廣西長洲水利樞紐工程高壓噴射灌漿工藝研究

鄒 剛

(中國水利水電第七工程局有限公司成水公司，四川成都 611130)

1 工程概況

長洲水利樞紐位于廣西西江干流潯江下游梧州市長洲島河段，壩址距下游梧州市約12 km，是一座以發(fā)電為主，兼有航運、灌溉和養(yǎng)殖等綜合利用效益的大型水利樞紐。設(shè)計壩頂高程34.8 m，最大壩高為49.3 m，壩線全長3 350 m;裝機容量630 MW，屬一等工程。

壩址位于長洲島上游端和泗化洲島下游端，跨三江兩島(外江、中江、內(nèi)江、長洲島和泗化洲島)，工程采用河床式開發(fā)，分期導(dǎo)流施工，內(nèi)、中、外三江圍堰工程規(guī)模宏大，其中圍堰及土壩高噴防滲工程量達5萬余m。為了論證高噴防滲墻應(yīng)用于長洲水利樞紐工程的防滲效果，業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理要求在外江圍堰選擇合適的場地進行高噴灌漿工藝試驗。

2 試驗方案

進行了四種高噴工藝和三種噴射方式試驗。試驗布置由系列單樁(板墻)組成(圖1)。試驗工藝包括單管法、兩管法、三管法和二次切割法，每種工藝均進行了定噴、擺噴、旋噴三種噴射方式的試驗。

圖1 長洲水利樞紐工程高噴試驗布置圖

3 工程地質(zhì)條件

3.1 試驗區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件

試驗區(qū)地層:人工填筑塊(碎)石層、粉細沙層、沙卵礫石層、全風(fēng)化基巖。試驗區(qū)地層具體的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件描述如下:

(1)人工填筑塊(碎)石層:由船閘基巖開挖的塊碎石組成，厚1 m左右，粒徑大、架空，粒徑間充填泥土、沙。(2)粉細沙層:為松散含泥粉細沙第②層:厚度3～4 m，灰色、灰白色，含泥約10%，透水性較大;標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗修正值N =4.7 ～13.9擊。(3)卵礫石層:為含泥質(zhì)沙卵礫石③層:厚度2～3 m，稍密狀，卵礫石粒徑小，顆粒細，最大不超過8 cm，卵礫石主要成分為砂巖，透水性大;標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗修正值N=10.7～23.9擊。(4)基巖:為全風(fēng)化的花崗巖，呈碎屑狀，具有浸水緩慢崩解的特點，縱波速度Vp=1 500～2 000 m/s，主要成分為長石、石英;現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗N=6.6～51擊。(5)地下水位在沙層之上，包含沙礫石層、沙層內(nèi)有1.5～2 m深，滲透系數(shù)K平均值為1.11×10－1cm/s，最大值 K=1.74 ×10－1cm/s，屬強透水。高噴試驗區(qū)詳細地質(zhì)情況見圖2。

圖2 高噴試驗區(qū)綜合地質(zhì)剖面圖

3.2 覆蓋層(粉細沙層)顆粒篩分級配(表1、圖3)

表1 粉細沙層顆粒級配表(特細沙、含泥4%)

圖3 沙顆粒篩分曲線圖

3.3 覆蓋層分層聲波測試

聲波測試采用兩孔對穿、面波測試，測試初步結(jié)果為:

強風(fēng)化基巖:1 333～2 258 m/s;沙礫石層:422～734 m/s;純粉細沙層(含泥4%):157～189 m/s。

4 高噴試驗工藝

(1)單管法是用高壓泥漿泵以35～40 MPa或更高的壓力從噴嘴中噴射出水泥漿液射流沖擊破壞土體，同時提升或旋轉(zhuǎn)噴射管，使?jié){液與被剝落下來的土石顆粒摻攪混合，經(jīng)一定時間后凝固，在土中形成凝結(jié)體。

