水电站施工围堰高压喷射灌浆防渗技术

摘   要：高压喷射灌浆是80年代在堤坝涵闸的防渗工程中发展起来的一项技术，随着施工技术的进步，该技术在水电站的施工围堰的防渗中应用也越来越普遍。高压喷射灌浆用于水电站围堰防渗，关键在于施工设备、施工参数的选择。
    关键词：围堰；高压喷射灌浆；喷射参数

    1 、前言水电站施工围堰是基坑开挖挡水的重要临时设施，对于大型水电站的施工围堰一般要进行防渗处理，以减少抽水量，并保持施工工作面的稳定。近几年随着水电站工程的展开，特别是在几个大型水电站应用的推动下，高压喷射灌浆作为水电站围堰防渗技术已日趋成熟。
    高压喷射灌浆技术，开始阶段只用于粉细砂地层，随着理论技术水平的提高、设备条件的改进、工艺方法的不断完善，这项技术已拓宽至极弱软淤泥及淤泥质地层加固和含大颗粒极不均匀砾卵漂石地层的防渗加固工程。它具有较好的防渗性能，施工简便、灵活，机具震动小，噪音低，拆除易，特别适用于水电站土石围堰这样的临时工程。
    2 、高压喷射灌浆机理高压喷射灌浆的机理是置换灌浆，即利用置于钻孔中的喷射管，通过高压水（浆）、气同轴喷射，在提升过程中，高压水（浆）、气射流使土体被冲切，经高压水（浆）、气的搅拌作用成为泥浆，同时由下而上灌注纯水泥浆或水泥砂浆，使泥浆被升扬置换到地面，形成渗透系数小，具有一定强度的凝结体，达到堰（坝）体防渗和提高地基承载力的作用。
    灌注浆液只在射流作用范围内扩散充填，有着较好的可灌性和可控性。高喷灌浆凝结体是多种因素综合作用的结果，工作条件和地层因素起主导作用。从理论和工程实践分析，高喷灌浆的作用机理主要有以下几个方面：2.1 冲切掺搅作用当喷射流能量直接对土体产生冲切作用，造成土体结构破坏，并使浆液与被冲切下来的土体颗粒混合。
    2.2 升扬置换作用射流在冲切过程中沿孔壁产生的升扬置换作用是指实行水气、浆气喷射时，压缩空气除了起保护射流束的作用外，能量释放过程产生的气泡能携带被冲切下来的土体颗粒沿孔隙内上升扬到孔口。这样，土体部分颗粒被升扬置换出地面。同时浆液灌入地层，使地层组成成分产生变化。
    2.3 充填挤压作用射流束末端，能量衰减，虽不能冲切土体，但对土体产生挤压力，同时喷射结束后，静压灌浆作用仍在进行，对周围土体和浆液不断产生挤压作用，促使凝结体与周围土体结合更为紧密。
    2.4 渗透凝结作用喷射灌浆过程中除在冲切范围内形成凝结体外，还可以向冲切范围外的土体产生浆液渗透作用，形成渗透凝结层，其厚度与地层的级配及渗透性有关。
    2.5 位移袱裹作用试验表明，在射流冲切掺搅过程中，若遇大颗粒如卵漂石等，则随着自下而上的冲切掺搅，在冲击震动力作用下，大颗粒将产生位移，被浆液袱裹；浆液也可沿着大颗粒间孔隙周围直接产生袱裹凝结作用，亦即该法可用于卵漂石地层及堆石体的原理。
    3 、施工设备高压喷射灌浆有多种方法，目前在施工围堰防渗中多采用单管法、双管法和三管法。近年，高压泥浆泵性能的提高，新三管法得到了广泛的应用。
    所谓新三管法是以水、气、浆为介质喷射的工法，是在原三管法的基础上改低压注浆为高压射浆，形成双介质高压喷射的施工方法。新三管法的工艺特点是首先用高压水切割冲击原始地层，然后再用高压射浆对地层进行二次切割。同时由于浆嘴、水嘴间间距较大，水对浆的稀释作用大大减小。新三管法与原三管法相比，不仅增大了喷射半径，也提高了凝结体的结石率及强度。
    3.1 钻孔设备高压喷射灌浆中主要采用三种类型的钻机：地质回转钻机、改进型工程钻机、套管跟进钻机。
