工法，即三重管法。上述工法皆为旋喷桩， 主要用来加固滨海淤泥地层，提高地基承载力“”。目前，日本在原有工法的基 础上又开发了一系列新的工法，例如多管法、超级旋喷法( 直径达3 米) 以及 高压喷射灌浆和深层搅拌法相结合的多种喷射搅拌法。欧洲在引进该项技术后， 在施工机械方面有其自身特点，特别是在隧道建设中有很多水平旋喷加固的工 程实例。加拿大某水利工程深7 0 米的地下厂房( 直径2 0 米) 基坑采用旋喷围 封防渗，并对输水管道进行了斜向旋喷桩超前支护。在中东，埃及开罗的地铁 建设中大量使用旋喷灌浆加固法，成为世界上单项工程中使用旋喷加固工程量 最大的项目之一。美国从日本引进该技术后，对该技术进行了不断研究和发展， 9 0 年代以后应用范围进一步扩大，在基础托换工程、隧道工程、水利工程中均 有应用，而且有的单项工程中使用的规模很大。高压喷射灌浆在国外单指旋喷 桩工艺。 我国是在日本之后对高压喷射灌浆技术研究开发较早和应用范围较广的 国家。铁道部科学研究院于7 0 年代年初率先开始试验旋喷桩并获得成功，此后 该项技术被广泛应用于铁路、市政、建筑工程中的粉砂、淤泥、黏土、黄土等 软土地基的加固。8 0 年代初山东水利科学研究所运用该项技术原理，先后对高 压喷射灌浆设备及工艺进行了系统的研究，使改进后的高压喷射灌浆设备及工 艺更加适合堤坝防渗施工的要求，并先后在白浪河水库、大冶水库、乔店水库 进行了高喷灌浆防渗试验，之后又进行了多次中间试验和工程应用，取得了丰 富的试验资料和成果，总结出了能够满足不同工程需要的不同性状板墙的旋、 定、摆高喷灌浆施工工艺，提出了一整套较为完善的三管法高压喷射灌浆( 简 称高喷灌浆或高喷) 防渗加固技术，并开始用于水利工程防渗。定喷、摆喷是 我国研究出来的两种喷射方式。9 0 年代中期高喷灌浆技术在全国进行了推广应 用，并得到了迅速的发展，广泛应用于水利工程防渗、建筑深基坑止水等，解 决了一些其它方法难以奏效的复杂工程的施工难题。尤其是在堤坝防渗加固方 面更为突出，据不完全统计，目前全国用该项技术处理大工程的、中、小型防 渗工程约数百项，构筑防渗板墙约数百万平方米，大都取得了较好的效果，为 我国已建和在建工程的防渗加固发挥了重要作用。在这一时期，由于受国内机 械制造水平的限制，我国用于防渗工程最多的是三管法( 高压水压力4 0 m p a 左 右) ，用于软土地基加固工程最多的是压力2 0 m p a 左右的二重管法和单管法。 随着我国水利工程国际招标的开展，欧洲的高喷灌浆施工承包商进入了我 国。意大利英波基落公司( i m p r e g i l o ) 在小浪底围堰防渗工程中使用履带自行 式钻机、履带自行式高压旋喷机( s i r l 0 2 s c ) 设备，采用二重管法( 喷射两种 介质) 构筑了旋喷桩套接防渗墙。二滩电站上下游围堰基础防渗墙的施工使用 了意大利( t r e v i 建筑工程公司) 的钻喷一体化高喷灌浆设备，自动纠偏钻机， 防渗墙采用二重管法，三排旋喷桩套接而成。以上两工程均采用了高压力和大 流量的泥浆泵和空压机，取得了良好效果。 9 0 年代后期，我国机械制造水平有了很大提高，特别是高压泥浆泵的研制 成功的将压力提高到4 0 m p a ，新的施工设备和施工工艺的开发应用极大地提高 了高喷灌浆的技术水平，提高了高喷板墙的整体性和连续性，增强了高喷板墙 的防渗性能，推动了高喷灌浆技术的发展。特别是高喷灌浆技术在长江三峡一 期工程及北京、上海、广州地铁建设工程中得到应用，拓宽了高喷灌浆技术的 应用范围，使我国成为世界上高喷灌浆技术应用工程量最多的国家之一。 1 4 2 高喷灌浆方法和形式 高喷灌浆是一种采用高压水或高压浆液形成喷射流束，冲击、切割、破碎 地层土层，并以水泥基质浆液充填、掺混其中，形成桩柱或板墙状的凝结体， 用以达到提高地基防渗或承载能力的施工方法。 