不对称高压摆喷灌浆法在水利工程中的应用

不对称高压摆喷灌浆法在水利工程中的应用

1水库垂直防渗透墙的加固处理方法1.1墙体或墙体（1）水库垂直防洪墙是水库承受水平渗透压力的渗透结构。结构单薄，垂直于水库和基础层。(2)堤坝垂直防渗墙施工为分块或分槽孔对接成墙,墙体一般为混凝土墙或塑性混凝土墙。(3)墙体缺陷一般为对接开叉、墙体下部与相对隔水层接触不好、墙体中部断层。(4)因堤坝及地基的不均一和造墙槽孔塌陷,两侧墙面往往存在不规则的突出,因此墙面不一定是规则平面。(5)堤坝垂直防渗墙缺陷分布具有不确定性。(6)堤坝垂直防渗墙隐蔽于堤坝和地基内,目前尚无有效的检测手段能够查明墙体缺陷的准确部位。1.2垂直防渗墙缺陷符合以下四种方法堤坝垂直防渗墙缺陷处理有堵、排两种。对于渗量和渗流溢出水力坡降小的缺陷,可以采取反滤排水法处理,使堤坝和地基处于安全渗漏状态;对于渗量和渗流溢出水力坡降大的缺陷,则需对垂直防渗墙缺陷进行以堵为主的补强方法处理,使堤坝和地基渗流控制在安全状态。垂直防渗墙缺陷补强方法一般采用灌浆(定点灌浆和高喷灌浆)法。根据堤坝垂直防渗墙结构和缺陷特点,定点灌浆法因被修补防渗墙缺陷位置和定点灌浆影响范围难以确定而不宜采用;高喷灌浆法具有灵活和喷射凝结体影响范围较易控制的优点。为了保证补强质量,优化高喷灌浆工艺,确定高喷灌浆参数,笔者选择了“不对称高压摆喷灌浆补强法”,并对该方法进行了试验研究。所谓“不对称”高压摆喷灌浆,是指喷嘴的不对称。“不对称高压摆喷灌浆补强法”的特点是将高喷灌浆与被修补的堤坝垂直防渗墙联合防渗,这样能够有效的减少施工工法和施工控制不稳定带来的工程缺陷与被修补的堤坝垂直防渗墙缺陷相重叠的机率,最大限度地保证工程质量。2试验参数的选择不对称高压摆喷灌浆方法与对称高压摆喷灌浆相同。在灌浆参数的选择方面,因不对称高压摆喷灌浆的工作原理与对称高压摆喷灌浆基本相似,所以不对称高压摆喷灌浆的灌浆设备和参数可参照对称高压摆喷灌浆规程来选择试验参数。不对称高压摆喷灌浆与对称高压摆喷灌浆在工艺上的主要区别是灌浆孔平面布置方式,在满足防渗要求前提下,为减少水泥用量,保证高喷灌浆凝结体和被修补的堤坝垂直防渗墙的防渗功能,喷嘴夹角采用140°或155°,对应摆角为50°或35°的不对称方式,使高喷灌浆凝结体与被修补的堤坝垂直防渗墙粘合成统一的防渗联合体(见图1),这样可以扬堤坝垂直防渗墙强度高、高喷灌浆凝结体防渗性好之长,避堤坝垂直防渗墙和高喷灌浆凝结体缺陷重合之短,有效地提高防渗联合体的防渗功能。3不对称高压喷灌试验3.1粗砂层渗透系试验地点位于抚河中游I级阶地临河边缘,地基为第4系冲积砂砾石单层结构,上部为中粗砂层,厚6.3m,渗透系数5.35×10-4cm/s,不均匀系数3.71;下部为圆砾层,厚2.2m,含中粗砂30%,砾石42%,卵石28%,渗透系数1.30×10-3cm/s,不均匀系数24.13。3.2垂直防渗墙缺陷修补不对称高压摆喷灌浆试验是针对抚河中游I级阶地已建射水法造混凝土垂直防渗墙缺陷修补而进行的。根据抚河中游I级阶地的地质条件和垂直防渗墙工况特点,不对称高压摆喷灌浆试验方案见表1。