(2)二管法是用高壓泥漿泵產(chǎn)生35～40 MPa或更高壓力的漿液，以及用壓縮空氣機產(chǎn)生0.7～0.8 MPa的壓縮空氣，漿液和壓縮空氣通過具有兩個通道的噴射管，在噴射管底部側(cè)面的同軸雙重噴嘴中同時噴射出高壓漿液和空氣兩種射流沖擊破壞土體，在高壓漿液射流和其外圍環(huán)繞氣流的共同作用下，破壞土體的能量比單管法顯著增大，噴嘴一邊噴射，一邊旋轉(zhuǎn)和提升，最后在土體中形成直徑明顯增加的柱狀固結(jié)體。

(3)三管法是使用能輸送水、氣、漿三個通道的噴射管，從內(nèi)噴嘴中噴射出壓力為40 MPa或更高的超高壓水流，水流周圍環(huán)繞著從外噴嘴中噴射出的圓管狀氣流，同軸噴射的水流與氣流沖擊破壞土體。由泥漿泵灌注較低壓力的水泥漿液進行充填置換。

(4)二次切割法(新三管法)是先用高壓水和氣沖擊切割地層土體，然后再用較高壓力的水泥漿對土體進行二次切割和噴入。水、氣噴嘴和漿、氣噴嘴鉛直間距約0.5～0.6 m。由于水的粘滯性小，易于進入較小空隙中產(chǎn)生水楔劈裂效應(yīng)，對于沖切置換細顆粒有較好的作用;高壓漿液射流對地層二次噴射不僅增大了噴射半徑，使?jié){液均勻注入被破壞的地層，而且由于漿、氣噴嘴和水、氣噴嘴間距較大，水對漿液的稀釋作用減小，使實際灌入的漿量增多，從而提高了凝結(jié)體的結(jié)石率和強度。該法高噴質(zhì)量優(yōu)于三管法，適用于含較多密實性充填物的大粒徑地層。

5 試驗采用的施工方法

(1)施工工藝流程:場地平整壓實→臺車行走→軌道鋪設(shè)→布孔、鉆機就位→校準(zhǔn)角度、造孔→測斜→下PVC管、起拔導(dǎo)管→高噴臺車就位→試噴、下噴具→靜噴、噴灌→孔口注漿、回灌、封孔→高噴臺車移位。

(2)鉆孔施工:①根據(jù)試驗鉆孔布置圖，按順序進行鉆孔。②鉆孔質(zhì)量要求:鉆孔孔位偏差不大于5 cm，孔深偏差不大于10 cm，孔底沉淀不大于20 cm，孔斜率小于1%。③鉆孔記錄:鉆孔過程中，詳細準(zhǔn)確記錄鉆孔時遇到的各種現(xiàn)象。④鉆孔護壁:鉆孔終孔后，先取出鉆桿，然后下入φ100×1.5 mm PVC 管護壁，起拔套管。

(3)漿液配制:試驗用的漿液有純水泥漿、水泥-膨潤土漿、水泥-粉煤灰漿等三種漿液。①漿液配比:純水泥漿:1∶1、0.67∶1(配比指水與水泥的配比)。水泥-膨潤土漿:1∶1、0.80∶1，膨潤土用量為水泥的 15%。水泥-粉煤灰漿:1∶1、0.80∶1(配比指水與水泥的配比)，粉煤灰用量為水泥的15%。②漿液拌制及使用:加料順序:純水泥漿:水→水泥→使用;水泥-膨潤土(粉煤灰)漿:水→膨潤土(粉煤灰)→純堿→水泥→使用。

(4)高噴灌漿:①高噴灌漿施工工序:臺車行走、就位及調(diào)試→噴具組裝及檢查→地面試噴→下噴具→靜噴、噴灌→孔口注漿、回灌、封孔→高噴臺車移位。②高噴:當(dāng)噴具下入到設(shè)計深度后，啟動旋擺機，調(diào)節(jié)風(fēng)、水、漿的流量、壓力和旋擺機的旋轉(zhuǎn)速度，使之達到設(shè)計值，待孔口返漿比重符合要求后開始提升，邊旋轉(zhuǎn)邊提升，自下而上噴射灌漿，直至孔口停噴。③高噴灌漿結(jié)束后，由專人負責(zé)用棄漿進行孔口注漿，直到回填密實。