    由于国产回转钻机来源广，操作简单，在处理深度不大，地质条件不特别复杂的工程中回转钻机被广泛采用。根据我们的经验，钻机应不小于300 型，并针对地质情况采用合金钻头、钢粒钻头、金刚石钻头。
    一般高压喷射灌浆施工深度不超过100m，且大部分地层属于松软地层或卵漂石地层，造孔直径不超过150mm ，因此绝大多数国产地质钻机即可满足施工要求。
    在处理大粒径地层时，普通钻机效率低，较适用的钻孔方法是采用潜孔锤跟管钻进，它的功效比普通钻机可提高十几倍。
    3.2 高压水泵高压水泵是产生高压水射流的装置。高压水射流切割掺搅地层，要求水喷嘴有较高的出口流速，因此这就要求选择压力尽可能高的高压泵。目前多采用3D2/S 型高压柱塞泵，其额定排出压力为50或70Mpa ，流量75L 燉min 或50L 燉min. 3.3空压机空压机产生的压缩空气，用来在水射流周围形成环形气幕起保护水射流的作用，减缓水射流的压力衰减程度，以增加水射流的冲切能量，还能起到掺搅及升扬置换作用。工程中一般采用YV型活塞式普通空压机，其排气压力7 ～8kg 燉cm2 ，空气排量3 或6m3 燉min.随着孔深的增加，对升扬置换能力的要求越来越高，1.5Mpa空压机也已开始在工程中应用。如在三峡二期围堰试验工程中就采用了南京压缩机厂产的LW/6燉15型空压机。
    3.4 搅浆机常用的搅浆机有强制式和水冲式两种类型，强制式搅浆机有卧式和立式两种。常用的卧式搅浆机是在我院指导下研制的WJ80型搅浆机和JS300 型搅浆机：能搅制水泥浆、粘土浆及水泥粘土浆等，具有高速搅浆，自动筛浆，自动拌浆储浆的功能，并可连续作业。
    3.5 灌浆泵灌浆泵是将浆液灌入地层，因而需要有一定的压力和流量。在三管法高压喷射灌浆中，最常用的灌浆泵是HB80型单柱塞灌浆泵，最大工作压力1Mpa，流量80L 燉min.有些工程中低压灌浆泵被高压泥浆泵代替，采用高压射浆，称为新三管法，高压泥浆泵有SNC/H300型水泥注浆车的泥浆泵和PP/120型高压灌浆泵。
    排浆压力可达30～40Mpa. 3.6喷射装置喷射装置是高压喷射灌浆施工的专用设备。
    通过它将水、气、浆喷射注入地下。喷射装置主要由高压龙头、喷射管和喷头组成，以三管法的最为复杂。三管龙头将静止的胶管与旋摆状态的喷射管道连接起来，并对水、气、浆分别密封，防止泄漏。喷射管是将水、气、浆送入喷头的装置。施工深度较深时，喷射管之间连接也成为制约施工速度的一个重要因素，以前喷射管所采用螺母压胶圈连接，我们经过多年的摸索，研制出一种三管分别承插式压胶圈连接形式，既节省了接管时间，又克服了密封不严的弊端。喷头是实现水（浆）、气同轴喷射并完成注浆的装置，根据工程需要，喷头有多种形式，喷头上的喷嘴是高速射流的出口，过流速度大，磨损严重，因此我们研究采用了YG8 硬质合金做成的复合喷嘴。
    3.7 提升台车喷射台车一般由塔架机构，提升机构，旋、定、摆机构和液压系统等部分组成。台车塔架能自动起落，采用液压步履装置，移位方便；提升装置采用卷扬机提升，可无级调速，可调用需要的提升速度。旋、定、摆装置是用来使喷射装置进行旋转、摆动、定向的设备。常用的旋、定、摆装置有两种，一种是安装在台车底盘上，另一种是随喷射管一起抬升。