高喷灌浆的基本种类有单管法、二管法、三管法和多管法等几种方法。单 管法是利用高压泥浆泵，以3 0 m p 。左右的压力，把浆液从喷嘴中喷射出去，以 形成的射流束冲击破坏士体，同时借助喷射管的提升或旋转，使浆液与土体颗 粒混合掺搅，凝固后形成凝结体。 二管法( j s g 法) 是利用高压泥浆泵，以3 0 m p 。左右的压力，把浆液从喷嘴 中喷射出去；同时在浆射束周围环绕一股o 7 0 8 m p 。的圆筒状气流，利用高压 浆液、气射流同轴喷射，冲击破坏土体，破坏土体的能量显著增大，与单管法 相比，在相同的压力作用下其形成的凝结体长度可增加一倍左右。 三管法( 铁路、冶金系统多用三重管) 是在压力达4 0 m p 。左右的高压水射 束的周围环绕一股o 7 0 8 m p 。左右的圆筒状气流，剥用高压水、气射流圊轴喷 射，冲切破坏土体，再由泥浆泵低压注入压力为o 1 1 0 m p 。的水泥浆液。 单管法、二管法和三管法均为半置换法。 多管法( s s s m a n 法) 是在地面先钻一导孔，然后置入多重管，利用逐渐向 下运动旋转的高压水射流束，切割破坏四周的土体，切割下来的土体颗粒，随 着泥浆用真空泵从多重管中抽出，如此便在地层中形成一个较大的空间，装在 喷嘴附近的超声波传感器可及时测出空间的直径和形状，然后根据需要选用浆 液、砂浆、混凝土等材料填充，在地层中形成一 个大直径的柱状固结体。此法属于用充填材料充 填空间的全置换法，在日本应用较广。 根据喷射介质的不同，高喷灌浆又可分为单 介质喷射、双介质喷射和多介质喷射等类型。 高喷灌浆的形式分为旋喷、摆喷和定喷三种。 旋喷喷射时，喷嘴一面提升一面旋转，形成桩拄 状凝结体；摆喷喷射时，喷嘴一面提升一面摆动， 形成亚铃状凝结体：定喷喷射时，喷嘴一面提升 一面喷射，喷射方面始终固定不变，形成板状凝 结体。凝结体形状如图卜1 所示。 图卜1 旋、定、摆喷凝结体形状 1 4 3 高喷灌浆凝结体的性能 1 4 3 1 物理力学性能 凝结体的物理力学性质主要取决于采用的工艺参数、灌浆材料以及地层组 成的颗粒成分和级配等条件。采用纯水泥浆液，在砂砾层中高喷形成水泥砂浆凝 结体；在黏土层中凝结体相当于水泥土，在砾卵石层中高喷凝结体类似混凝 土。采用水泥黏土浆灌注在砂砾层中形成水泥黏土砂浆凝结体：在黏土层中形 成的凝结体也相当于水泥土。 凝结体的组成成分是不均匀的，从横断面看定喷凝结体主要分板体层、浆 皮层和渗透凝结层，其性质有差异，指标见表1 。 翌审 表1 1凝结体性质指标 部位水泥成分( )抗压强度( m p a )渗透系数( c m s ) 弹模( m p a ) 3 0 6 01 0 o 2 0 o 1 0 巧1 0 71 0 3 1 0 4 板体层 2 0 3 03 o 5 o而t i 尹而可矿 6 0 8 01 5 o 2 5 o 1 0 “1 0 91 0 3 1 0 4 浆皮层 而可i 矿而丽3 0 4 0 5 o 1 0 0 2 0 4 0 1 0 3 o 1 0 _ 4 1 0 _ 6 1 0 2 1 0 3 渗透凝结层 面f 可f而【丽1 0 2 0o 5 1 0 各注：表内横线上为水泥浆，横线下为水泥占5 0 的水泥粘土浆 摆喷和旋喷形成的凝结体，从横断面上看其组成虽不像定喷凝结体差异那 么大，但从浆液及颗粒分配上也有差异。如离喷射孔越远，颗粒越细，边缘常 有硬壳层存在。在相同工作条件下，摆喷和旋喷凝结体浆液成分含量比定喷凝 结体小，因而凝结体的防渗性能，定喷最强，旋喷最差，摆喷介于二者之间。 在喷射施工过程中，地层粘性土成分被升扬置换与水及泥浆混合冒出地面， 经析水沉淀，浆液可被回收重新利用( 三管法) 。