6 試驗施工成果分析

試驗了四種工藝，即:單管法、兩管法、三管法、二次切割法(新三管法);以及三種漿液試驗，其試驗成果分析如下:

6.1 單管法

單管法工藝試驗了兩個孔，孔號為:S10、S11;噴射方式:擺噴、旋噴。

(1)墻體描述。S10擺噴孔成墻情況:在粉細沙層中，墻體最大半徑為0.45 m，墻厚46 cm，墻體小、墻體薄，膠結(jié)良好，墻體上能明顯看到高噴孔的痕跡，墻體輪廓規(guī)則、清楚、平整。S11旋噴孔成墻情況:在粉細沙層中，樁體最大半徑為0.475 m，在沙卵礫石層中，樁體最大半徑為0.46 m，樁體膠結(jié)良好，樁體上能明顯看到高壓水留下的刻痕，樁體光滑，輪廓規(guī)則、清楚。

(2)單管法工藝總結(jié):單管法進行高噴灌漿的耗漿量由高噴提升速度決定，單管法進行高噴灌漿所使用的漿液最大配比為1∶1、漿液比重最大不超過1.4 g/cm3。單管法能處理粉細沙層，單管法高噴所成的墻或樁的半徑都比較小(45 cm左右)，擺噴墻體半徑與旋噴墻體半徑相差不多。

6.2 兩管法

兩管法工藝試驗了三個孔，孔號為:S7、S8、S9;噴射方式:定噴、擺噴、旋噴。

(1)墻體描述。S7定噴孔成墻情況:在粉細沙層中，墻體最大半徑為3.5 m，墻厚17 cm，墻體較薄，比較光滑;在沙卵礫石層中，墻體最大半徑為1.45 m，墻厚22 cm，墻體不太規(guī)則，卵礫石膠結(jié)良好。在高噴孔處，墻體厚度大小為一個鉆孔直徑。S8擺噴孔成墻情況:在粉細沙層中，墻體最大半徑為2.08 m，墻厚70 cm，高噴墻末端凹陷深度為60 cm，高噴墻體比較光滑;在沙卵礫石層中，墻體最大半徑為1.93 m，墻厚80 cm，墻體末端不存在凹陷，墻體不太規(guī)則，卵礫石膠結(jié)良好，墻體上能明顯看到高噴孔的痕跡。S9旋噴孔成墻情況:在粉細沙層中，墻體最大半徑為0.86 m，高噴墻體上存在一圈一圈的刻痕;在沙卵礫石層中，墻體最大半徑為0.86 m，墻體不太規(guī)則，卵礫石膠結(jié)良好。

(2)兩管法工藝總結(jié):兩管法進行高噴灌漿的耗漿漿量由高噴提升速度決定，兩管法進行高噴灌漿所使用的漿液最大配比為1∶1，漿液比重最大不超過1.4 g/cm3，兩管法非常適合處理粉細沙層，處理粉細沙層的效果非常好，兩管法高噴所成的墻或樁的半徑較大。三種噴射方式形成的墻體半徑從大到小為:定噴、擺噴、旋噴。

6.3 三管法

三管法工藝試驗了三個孔，孔號為:S4、S5、S6;噴射方式:定噴、擺噴、旋噴。

(1)墻體描述。S4定噴孔成墻情況:在粉細沙層中，高噴墻體最大半徑為2.9 m，墻厚22 cm，沙礫石中，高噴墻體最大半徑為2.2 m，墻厚33 cm，沙礫石層中墻體比沙層中厚;墻體平滑光整，墻體內(nèi)還有沒噴爛的PVC管。S5擺噴孔成墻情況:在粉細沙層中，高噴墻體最大半徑為2.2 m，墻厚103 cm，高噴墻末端凹陷深度為60 cm，沙礫石中，高噴墻體最大半徑為1.9 m，墻厚83 cm，沙層中墻體比沙礫石層中厚，墻體平滑光整。S6旋噴孔成墻情況:在粉細沙層中，樁體直徑為0.765 m;在沙礫石層中，樁體直徑為0.59 m，樁體光滑，上大下小，墻體膠結(jié)良好。

