高喷板墙在防渗工程中的应用

高喷板墙在防渗工程中的应用

高压喷射灌浆灌浆量计算公式高喷防渗板墙是应用高压喷射技术在地下形成的连续墙。这是水利水电工程中用于渗透加固的重要手段之一。它被广泛应用于水库基本砂砾卵石层、防洪坝基础、防洪港基础、尾根河岸和尾根大坝的加固和加固。高喷摆喷灌浆浆液用量的多少,浆液比重的大小,直接关系到高喷板墙的防渗效果和工程成本的高低,是高喷成败的关键,但科技文献少有论述。水利行业工人技术考核培训教材《钻探灌浆工》内有关高压喷射灌浆浆液量的计算,提供的两个计算公式:a)体积法(适用于旋喷)Q=0.785[Ds2K1L1(1+β)+Dk2K2L2](1)b)喷量法Q=L1q(1+β)/U(2)式中Q——需用浆量(m3);K1——填充率,一般为0.75～0.9;K2——旋喷部位填充率,一般为0.5～0.75;β——损失系数,一般取0.1～0.2;Dk、Ds——分别为注浆和旋喷体直径(m);L1、L2——分别为已旋喷和未喷部分长度(m);q——单位时间喷浆量(m3/min);U——喷头上升速度(m/min)。体积法已注明仅适用于旋喷,而喷量法只考虑喷射所用的时间,基本上未考虑喷射参数,也未考虑灌浆实际需用的浆量。这两个公式还有一个缺点就是未考虑地层特征,未与地层的物理力学性质的指标结合起来。因此,上面两个浆液用量计算公式,不太适应高喷板墙摆喷灌浆浆液用量的计算。一般水利防渗工程的高压喷射灌浆防渗板墙,其结构大部分采用双喷嘴摆喷折接的形式。本文就一般水利防渗工程、地下水位以下无集中渗漏通道饱和土体的高喷板墙浆液用量的计算进行探讨。1高喷渗透板墙污泥用量研究1.1顺应工量的计算旋喷加固地基是以提高地基承载力为目的,孔间的凝结体不一定要求相互搭接;高喷板墙的主要目的是防渗,要考虑相邻摆喷孔之间搭接,所以单孔实际的喷射长度Ds比孔距S要大一些。根据本人的经验,若两个喷嘴互成180°,Ds可按下式确定:Ds=S/cosα(3)该数值为摆喷直角三角形的斜边,摆喷时以此为直径。高喷防渗板墙摆喷灌浆浆液用量的计算,采用体积法是比较合适的,因为它考虑了灌浆实际需要的浆量。根据《钻探灌浆工》旋喷浆液量计算的公式,高喷防渗板墙摆喷灌浆浆液用量的计算公式可写成:q=0.785[Ds2K1U(1+β)+Dk2K2L2]2α/360(4)即q=4.361α[S2K1U(1+β)/cos2α+Dk2K2L2](5)为了分析的方便,本文以分钟为单位进行讨论。施工中一般不存在未喷部分长度,L2可视作钻机造孔需注浆长度,U为提升速度;Dk可视作钻机造孔直径,一般为0.13m。因此得高喷防渗板墙每分钟摆喷灌浆浆液用浆量的计算公式:q=4.361α[S2Κ1U(1+β)cos2α+0.017Κ2U](6)q=4.361α[S2K1U(1+β)cos2α+0.017K2U](6)式中q——高喷板墙每分钟摆喷灌浆浆液用浆量(L);S——摆喷孔距(m);U——摆喷提升速度(m/min);α——摆喷角度(即以高喷轴线为边向外摆喷角度α);K1——填充率,一般为0.75～0.9;K2——注浆部位填充率,一般为0.5～0.75;β——损失系数,根据经验,一般取0.1～0.5。1.2喷射到位后的地层成分上面计算的浆液用量还不一定是实际的浆液用量,浆液用量大小还与送浆比重有关,还必须和孔口冒浆比重结合起来进行考虑。灌进地层的浆液与喷射切割的水量、地层土体颗粒、地层土体中储存的水量相互搅拌混合,形成混合浆液,混合浆液的比重就是孔口冒浆比重。其比重由灌进地层浆液的水泥和水的含量、喷射切割的水量、地层土体中的含水量决定。喷射切割的水量容易确定,它就是高压泵的喷射水量WP。下面讨论浆液中水泥和水的含量、地层土体中水的含量的计算。