高压摆喷灌浆技术在小海子水库工程中的应用

高压摆喷灌浆技术在小海子水库工程中的应用

1高压喷射灌浆在地质中的应用实例高压喷雾剂（高喷针头或高喷）是利用高压或高压溶液形成高速喷雾流的，切割并破坏层土，并用水泥基质溶液填充。形成桩柱或板墙的结构体，提高了基础防渗透或承载能力。摆喷是使喷射管做成一定角度的摆动和提升运动,在地层中形成扇形断面的桩柱体的高喷灌浆施工技术。高压喷射灌浆于20世纪60年代首创于日本;70年代初我国铁路、煤炭、水利及冶金系统相继引进,开始研究和应用高压喷射灌浆技术,目前已广泛地应用于各种建筑物地基的加固工程中;80年代初我国水利系统于此项应用于山东白浪河土坝防渗并取得良好效果。高压喷射灌浆适用于软弱土层,如第四纪的冲(淤)积层、残积层以及人工填土等,实践证明,砂类土、黏性土、黄土和淤泥等地层均能进行喷射加固,效果较好。在水利水电建设中,广泛应用于低水头土石坝坝基等防渗工程。2小海子水库高压喷射原因2.1渗流破坏成坝的原因小海子水库位于甘肃省张掖市,是一座平原中型注入式水库,总库容1048.1万m3。水库分隔为上、中、下3库。中库建于1958年,1987年在中库的上游兴建上库。2002年结合除险加固,在中库下游兴建下坝,下坝坝型为均质土坝,坝顶高程1370.50m,最大坝高8.67m,正常蓄水位1368.10m。2007年4月19日,小海子水库下库北坝发生决口,水库溃口位于新建成的下库北坝中间位置。水库溃坝事故属非自然因素造成的渗流破坏所致,渗流破坏先从坝后排水沟下粉细砂层渗透变形涌出开始,逐渐向上游发展,坝基被掏空,形成上下游贯穿的渗漏通道,导致坝体沉陷、坍塌,最终酿成决口垮坝。决口宽约41.5m,桩号2+681.0～2+722.5,高度约为8.1m。2.2地层岩性和覆岩小海子水库地处祁连山山前冲洪积平原前缘顶与细土平原过渡带上,地层岩性在地表为第四系全新统湖沼相堆积和风积层下部为第四系全新统积洪积层,深部为第四系中、下更新统巨厚层的松散砂卵砾石、砂砾石、中细砂夹亚黏土等。2.3高压喷射灌浆防渗墙设计根据大坝决口原因分析及大坝安全评价,桩号2+650～2+750段按平行于坝轴线,自前坝脚上游两米处布设高压喷射灌浆防渗墙进行垂直防渗处理。根据渗流稳定计算,设计高压喷射灌浆防渗墙高12m,墙厚0.2m,防渗墙长100m,可满足渗流稳定要求。另外,大坝桩号2+500～3+200长600m(不含溃口段)段,根据工程地质分析,该段为已经发生接触冲刷破坏的范围,需要进行高喷墙(墙高6m、厚0.2m,布置于前坝脚上游2m)也需进行垂直防渗处理。高压摆喷防渗墙平面布置如图1所示。3现场试验确定高压喷雾干燥参数3.1孔深、分与序孔高压摆喷试验为生产性试验,按施工图纸以及合理利用的要求,试验区段设在设计轴线上进行试验,在桩号0+766～0+786.5段,按2.0m、1.5m、1.0m的3种孔距布孔,其中:0+766～0+774段布置5个2.0m孔距的孔(3个Ⅰ序孔,2个Ⅱ序孔);0+774～0+781.5段布置1.5m孔距的5个孔(2个Ⅰ序孔,3个Ⅱ序孔);同时在0+781.5～0+786.5段布置5个1.0m孔距的孔(3个Ⅰ序孔,2个Ⅱ序孔),孔深均为6.3m,共布置钻孔15个,试验段总长20.5m。采用三管法施工,喷头有2个喷嘴,喷嘴直径1.6～1.9mm,浆、气、水同轴喷射。摆喷采用单排孔,分Ⅰ、Ⅱ序孔两序分序加密施工,凝结体之间采用对接式连接。试验段孔位布置如图2所示。3.2成墙效果分析通过试验,认为原设计摆喷2.0m的孔距过大,不能形成连续的防渗墙体,难以满足设计的成墙要求;1.5m的孔距布置较合理,高喷防渗墙体连续、完整,成墙效果较好,能满足设计要求及工程防渗标准;1.0m的孔距高喷防渗墙体虽然成墙效果好,能满足设计要求及防渗标准,但工程造价大,材料浪费过多。试验建议高压摆喷防渗墙施工参数采用表1参数。