高压喷灌浆技术在水闸不均匀沉降处理中的应用

张水珠

（福建京源建设工程有限公司 福建 宁化 365400）

1 工程概述

四孔闸落成于2000年，集排涝、灌溉、供水、养殖等功能于一体，共4孔，单孔净宽3.6m，设计流量202m3，正常蓄水位2.8m，其上游有长度9.5m的闸室、长度10m的消力池、长度20m的海漫，可控领域面积62km?，其中闸室和消力池都采用浆砌石结构，闸室基础仅在闸墩位置布置碎石桩，换砂厚度0.5m。四孔闸平面图见图1。

水闸工程落成不久，主体结构出现偏斜变形迹象，并开始发生不均匀沉降，扩大趋势沿两岸伸展。笔者在表1统计了2010-2014年各闸墩沉降量统计情况：

从上图中可看出，各闸墩沉降量逐年增加，2014年闸墩沉降量达到35-54cm。其中2#闸墩闸孔的倾斜率为2.31%，已经影响该闸的正常开启和闭合。闸墩不均匀沉降问题，如果任其发展，可能会出现更大的不均匀沉降，并导致闸门槽变形，到时将严重威胁水闸的正常运行。因此要求尽快采用有效的处理措施，以控制水闸的不均匀沉降问题。

图1 四孔闸平面图

2 水闸不均匀沉降成因

2.1 闸基承载性能不足

水闸闸基承载力大小，需满足闸基承载要求，否则会出现地基沉降。

参照《建筑地基处理技术规范》，闸基加固处理之前的碎石桩复合承载力大小的估算，可利用公式：

式中，fspk表示桩基之间土体承载力特征值；

m表示桩基土体面积置换率；

n表示桩基土体的应力比。

估算结果显示：闸基加固处理之前的碎石桩地基复合承载力为97kPa，小于闸基压应力平均值255kPa，说明地基的承载力低于闸基的承载力设计标准。笔者就该情况进行详细调查，发展水闸闸基在施工时，以人工夯挤成桩的方式处理地基，桩基承载性能有先天不足之嫌，为地基不均匀沉降提供便利之道。

2.2 水文地质条件不佳

经勘察，四孔闸闸基从上至下，依次分布厚人工吹填砂层、淤泥层、淤泥质土层、粉质粘土层，各种地基土主要物理力学指标如表2所示。

至于水文，勘察资料显示闸墩在洪水与潮水的交汇位置，其砂层、淤泥层都有较高透水性，使得闸基地下水位受到洪水、潮水比较大的影响。这些地基土中，淤泥质土层厚度1m～3m，主成分为粉砂和粉土，具有中等的压缩性，振动时容易出现液化现象，而淤泥层含水量达到40%～60%，且孔隙比、压缩性、沉降量都比较大，由此削弱了水闸闸基的抗剪、承载能力。

2.3 闸址水流情况复杂

水闸闸址位于涌口河道和滩涂地的交汇位置，该位置水流情况复杂，譬如在闸室底板桩顶粘土褥垫层外海消力池水渗入，降低了褥垫层的力学性能，对施工后期引堤两侧的填土速率也有一定的影响，这些影响因素共同导致了水闸土体力学性能差异较大和水闸主体结构产生较大沉降。

3 水闸加固处理措施

基于四孔闸的工程概况，以及针对水闸不均匀沉降的原因，笔者认为有必要采用高压喷灌浆技术进行加固施工。

3.1 施工参数

本工程采用高压喷灌浆技术加固施工，涉及到的施工工艺参数包括：

①高压水：水压38MPa～40MPa、水量70L/min。

②压缩空气：气压0.7MPa、气量0.8m3/min～1.5m3/min。

表1 2010-2014年各闸墩沉降平均值（单位：cm）

表2 四孔闸闸基地基土物理力学指标

③水泥浆液：浆压0.5MPa～0.7MPa、浆量70L/min～80L/min。

④提升速度：砂土层12cm/min、砂卵石层9cm/min、基岩层6cm/min。

⑤摆速：为相应提速的0.8～1.0倍。

⑥摆角：35°。

⑦浆液容重：1.65g/cm3～1.7g/cm3。

这些施工工艺参数，是在准确放样定位的基础上进行控制的，譬如提升速度的控制，通过每分钟提升速度和每个孔总喷灌时间的同步控制，进行因地制宜的调整。再如摆角的控制，主要根据旋喷孔的孔序，对角度合理调整，以避免喷灌时出现平行喷射现象。

3.2 施工工序

结合以上参数施工，笔者就施工期间的难点，提炼出关键工序的施工方法。

3.2.1 试验工序

由于高压喷灌加固，成效与工程地质条件关系密切，在正式钻孔喷灌之前，笔者认为有必要布置试验围井，掌握开挖断面的渗流点和地质影响情况。试验围井在开挖至5m～8m时，发现明显渗水现象，观察开挖断面发现：渗水位置大粒径卵石数量特别多，平均渗水量达到1.3m3/h，可判定主要渗流点集中在卵石层。从试验围井的外观分析，看出铺盖其上粘土连续均匀、砂层均匀平整，但砂卵石层表面平整度比较差，在实际施工时，要因地制宜规避卵石层产生的不良影响。