3.3不对称高压喷雾剂的试验参数根据试验场地岩土层的分布情况和松散层的颗粒粒径,在粗颗粒松散层中适当降低不对称高压摆喷灌浆提速和摆速,基本参数见表2。3.4主地板层压缩试验的主要施工设备为不对称高压填充试验主要施工设备见表3。3.5施工过程与对称摆喷相同。3.6施工方法高喷灌浆试验采用摆喷。下注浆管、静喷、摆动喷射、提升成墙和静压回灌。3.7深刻性围井围井不对称高压摆喷灌浆效果检查,采取开挖和注水试验相结合的方式进行。第1组围井:上部中粗砂层围井内壁不平整,井径比设计更小,单孔喷射半径为0.80～0.95m;下部圆砾层墙体搭接良好;渗透系数1.92×10-6cm/s。第2组围井:上部中粗砂层单孔有效喷射半径为0.65～0.90m,没有满足单孔有效喷射半径为0.70m的要求,搭接位置有两道长30cm,宽10cm的缝隙;下部圆砾层墙体也未搭接好;注水漏水明显。第3组围井:上部粗砂层单孔有效喷射半径为0.65～0.95m,下部圆砾层墙体搭接良好,围井内径也比第4组围井小;渗透系数5.4×10-7cm/s。第4组围井:上部粗砂层单孔有效喷射半径为0.65～0.95m,围井表面成型较规则;下部圆砾层墙体搭接良好;渗透系数3.77×10-6cm/s。3.8围井围井效果从试验检查结果分析,注水试验检查表明,第2组围井渗透系数不能满足要求,而其他3组围井基本满足规范渗透系数K<i×10-6cm/s(1≤i≤9)要求。开挖检查表明,第1组围井内壁不平整,井径比设计更小,说明高喷孔距偏小;第2组围井内壁较平整,但墙体未搭接好,说明高喷孔距偏大;第3组围井内径也比第4组围井小,且围井内壁较不平整,说明高喷孔距偏小;第4组围井井壁表面成型较规则,墙体搭接良好,说明高喷孔距适中。试验证明,采用HT-60型高喷灌浆机在砂砾卵石层进行不对称高压摆喷灌浆的处理深度大于20m,二管法凝结体有效影响半径为0.65m,三管法凝结体有效影响半径为0.70～0.75m。其他主要施工选定参数见表4。4不对称高压法的讨论4.1高压摆喷射流凝结体内部安全喷射距离的确定E=ΡQ/(100V)(1)E=PQ/(100V)(1)式中:E为每米旋喷柱耗用的能量,MJ/m;P为喷射灌浆压力,MPa;Q为射流浆量,L/min;V为提升速度,cm/min。当采用摆喷,摆角为β度时,射浆能量比能值E′是:E′=180E/β=18ΡQ/(1000Vβ)(2)E′=180E/β=18PQ/(1000Vβ)(2)式中:E′为摆喷射浆能量比能,MJ/m;β为摆角,°。E′值大,摆喷喷射半径越远,喷嘴离被修补防渗墙体越近,高压摆喷射流对被修补防渗墙体冲切力越大。为了不使高压摆喷射流对被修补防渗墙体产生破坏,需要确定安全喷射距离,在确定安全喷射距离之前,需要确定喷嘴出口浆液作用力。根据流体力学原理求解喷嘴出口浆液作用力,其表达式为F=ρQsinβ(3)式中:F为浆液出口作用力,N;ρ为喷嘴内浆液压强,Pa;Q为喷嘴浆液流量,m3/s。由试验测得高压摆喷射流凝结体在土体中的有效半径为L,设单层土体在水平方向具均一性,高压摆喷射流末端冲切力为0,则喷射浆液冲切力的沿程衰减系数为(L-Li)/L,由此可以导出高压摆喷射流在Li位置(以喷嘴为原点,浆液射流方向为L轴正方向)的冲切力为:Fi=ρQsinβ(S-Si)/S(4)式中:S为试验实测高压摆喷射流凝结体在土体中的有效半径,m;Si为浆液射流方向任意位置,m。