这种浆液中夹含黏土成分，对 凝结体强度将起降低作用，但对防渗稳定性则起着改善的作用。帷幕防渗工程 并不要求凝结体有过高的强度，为使凝结体有更好的变形适应性，选用掺加黏 土的水泥浆是适宜的。但对可能进入浆液的地层粘性土成分含量应做出估计。 1 4 3 2 渗透稳定性能 高喷灌浆凝结体渗透稳定性目前尚无准确的分析计算方法。显然高喷灌浆 凝结体，既不属于浇筑的混凝土，也不属于填筑的粘性土；其渗透情况不同于 混凝土和粘性土，确定渗透破坏坡降时，允许产生正常渗透，应不致造成渗蚀 或剥蚀为准。因为水泥中掺加土成分产生的凝结体，属于稳定性体系，较之粘 性土，自身有较高的强度，不致产生剥蚀，既使在无反滤保护的情况下也不易 产生渗透破坏。为探讨喷射灌浆形成的凝结体实际允许的渗透破坏坡降，取了 各工程现场的代表性样品，在渗透破坏试验仪器上进行了试验，其成果列入表 2 。由表可见，喷射灌浆形成的凝结体，在渗透坡降为6 9 3 1 2 0 0 时仍产生正常 渗透，因受仪器设备条件限制，其渗透破坏坡降僮未能测出，可见其抗渗力是 比较强的。 表卜2凝结体渗透坡降 编号样品来源样品性质渗透坡降渗透系数( c m s ) 1 山东费县石沟拦河闸粘土水泥浆 6 9 31 1 1 0 。8 2 广东迳口拦河闸水泥浆 1 2 0 02 7 1 0 叫o 3 福建漳州堤防粘土水泥浆 8 0 06 7 l o 呻 1 4 3 3 结构稳定性能 ( 1 ) 良好的复合体防渗作用。高喷灌浆形成的防渗凝结体，无论是定喷或 旋喷，多呈现复合型，具有良好的防渗和结构性，渗水先经渗透凝结层，再进 入防渗性极强的浆皮层，最后才能达到墙体核心，然后沿相反的层次穿过防渗 体。由于是多层复合体，消减渗水压力作用极为明显。这种逐渐过渡的复合结 构，高喷灌浆时可在地层中自动均衡地形成，如在强透水砂卵石层中渗透凝结 层一侧厚可达5 0 c m ，而透水较弱的砂层则较薄，粘性土层实际上不存在渗透凝 结层。但墙体两侧与地层在挤压作用下不但结合严密，其防渗性能也是极强的a ( 2 ) 较强的变形适应性。高喷灌浆形成的板墙状防渗体，弹性模量较低， 有较强的变形适应性。防渗体的弹性模量，不仅使用水泥粘土浆时较低，即使 采用水泥浆，由于地层中的细粒成分被挟带掺入浆液中，形成的凝结体的弹性 模量也较低。如浇筑混凝土弹性模量一般大于2 1 0 4 m p a ，而采用水泥浆所形成 的凝结体，弹性模量为1 0 3 m p a ：采用粘土水泥浆所形成的凝结体弹性模量一般 远小于1 0 3 m p a 。为使高喷凝结体有更高的变形适应性，采用掺加粘土的水泥浆 是必要的。黏土掺加量应视弹性模量和抗压强度的要求而定。通常黏土和水泥 重量比为1 ：l 时，凝结体的抗压强度仍不低于3 0 5 o m p a ，这对低水头堤坝 地基的防渗已可满足。 从上述高压喷射灌浆防渗弹性模量和绪构状况分析，高压喷射灌浆形成的 板墙状凝结体在适应地基的变形方面较混凝土防渗墙有明显的优越性。混凝土 防渗墙在依靠泥浆固壁进行机械造槽过程中已使地基应力“释放”，使地层有所 松动，混凝土防渗墙与地层泥浆固壁形成的“泥皮”相互接触，各道混凝土防 渗墙之间的连接处，易存在所谓的“泥皮”难以完全清除，在结合部位形成诸 多薄弱面。而高压喷射灌浆防渗体则属逐渐过渡性接触，在施工中按序施工， 喷射时对地层起挤压作用，不会导致地基应力“释放”，凝结体的强度由内向外 逐渐变小，直到与地基完全一致，这对适应和协调地基变形是十分有利的。 1 4 4 高喷灌浆技术特点 高喷灌浆具有可灌性、可控性、连接性、灵活性等其它一些特点。 可灌性：高喷灌浆是强制性破坏原土层结构，不存在一般灌浆的可灌性问 题。