3.2.2 钻孔工序

（1）选定标准偏差

在钻孔时，定位放线的工具选用经纬仪和钢尺，期间为严格控制孔位偏差，缜密测量每个旋喷孔口的孔位后，最终选定±2cm的偏差标准和130mm的孔径标准。

（2）孔斜率控制

按照该标准一次成孔，但发现孔斜率的精确度不高，于是改用分段钻取和测量的控制思路：

①每钻进基岩层内部1m，将岩心取出。

②每钻进基岩内部5m，用测斜仪测量一次孔斜率。

以这种方法控制孔斜率，尽管施工效率有所削弱，但能够将孔斜率控制在1%以内，证明效果斐然。

（3）垂直度控制

垂直率也是钻孔偏差控制重点，考虑到不同钻孔深度的地质条件有差异，不适合采用同样的垂直度控制方法。现场分析了地质条件后，确认在粘土层和砂层位置，选用常规钻孔方式即可，但在遇到卵石层时，需要改用配备导向钻具的钻机，并用卡尺辅助测量，有效地避免出现垂直度偏差问题。对于比较难规避的垂直度超标问题，主要采用扫孔纠偏方式。

3.2.3 喷灌浆工序

（1）喷灌浆持续性保持

很多类似的工程经验证明，喷灌浆中断容易影响施工效果，甚至诱发施工事故。为保持喷灌浆的持续性，钻孔后将喷管插入 孔 底 ， 依 次 试 喷 1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3比重的浆液，并依次检查各孔的回浆情况，最后选定1.7g/cm3比重的浆液，同时以稳定的速度和压力喷射，在喷浆量达到20%以上后，发现回浆量偏低，尝试性提升喷射速度和加大喷射压力，回浆量很快恢复了正常。按照试喷的步骤正式喷灌，基本能够保持喷灌浆的持续性。

（2）喷射流压力控制

工程所使用的高压发生装置，喷嘴出口孔径3.0m、流速系数0.963、流量系数0.964，能够产生的很大能量。为维持浆液射流的高度集中，笔者分析了影响喷射流压力相关的参数，初选的参数包括：连续射流速度、连续射流功率、喷嘴出口流速、入口流速压力、水容重、重力加速度、喷嘴流速系数等。按照公式N=A/t（t表示喷射时间；A表示t时间内所做的功；N表示喷射流的功率）分析，确定喷射流压力与高压连续射流速度、功率没有直接关系。经反复试喷，最终选择 10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa五个喷射流压力，供以施工时结合实际需求灵活选用。

（3）喷射流量和速度控制

喷射流对土体有破坏影响，破坏力大小，与喷射流介质流量、速度有关。在喷射面积不变的情况下，发现喷射流介质流量和平均速度越大，对土体的破坏作用就越大，需要在喷灌期间，合理控制喷射浆液的流量和速度。

（4）射流破坏控制

喷灌浆液会产生脉冲震荡破土效应、冲击力、空蚀现象、搅动作用等，土层疲劳残余变形逐渐积累，最终使得土粒失去平衡，并从土层上剥离。笔者认为有必要在喷灌浆液时，降低气流对土粒的吹散影响，帷幕灌浆防渗加固基岩以下部位，增加射流破坏的阻力。

（5）浆液回收

秉着“成本节约”的理念，孔口返出的部分冒浆可净化回收，喷灌回浆的合理利用，并非针对所有孔口的浆，还需要详细分析回浆的性质，予以选择性回用：

①含砂层和卵石砂层的孔口返浆，利用净化池沉淀回浆粗颗粒，可重新使用。

②粘土层、淤泥层的孔口返浆含有大量泥质、粉细砂等，回浆比重不能反映水泥的含量，不适合回收利用。

③喷灌废浆直接利用泥浆泵排除至河滩地。

3.3 施工期间出现问题的解决

3.3.1 冒浆处理

喷灌时，浆液粘带数量众多的土颗粒从管壁冒出，经现场观察，发现冒浆量大于灌浆量的20%，初步判断喷射有效范围与灌浆量不适应，灌浆量远远大于喷灌加固所需的浆量。针对该施工问题，笔者依次采用三个举措尝试性解决：

①在保持喷浆量稳定的前提下，适当增大浆液喷射的压力。

②在保持喷射压力稳定的前提下，适当缩小喷嘴的孔径。

③适当加快灌浆旋转的速度。

以上三个施工举措，均有效缓解冒浆异常现象。

3.3.2 凹穴处理

刚开始施工时，喷射加固所用浆液为纯水泥浆液，当浆液与土粒搅拌后，凝固期间有明显析水现象，使得固结体表面出现收缩所致的凹穴，凹穴深度在0.3m～1.0m之间，凹穴会诱发地基不密贴、脱空等现象。为防止凹穴病害的继续扩大，工程分成两个步骤施工。在成孔后，进行中压灌浆，所形成的固结体，不仅含泥量低，而且强度高，能够有效保证桩身的强度，但前提是严格控制好桩径、泥土置换率、灌浆量等施工参数，在水泥发生收缩离析时，予以及时补浆。

4 结语

（1）工程高压喷灌浆施工后，水闸地基得以明显强化。施工效果显示该施工方法，既不损坏水闸上部结构，在现场施工面积比较狭窄的位置，也不会影响正常施工，具有减振、防止砂土液化、支撑护底、防止基础冲刷等施工成效。

（2）本工程所用施工技术简便灵活，而且具有良好耐久性，所选用材料以水泥为主，在掺入少量外加剂后，即可达到速凝、高强、抗冻、耐腐等效果，有利于材料成本的控制。

（3）工程施工安全系数较高。工程所用的高压水泵、高压泥浆泵等，都有安全阀门、自动停机、自动泄压装置，可避免堵孔而造成的爆炸事故。另外浆液加固桩径范围内，基本没有外泄、振动、沉陷等公害出现。

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