1.2.1水泥和水的含量由液体的比重、体积、重量之间的关系,可计算出灌进地层浆液q中水泥、水的含量(水泥的比重采用3):C0=1.5q(d0-1)(7)W0=0.5q(3-d0)(8)式中C0、W0——分别为每分钟摆喷灌浆浆液用浆量q中水泥和水的含量(kg);d0——送浆比重。1.2.2饱和土体土体的体积计算地层土体中水的含量,由喷射切割土体的体积和地质特征决定。根据喷射参数的孔距、提升速度、摆喷角度,可计算出每分钟喷射切割土体的体积:V0=0.785×(S/cosα)2U2α/360即V0=4.361S2Uα/cos2α(9)式中V0——每分钟摆喷切割的地层土体体积(L);其余符号同前。根据孔隙是否被水饱和,喷射切割土体中含水量的计算,分为饱和土体和非饱和土体2种类型,本文仅探讨地下水位以下饱和土体含水量的计算。由孔隙比e的物理意义可知,土体中颗粒体积:Vs=Vv/e(10)式中Vv、Vs——分别为每分钟摆喷切割地层土体中储存水的体积(L)、土体颗粒体积(L)。由土的三相组成(以体积计)可知,土体中颗粒体积:VS=V0-VV由上两式得土体中孔隙体积:VV=eV0/(1+e)(11)地下水位以下土体中孔隙体积以全部充满水进行计算,由于水的容重为1,则土体中储存水的重量:gw=eV0/(1+e)(12)由(9)、(12)式可得:gw=4.361S2Uαe(1+e)cos2α(13)gw=4.361S2Uαe(1+e)cos2α(13)式中gw——每分钟摆喷切割土体中储存水的重量(kg)。1.2.3混合浆总重量w的符号由前面的讨论可知,混合浆液中的总水量:W=WP+W0+gw将(8)、(12)式代入上式得:W=WP+0.5q(3-d0)+eV0/(1+e)(14)式中W——每分钟摆喷灌浆形成的混合浆液中的总水量(kg);Wp——高压泵喷射水量(L/min)。混合浆液总重量:G=W+C0将(7)、(14)式代入上式得:G=WP+qd0+eV0/(1+e)(15)式中G——每分钟摆喷灌浆形成的混合浆液总重量(kg);其余符号同前。混合浆液总体积:V=W+C0/3将(7)、(14)式代入上式得:V=WP+q+eV0/(1+e)(16)式中V——每分钟摆喷灌浆形成的混合浆液总体积(L);其余符号同前。所以混合浆液比重:d=GV=WΡ+qd0+eV0/(1+e)WΡ+q+eV0/(1+e)d=GV=WP+qd0+eV0/(1+e)WP+q+eV0/(1+e)将(9)式代入上式得:d=(WΡ+qd0)(1+e)cos2α+4.361S2Uαe(WΡ+q)(1+e)cos2α+4.361S2Uαe(17)d=(WP+qd0)(1+e)cos2α+4.361S2Uαe(WP+q)(1+e)cos2α+4.361S2Uαe(17)这就是地下水位以下饱和土体高喷防渗板墙摆喷灌浆孔口冒浆比重的计算公式。1.3孔口冒浆的校核计算笔者对科技刊物中有关高压喷射灌浆防渗板墙技术资料的统计,发现一般水利防渗工程、地下水位以下无集中渗漏通道地层,其常用的施工参数为:孔距1.2～2.2m;水压36～40MPa,喷水量75L/min,两喷嘴互成180°;送浆量≥80L/min,浆液比重1.6～1.7,回浆比重≥1.2;摆喷角度15°～35°;提升速度6～15cm/min。将上述部分常用的施工参数,代入公式(6)、(17),计算出送浆比重d0=1.6时的每分钟浆液用量q、地下水位以下孔口冒浆比重d的结果见表1。上面计算的目的是用以分析讨论,所以计算时保守一点,填充率K1和K2、损失系数β均取大值;地层的孔隙比取《工程地质手册》内“土的平均物理、力学性质指标”中的最大值e=1.1。同理可计算出其它送浆比重的情况。从表1可以看出,当孔距、提升速度、摆喷角度较小时,浆液用量较小,有相当一部分的孔口冒浆比重是小于1.2的。