尤其是夹杂于地层中的各类土，高喷灌浆的效果比一般灌浆方法更为明显。 可控性：对块石、卵石层的较大孔隙及集中渗漏的空间，以各种射流机理 加之绕流、位移、袱裹等作用将地层颗粒或级配予以充填封堵，已被许多的工 程实例证明效果良好。 连接性：高喷板墙与板墙、板墙与已有构筑物及板墙与下部基岩连接时， 6 高喷射流将原构筑物表面冲刷干狰并与其凝结，牢固地溶为一体，不存在接缝 问题。 灵活性：不需要对地层进行开挖，可以根据工程需要，在钻孔内的任何高 度上采用旋喷、摆喷或定喷工艺在不释放地基应力的情况下构造出各种型式的 防渗凝结体来满足工程需要。亦可通过坝体、涵洞等建筑物对数十米下砂砾层、 隐患进行处理；可在水上对水下隐患或在地下室内对地基进行处理；板墙物理 力学指标可人为通过浆液予以调整。 其它一些特点：高喷灌浆所适应的地层，从8 0 年代中细砂逐步扩展到目 前泥、粉土、砾石、卵( 碎) 石层以及人工回填土和堆石体等；基础处理的深 度由早期的z o m 左右，到1 9 9 4 年的5 7 m ，目前已达8 3m ； 相对多种成槽工艺 来讲，设备占用场地小，对施工场所的要求不高；施工速度快、效果好。 1 4 5 高喷灌浆适用范围 高喷灌浆技术和其它技术一样，其各种工法和喷射方式有定的适用范围。 ( 1 ) 单管法：用于加固软土地基，淤泥地层的基坑桩间止水，已有建筑物纠 偏和地基加固。 ( 2 ) 二管法：加固软土地基，及粉土、砂土、砾石、卵( 碎) 石等地层的 防渗加固。 ( 3 ) 三管法：加固除淤泥地层以外的软土地基，以及粉土、各类砂土地层 的防渗加固。 ( 4 ) 定喷适用于粉土、砂土；旋喷、摆喷适用于粉、砂土、砾石、卵( 碎) 石等地层。 1 4 6 高喷灌浆中的技术难题 大粒径地层高喷灌浆防渗技术，一直是国内外公认的技术难题”。一是钻 孔困难，容易塌孔卡钻，工效低；二是钻孔精度不易保证；三是高喷灌浆时浆 液容易流失。所谓大粒径地层系指大于2 c m 以上粒径颗粒含量占多数的不均匀 的地层，包括砾卵石层、卵漂石层、块石层以及它们的混合地层。这类地层广 泛存在于山区河床，山前坡地等第四系覆盖层中。另外，某些人工形成的含大 量石块、石渣、建筑弃料的回填土也归属于大粒径地层。大粒径地层的一个显 著特点是强透水性，在水头作用下不但漏水严重而且易产生管涌破坏，从而导 致基础失稳，造成上部建筑物的损坏。所以一旦要求在大粒径地层上进行重要 建筑，往往需要对地基进行防渗加固处理，传统的处理措施一般多采用混凝土 防渗墙和静压灌浆等方法，这些方法由于工艺和技术方面的原因有时很难满足 工期或质量的要求。因此，市场亟需一种施工速度快，工艺简单，投资少且效 果好的用于大粒径地层防渗新工艺、新技术。本人在山东省水利科学研究院获 奖项目“高压喷射灌浆防渗加固技术研究”的基础上，提出了“大粒径地层高 压喷射灌浆防渗技术”研究课题。 7 第二章大粒径地层高压喷射灌浆防渗技术 高压喷射灌浆对于细颗粒地层其作用机理有以下几方面：冲切掺搅作用； 升扬置换作用；充填挤压作用；渗透凝结作用；位移袱裹作用。对于大粒径地 层来讲，上述的射流理论的某些方面已不适用，有关技术文献也指出高喷灌浆 技术仅适用于砂性土，粘性土、黄土等，不适用于含砾卵石多的地层。在本课 题研究以前已有大粒径地层应用高喷的实例，但在施工设计及组织实施中因缺 乏理论上的指导和与之相适应的施工技术，不得不沿用细颗粒地层高喷施工的 做法，一些工程效果不理想。为此对大粒径地层进行了高压喷射灌浆成墙原理、 高喷灌浆设计、高喷灌浆施工工艺及设备等方面进行了一系列研究。 2 1 大粒径地层高喷灌浆成墙原理 2 1 1 射流作用地层的基本条件 射流作用于土体并形成有效作用范围必备两个条件，即出口射流压力和射 流作用予土体的总能量。