设被修补防渗墙体设计抗压强度为Rb,则其允许压应力表达式为:Fi/πΜ2i≤Rb(5)Μi=Lita(α/2)(6)将式(4)、(6)代入式(5)得到:πRbLta2(α/2)⋅S2i+ρQsinβ⋅Si-ρQLsinβ≥0(7)式中:Rb为被修补防渗墙体允许抗压强度,Pa;α为喷射流收敛圆锥角α=13°14′(水力试验值)。解不等式(7),取Si的正数解即为喷嘴至被修补防渗墙体侧面的安全喷射距离。据不对称高压摆喷灌浆试验检测结果,二管法安全喷射距离一般为0.40～0.45m为宜,三管法安全喷射距离一般为0.50～0.55m为宜。在安全喷射距离之外的高喷射流束仍然有一定的冲切力,该冲切力不再对被修补防渗墙体。但会在被修补防渗墙体一侧墙面继续折向冲切和搅拌土体,使凝结体与被修补墙体充分结合。为了保证凝结体和凝结体与被修补墙体结合部位的质量,喷射结束后,静压灌浆需持续进行,被修补防渗墙体利用静压灌浆对周围土体产生的渗透作用,可以促使凝结体与被修补墙体结合更加密实,从而增强凝结体的防渗性能。4.2喷浆导管偏离值确定由于喷嘴的不对称,当喷嘴向墙体侧面高压喷浆时,浆液冲击墙体会有一个反力,反力的大小由式(3)求得。该反力迫使喷嘴远离墙体,喷浆导管的理论偏离值为:δb=FL3/3EoΙ(8)Ι=πr3t(9)式中:δb为导管理论偏离值,m;F为喷嘴反力,N;L为导管长度,m;Eo为导管弹性模量,Pa;I为导管惯性矩,m4;r为导管内外直径平均值,m;t为导管壁厚度,m。经计算,喷浆导管偏离值大于高喷导孔直径,喷嘴将有远离被修补墙体的趋势,从而使凝结体不能与被修补墙体良好结合。为了在松软土体中不至于使喷浆导管偏离过大,一般在下喷浆导管的过程中需要喷嘴微压出浆,以保护高喷导孔孔壁稳定,有利于高喷导孔孔壁对喷浆导管偏离的限制,这样喷浆导管偏离值就会很小。根据不对称高压摆喷灌浆试验检测结果分析,在不对称高压摆喷灌浆施工中,喷浆导管偏离值可以忽略不计。4.3不对称高压喷雾液与修复后的抗渗墙体之间的连接分析(1)高喷射浆注浆根据高喷灌浆工作原理,高喷浆对土体产生切割、搅拌和置换作用,高喷浆在有效喷射范围内,能与凝聚力接近0的砂土充分搅拌形成渗透系数K<i×10-6cm/s(1≤i≤9)的凝结体,并与被修补墙体良好连接。(2)不同工况下不对称高压摆喷灌浆凝结体的封闭处理从图1可知,不对称高压摆喷灌浆凝结体的上下端存在三角形“天窗”没有封闭,对三角形“天窗”的封闭,需根据不同工况作不同的处理。①对于全封闭高喷灌浆凝结体,不对称高压摆喷灌浆凝结体的上下端三角形“天窗”可以不作封闭。②对于不对称高压摆喷灌浆凝结体为悬挂式,或高喷灌浆凝结体顶低于正常蓄水位的情形,不对称高压摆喷灌浆凝结体的上下端三角形“天窗”应作封闭处理。封闭处理方式可在底、顶部土体各增加0.5～1.0m高的210°摆喷或旋喷。5射流冲击下的加固和修补作用不对称高压摆喷灌浆质量检查与常规高压摆喷灌浆方法一致,有灌浆凝结体取芯