但是一般设计都要求回浆比重≥1.2。因此为了满足设计要求,保证工程质量,当需要采用较小的喷射参数,计算的回浆比重又小于1.2时,可以利用(17)式反过来求回浆比重d等于1.2时的浆液用量。由(17)式得:d=(WΡ+qd0)(1+e)cos2α+4.361S2Uαe(WΡ+q)(1+e)cos2α+4.361S2Uαe=1.2(18)d=(WP+qd0)(1+e)cos2α+4.361S2Uαe(WP+q)(1+e)cos2α+4.361S2Uαe=1.2(18)因此可求得地下水位以下土层较小喷射参数时的浆液用量,为了与(6)式的计算结果相区别,我们把上式计算的浆液用量称为校核浆液用量,用q1表示:q1=0.2WΡ(1+e)cos2α+0.8722S2Uαe(d0-1.2)(1+e)cos2α(19)上表中回浆比重小于1.2的施工喷射参数代入(19)式的计算结果,见表1中地下水位以下校核浆液用量q1,这就是饱和土体孔距、提升速度、摆喷角度较小、送浆比重为1.6时每分钟浆液用量。同理可计算出其它送浆比重的情况。从上表可以看出,不同的施工喷射参数,浆液用量是不同的,当孔距、提升速度、摆喷角度较小时,需浆量较小。但目前一般水利防渗工程、地下水位以下无集中渗漏通道地层的高喷板墙,常用的施工喷射参数几乎都采用≥80L/min送浆量,这是不太经济的,造成孔口冒浆量过多、材料浪费、能源消耗增大、工程成本增加。表中的计算结果还是地下水位以下饱和地层及填充率和损失系数β取大值、送浆比重为1.60的情况,对于地下水位以上非饱和地层和送浆比重大于1.60的情况,浆液需用量还会更小,因此目前几乎都采用≥80L/min的送浆量的方法必然浪费材料,增加工程成本。1.4野外土工试验成果表q星湖股份有限公司的生物基地,在西江河滩上钻有2口70～80m深的抽水井,井附近布有30～40m深的观测孔,经过抽水试验观察,两者有明显的水力联系。有关部门要求采取高喷防渗板墙的措施,隔绝其水力联系,使其在低水位时堤内的水不会向外渗漏,同时对堤脚亦可起到一定的保护作用。设计要求防渗板墙深度为25m,其轴线位于2个抽水井连线垂直距离为10m处,两井投影点处各向外延伸10m,总长40m(见图1)。该场地地下水位以下有厚约7m的粗砂卵石层,其施工参数如下:孔距1.4m,水压39～41MPa,喷水量75L/min,两喷嘴互成18°,送浆比重1.6,摆喷角35°,提升速度采用0.1m/min。把上述参数代入(6)、(17)公式计算结得:q=60L/min,d=1.24。计算时,地层的孔隙比,采用同类地质特征的鼎湖区典水电排站地层室内外土工试验指标统计成果表的参数建议值:e=0.72。施工的实际耗浆量为58L/min,孔口冒浆比重为1.23。工程质量及效果:13#～15#、26#～29#两段开挖检查,高喷板墙凝结体连接良好,墙体连续完整,板墙两侧观察水位相差0.25～0.3m,水力联系隔绝明显,达到预期效果。用(6)、(17)公式计算的结果,与实际情况相比较,两者较接近,证明这2个计算公式与实际基本相符,是可靠的,可用于今后实际工程计算浆液用量。2砂浆用量的计算(1)通过以上的分析探讨,得出了一般水利防渗工程、地下水位以下无集中渗漏通道饱和土体的高喷板墙每分钟浆液用量的计算公式:a)将确定的喷射参数,代入下面公式计算出每分钟浆液的用量和孔口的冒浆比重:q=4.361α[S2Κ1U(1+β)cos2α+0.017Κ2U]d=(WΡ+qd0)(1+e)cos2α+4.361S2Uae(WΡ+q)(1+e)cos2α+4.361S2Uαeb)如果计算的冒浆比重d≥1.2,则可按q的计算结果作为浆液用量;如果计算的冒浆比重d小于1.2,又必须用较小的参数进行施工时,则按下面公式计算的校