前者保证射流克服摩阻力和土体自身结构强度，后者 满足土体结构破坏和有效射程所需要的能量，为此我们引入射流强度和射流比 能两个概念“。 2 1 1 1 射流强度 射流强度定义为射流某一点处的压力，用p 表示，表达式为： p = 叩p o 式中，7 一衰减系数 一出口射流压力( m p a ) 射流在地下喷射时其强度随被作用土体距离的不同而变化，出口射流压力 的一部分用来克服土体抗力( 地应力和土体结构强度) ，另一部分消耗于地下介 质的摩阻力及平衡浆柱压力。当射流强度与土体抗力持平，体结构即将破坏 时，我们称此时的射流强度为临界射流强度。 当射流强度超过临界值，被喷射土体开始破坏。 随着距离的增大，越来越多的压力份额被用以 克服摩阻力，最后达到临界值，其喷射长度不 再增大。射流强度愈高，射流的喷射长度也愈 大。所以要保证较高的出口射流压力才能使射 流对较远处的土体有破坏能力。对大粒径地层 而言，射流除受到正常的摩阻力外，射流的反 射碰撞造成很大的压力损失，因此要达到相同 的喷射长度，其所需射流强度相对于细颗粒地 层要大的多。图2 1 压力p 与喷射距离与l 的关圭7 吣 屯，害艮 喷射是自下而上进行的，下部土体破坏后，上部土体通应力减小，射流所 要克服的主要是土体自身的结构强度，在同样的喷射压力下，一般上部的有效 长度较下部要大些。 根据试验得出喷嘴直径d 为2 m m 、出口射流压力为2 0 m p a ，在水中喷射时 与喷射距离的关系如图卜2 ；由图看出射流压力衰减很快，射流在地下喷射时， 射流受到的摩擦阻力较之在水中喷射大为增加，尤其是在大粒径地层更是如此a 2 1 1 2 射流比能 射流比能定义为单位长度喷射段射流所释放的能量，用e 表示，其表达式 为： 点兰1 0 0 尸p 矿 f 比能( m j m ) 口射流流量( l m i n ) r 提升速度( c m m i n ) p 出口射流压力( 0 1 m p a ) 射流首先作用距喷嘴最近的土体，当土体受到足以使之破坏的能量后，射 流向前延伸喷射较远处的土体，土体的破坏过程就是射流能量的消耗过程；由 于土体类型及结构的不同，需要的破坏能量也不同。在相同比能下不同地层中 形成的喷射长度各不相同，在一定喷射压力及流量下，能量( 即比能) 越大喷射 半径也就越大，即一定量的比能，对同一种土层对应一定的有效喷射长度。 从式( 2 2 ) 可以看出改变比能有3 种方法：改变射流出口的压力、流量、 和提升速度。当确定了某种地层中达到一定喷射直径所需要的比能后，可以通 过适当调整三者的大小，使施工处于最经济合理的工作状态。 实际情况是，喷射过程中射流在不断改变方向和深度或随旋摆而改变喷 射方向，或随提升而改变喷射位置，所以形成的喷射长度小于射流压力衰减至 临界值时应该达到的有效长度。 2 1 2 高喷灌浆成墙机理 当携带巨大能量的水、气或浆射流冲击大粒径地层时，进入大粒径空隙间 的射流，可使其间的充填物直接冲切破坏，作用机理符合细颗粒地层的射流原 理；而射向大颗粒上的射流受到大颗粒的阻挡，一方面其冲击能量使大颗粒背 后的充填物因射流方向旋转、摆动和提升的交替承受挤压、张拉作用而松动或 产生缝隙；另一方面，由于射流的反射作用在喷头周围形成一个强紊流区，紊 流互碰撞造成流体势能增大，即形成一个环境高压区处于高能状态下的水、浆、 气混合流沿大颗粒之间空隙向周围低压区迅速扩散；并对大颗粒体的背后的充 填物起二次切割冲刷作用。同时随着射流方向旋转摆动，形成较强的脉动压力， 使空隙问相当数量的细颗粒被推移到较远范围，或者被回流带离原来位置，在 水气浆射流的综合作用下，大颗粒问的空隙被浆液所充填，与大颗粒体凝结成 一体，形成密实墙体。 