    4 、高喷灌浆施工工艺在高压喷射灌浆施工中，使用单向喷嘴和双向（90°～180 °夹角）喷嘴，分别或组合采用旋喷、定喷和摆喷工艺，可以形成符合设计要求几何尺寸和性状的桩、板、墙及组合形式的高喷凝结体，达到防渗加固的目的。针对某些地层我们也采用了二次喷射的全置换灌浆工艺，即先以水、气、水喷射，将被冲切的土体掺搅、升扬到地面；再以水、气和水泥砂浆同轴喷射，进行第二次置换灌浆。
    5 、工程应用
    5.1 三峡水电站施工围堰三峡水电站施工围堰是三峡工程关键项目之一，其特点在于防渗工程难度大、工期短、施工强度高。为解决高压喷射灌浆的难点问题，保证高压喷射灌浆作为二期围堰防渗的一种有效的辅助手段，同时，为今后在施工围堰中采用打下基础，进行了三峡二期围堰高压喷射灌浆生产性试验。高压喷射灌浆试验安排在二期上游围堰左岸坡部位，主要由风化砂回填层、覆盖层（上部为厚度不等的粉细砂层，下部为冲击砂卵石层，局部含棕色漂石层、块球体等）和基岩组成。基岩强风化层呈两端厚，中间薄的分布状态。
    左右端最大厚度分别为13.0m 和10.0m ，其中部分区域存在风化团块、石蛋等。
    试验同时采用了两管法和新三管法两种工法进行。通过试验探寻了在该类复杂地层中的高效造孔方法，取得了新1000三管法的应用经验。试验结果表明，选择适当孔、排距和喷射参数，在回填层、覆盖层、全风化层中以及强风化层上部，高压喷射灌浆可以形成有效的防渗墙体，在强风化层下部需要配合帷幕灌浆，共同组成防渗体系。对于复杂的块球体架空层也能达到较好防渗效果，对于陡坡段的防渗，高压喷射灌浆可以作为辅助手段。证实高压喷射灌浆是一种能与周围介质实现可靠连接、速度快、机动灵活的一种有效防渗措施，可作为二期围堰较为理想的辅助和突击手段。
    5.2 东风水电站下游围堰贵州省乌江东风水电站下游围堰，位于大坝中心线下游155m处，堰体堆筑多为爆破堆石碴、颗粒大小分布及不均匀。左岸爆破塌落堆碴体成锥形。围堰堆筑时，铲车推平至839.5m高程，其相应水平宽度约10m ，并以1 ：1.25的坡度向右倾斜。右下方塌落的堆碴体直径一般在20～80cm之间，右上方堆积的块石和碎石中夹有粘土。右岸在839.5 高程上，有一水平宽11m 的块石堆筑体，并以一定的坡度向左倾斜，直径一般在10～50cm. 中间30m 范围内，为了便于喷射施工，在轴线上堆筑机制碎石层，宽2.0m，高6.0m，直径5 ～2.5cm.河床覆盖层厚约5 ～16cm，多为砂粒卵石，历经2 ～200mm 的颗粒含量约占60% ～80% ，200mm 以上的漂石很少。卵石成分以灰岩为主，玄武岩次之，其磨圆度较好。底部2 ～3m厚的粒卵石层中含有粒径大于200mm 漂卵块石。
    覆盖层通透性较强，渗透系数为100 ～400m燉d.下游围堰的堰顶高程为840.5m，高喷灌浆营造的防渗墙总面积为1103.1m3.其中河床冲击层719m3，占工程总量的65％；爆破堆石碴190m3，占工程量的17.2％；围堰滩筑体194m2，占总工程量的17.6％。下游土石围堰的高压喷射灌浆防渗墙构筑完毕后，立即在其上游开挖基坑，渗水量明显降低，保证了混凝土重力围堰的顺利施工。
    5.3三峡鹰子嘴水厂围堰三峡鹰子嘴水厂围堰为风化砂料深水填筑，堰基为碎块石地层，含大块球体及大孤石，最大孤石直径达2.2～2. 3m，属强透水地层。该围堰采用该技术进行防渗处理，形成防渗面积4800m3.围堰基坑取得一次抽水成功，防渗效果理想。
    6、结语
    高压喷射灌浆用于水电站围堰基坑开挖防渗，关键在于施工设备、施工参数的选择，运用得当将是一种经济有效具有竞争力的方法。