(2)三管法工藝總結(jié):三管法進行高噴灌漿施工耗漿量比較大，主要是高壓水對漿液稀釋作用所致。三管法也能處理好粉細沙層。三管法高噴所成的墻或樁的半徑較大，三種噴射方式形成的墻體半徑從大到小為:定噴、擺噴、旋噴。

6.4 二次切割法(新三管法)

二次切割法(新三管法)工藝試驗了四個孔，孔號為:S0、S1、S2、S3;噴射方式:擺噴、定噴、擺噴、旋噴。

(1)墻體描述。S0擺噴孔成墻情況:高噴墻體的直徑大約為1.1～1.2 m，墻體直徑比較小，墻體的厚度很薄，主要是高噴不用風(fēng)所致。S1定噴孔成墻情況:開挖墻體半徑為2.1 m，粉細沙層墻厚6.5 cm，沙礫石層墻厚16 cm，墻體比較薄，墻體半徑較大，墻體比較光滑。S2擺噴孔成墻情況:在粉細沙層中，墻體半徑為2.17 m，最大墻寬65 cm，高噴墻的末端有一個40 cm的凹弧面，墻體平滑光整，墻體內(nèi)還有沒噴爛的PVC管，原高噴孔內(nèi)被小礫石膠結(jié)物充填而不是純水泥漿結(jié)石。S3旋噴孔成墻情況:在粉細沙層中，樁體半徑為0.75 m，樁體最大半徑為1.07 m;沙礫石層中，樁體半徑為0.685 m，整個樁體有縮頸現(xiàn)象，縮頸現(xiàn)象發(fā)生在孔深5 m，樁體水泥含量少，主要是在孔深4.8 m處有一只漿嘴被堵所致。

(2)二次切割法工藝總結(jié):二次切割法采用雙噴嘴、雙高壓液對地層進行兩次重復(fù)切割，對地層切割的范圍比較大，形成的高噴墻體質(zhì)量比較好;由于二次切割法采用高壓水、高壓漿兩管，高壓水對高壓漿液有稀釋作用，使高噴墻體的強度受到影響;漿液為高壓漿，漿液的濃度也受到限制(最大漿液配比不超過1∶1)。試驗中試驗了四個孔，三種噴射方式形成的墻體半徑從大到小為:定噴、擺噴、旋噴。沒有用風(fēng)的試驗孔成墻半徑最小。

7 高壓噴射灌漿工藝試驗得出的結(jié)論

(1)試驗了四種高噴工藝:單管法、雙管法、三管法、二次切割法。通過對試驗實物成果——高噴墻體進行的測量、描述，系統(tǒng)地分析了高噴工藝、高噴參數(shù)、高噴墻體之間的關(guān)系。在高噴參數(shù)一定的情況下，四種工藝都能處理粉細沙層，其成墻質(zhì)量從好到壞依次為二次切割法、雙管法、三管法、單管法;其成墻成樁半徑從小到大排列為:單管法、雙管法、三管法、二次切割法。

(2)本次試驗的噴射方式有:定噴、擺噴、旋噴三種。在同一種工藝下，高噴成墻成樁半徑從大到小依次排列為:定噴、擺噴、旋噴;高噴墻體厚度從薄到厚排列依次為:定噴、擺噴、旋噴。

(3)試驗所采用的高噴參數(shù)完全進行定量控制，試驗所得成果(實物成果——高噴墻體)均進行了定量描述，試驗后，取得了高噴施工參數(shù)與高噴墻體之間的定量關(guān)系。

總之，通過此次系統(tǒng)的高噴試驗，了解了高噴工藝及工法原理，定量地描述了高噴參數(shù)和高噴成果的關(guān)系，查明了影響高噴質(zhì)量的工藝、工法、高噴參數(shù)等因數(shù)。