射流作用于大粒径地层，水、浆射流与大流量高压空气共同作用大颗粒间 的空隙，缝隙的充填物质不同程度地被置换出地面或被水流冲到较远的位置， 在一定范围内形成互相贯通的浆流网络。这种作用方式可以概括为：地层在强 大射流按一定方向规律作用下。对软弱结构( 主要指大颗粒缝隙同的充填物) 造 成破坏，并以浆液进行充填、置换、形成以原地层中大颗粒为骨架，灌浆材料 为主要充填物的复合地层。 在此特别强调一下高压空气的作用：新的施工工艺下的高压空气较之一般 高喷旌工的气体参数有较大变化：气流量加大2 1 0 倍，压力增加约5 0 ；因 此气体的作用不再是单单保护高压射流和升扬置换，更大程度上是保证地下掺 搅的强度与压力，以有利于射流的四处游窜，扩大射流作用范围。 由于大颗粒的强度一般很高，在射流强度有限的情况下射流对大颗粒是不 可切割破碎的，实际上高喷灌浆之所以能够对大颗粒地层进行防渗处理，主要 是因为针对不同的地层射流能够以一种综合的作用方式置换搅拌大颗粒间豹充 填物，使固结材料能够进入到空隙中去，实现对大颗粒的袱裹、连接，这种袱 裹机理与细颗粒地层中偶遇的大颗粒的袱裹机理是有所不同的，更趋多样化， 与地层颗粒组成、结构密切相关。可以说大粒径地层的颗粒组成及其充填物充 填的性质( 充填物的数量及其强度、渗透性等) 决定了射流的作用范围及高喷射 流加固地层的作用机理。我们将大粒径地层按颗粒组成、结构特性分为图2 3 中4 种类型。 盘。盘幽 图矗i 图2 - 2 2 图2 - 2 3 一一图2 0 4 图2 2 大颗粒地层结构类型 图2 2 1 地层由大中小不同粒径混合组成( 砂卵石) ，各粒径组均占有一定 比例，大颗粒直径( 大于5 m m ) 没有形成互相连接的骨架结构，充填物以粘土， 砂砾为主，且结构较为疏松，有架空现象，代表地层为洪积形成的冲积层和人 1 0 工杂填土等。对这种地层，高压射流对充填物可以实现直接切割、掺搅，并使 得一些大颗粒处于半临空状态，对个别大颗粒经过喷射后位置没有变化时，大 颗粒后面的喷射盲区由于充填物疏松产生绕流和低压区，从而实现全袱裹，这 种地层可用一般的施工技术，只要设计得当，施工合理，就可达到预期防渗加 固效果。 图2 2 2 地层颗粒组成与a 相似，不同的是充填物密实，呈半胶结状态， 透水性较小，渗透系数一般在n l o c m s 之间，年代久远的覆盖层是其代表 地层，射流可以直接切割原始地层，但一般不会发生绕流及明显的渗透作用， 射流影响范围较小，对这种地层要靠加大射流的压力，通过加大切割掺搅、置 换等作用方可达到加固大粒径地层的目的，并以高压浆液直接喷射地层。 图2 2 3 为粒径比较均匀的卵漂石地层，颗粒闷充填物较少，形成互相连 接的稳定的骨架体系，透水性强，代表地层为河道上游冲积层及人工堆石等， 这种地层射流的能量消耗较大；射流影响范围缩小，其特点是，射流：被大颗 粒分散成许多细小的间接射流，在粒径缝隙同形成强烈的紊流，喷嘴周围形成 一个由射流形成的高能区；由于地层透水性强，处于高能位状态下的紊流向周 围迅速扩散，以实现能量的消散，取得压力平衡，在这一过程中，射流主要通 过紊流扩散、渗透方式形成自己的作用范围，冲切掺搅作用很小，射流对地层 主要通过高能紊流比较均匀地向周围作压力渗透进行扩散和充填；这种地层采 用高压喷浆，直接强制浆液穿过粗颗粒进入空隙，会有效地加长喷射距离，但 必须结合预充填级配料，改善浆液性能等措施，使地层形成有利的储浆条件和 浆材凝结条件，方能达到良好的效果。 图2 2 4 为含一定数量孤石、漂石的大颗粒地层。孤漂石一般指粒径大于 5 0 c m 、被包裹在较细颗粒中的大颗粒。对于图2 2 4 ( a ) 中粒径较小的孤石， 在射流作用下，回浆沿孤石周边产生绕流，通过反复喷射扩大绕流的范围，使 孤石镶嵌在喷射体内；对于图2 2 4 ( b ) 、图