4工程技术和关键技术4.1钻孔施工(1)确定钻孔的孔位和终孔的把握,造孔长度采用泥浆护壁,合金钻头回转钻进的方法,选用XY-2型地质钻机造孔;钻机安装应周正、平稳,立轴对准孔位后,保证钻塔天车中心、立轴中心和孔位中心在同一轴线上,孔位偏差不得大于50mm;钻孔终孔直径不小于110mm,终孔孔深大于设计要求的摆喷深度30cm以上,孔底沉淀小于50cm,孔斜率不得大于0.3%;造孔进度与后续的摆喷进度相协调,不宜过快;对于终孔待喷的孔,放置时间较长时,孔口应加以保护。(2)孔口返出的豆浆固壁泥浆采用优质黏土作为制浆用主要材料,钻孔时孔口返出的泥浆经沉淀重新利用,当泥浆中的含砂量超过要求时,予以废弃,以防孔内事故发生,必要时使用膨润土等标准制浆材料。(3)pvc管壁在决口段2+650～2+750造孔时,由于在冲坑回填时填筑了厚约0.5～2.8m块石料和砂砾石垫层料,地下水位又高,孔内塌坍严重,泥浆护壁达不到成孔护壁的要求,故采用PVC管护壁。成孔采用跟管钻进,跟入φ127钢套管,造孔完成后,在φ127套管内下入φ110PVC管,最后将套管拔出,用φ110PVC管进行护壁。4.2孔口摆动灌浆高喷灌浆本工程高压摆喷灌浆采用三管法施工,摆喷墙结构形式为摆喷对接式,摆角为30°。施工时分两序进行,即先施工1、3、5…等Ⅰ序孔,后施工2、4、6…等Ⅱ序孔。钻孔验收,高喷台车就位并对准孔口后,依施工轴线为准进行地面试喷,一方面检查各设备正常运转时能否达到各项参数,一方面检验摆角是否在轴线两侧均匀分配。喷射管下到设计深度后,供浆、水、送风开始静喷,等各压力参数和流量参数均达到设计要求值,且水泥浆液已返出孔口时,即可按预定的提升速度进行摆动喷射灌浆。为保证孔底摆喷质量,孔底静喷时间应不少于2min。高喷灌浆应保持全孔连续一次作业,作业中拆卸喷射管等停顿后,重复喷射灌浆长度不小于0.5m;在高喷灌浆过程中,出现压力突降或骤增,孔口回浆浓度和回浆量异常,甚至不返浆等情况时,查明原因后及时处理,当孔内出现严重漏浆,应采取以下措施处理:(1)应停止提升,孔口少量返浆时,应降低提升速度;(2)降低喷射压力、流量,进行原位灌浆;(3)在浆液中掺加速凝剂;(4)加大浆液密度或进行原地灌水泥砂浆、水泥黏土浆等;(5)向孔内冲填粗砂、土等堵漏材料。供浆正常情况下,孔口回浆密度变小,回浆量增大,不能满足设计要求时,应降低气压并加大进浆密度或进浆量。如灌浆过程中发生串浆,则首先填堵串浆孔,继续原孔的高喷灌浆;待其结束后,尽快进行被串孔的扫孔,进行高喷灌浆。高喷灌浆因故障恢复施工时,重复高喷灌浆长度不小于0.5m,停机超过3h时,应对泵件输浆管路进行清洗后,方可继续施工。施工中要如实记录高喷灌浆和各项参数,浆液材料的用量、异常情况及处理措施等。高喷灌浆结束后,充分利用孔口回浆或水泥砂浆对已完成孔及时进行多次回灌,直至浆液面不再下降为止。有些区段高喷墙顶端在地面以下较深,为保证回灌质量,应在提出喷射管的过程中,利用高压水射流将上端孔径扩大,防止因孔径缩小而影响回灌质量。4.3水泥浆液配制水泥是高喷灌施工中的主要材料,本工程选用32.5普通硅酸盐水泥。水泥浆液精确配制,定时检测,比重控制在1.5～1.6g/cm3,并及时做好记录。水泥浆液随配随用,不能长时间留存,因停电及机械故障造成灌浆机停止工作,超过4h后,浆液应废弃不再使用。5抗压强度及渗透系数检测小海子水库高压摆喷灌浆工程共完成高喷钻孔696个,钻进累计进尺5398m,高压摆喷累计深度为4578m,水泥总用量为2079.21t。为进一步检测施工质量,高喷灌浆施工过程中,随机在0+780、1+122、1+720、2+525.5、2+655、2+888.5等6处,对高喷孔口返浆进行了采集取样,用标准试模,每段制作成了一组浆液试块,达到养护龄期28d后,送检测中心对高喷墙体的抗压强度及渗透系数进行了试验室检测。结果表明,黏土层墙体的抗压强度为2.10～2.66MPa,砂土层墙体的抗压强度为3.56～4.24MPa,均大于土层2