亭子口水利枢纽工程导流明渠围堰采取高压喷射注浆防渗墙的可行性分析

朱爱军

重庆蜀通岩土工程有限公司，重庆渝北 401147

1 高压旋喷参数取值概述

1.1 目的

为了进一步论证高压旋喷防渗墙应用于亭子口水利枢纽工程的防渗效果和高压旋喷灌浆各项参数的合理性，通过试验，找到适合于亭子口水利枢纽工程的最优的高压旋喷防技术参数，为后期工程高压旋喷防渗设计、施工提供参考资料。

1.2 高压旋喷灌浆施工

当喷具下入到设计深度后，启动旋摆机，按照初定的值调节风、水、浆的流量、压力和喷具的旋转速度，待孔口返浆，泥浆比重达到要求后，开始提升，边旋转边提升，自下而上，直至距孔口50cm处停止。在高压旋喷灌浆过程中，要时刻注意检查施工机具运转是否正常，风、水、浆的流量、压力，进浆、返浆比重及旋转、提升速度等参数是否符合初设值。

1.3 特殊情况处理

高压旋喷施工过程中因故中断后应立即停止提升，记录中断深度。机械故障要尽力缩短中断时间。若长时间不能恢复的，应提出喷具，用水冲洗干净。待故障处理后，将喷具下入原中断位置以下0.5m继续进行喷射灌浆。

2 高压旋喷生产性试验

为了进一步确定高压旋喷防渗墙应用于亭子口水利枢纽导流明渠围堰的防渗效果以及验证根据前期参数实验取得参数合理性，在施工现场进行高压喷射灌浆生产性试验。

2.1 高压旋喷施工准备

根据前期高压旋喷参数实验和亭子口水利枢纽工程实际情况，在本项目中灌浆工艺采用三管法。

浆液配制：

（1）制浆材料。①水：嘉陵江水；②水泥：P.042.5普通硅酸盐水泥；③粘土：200目钙基膨润土；④纯碱：碳酸钠。

（2）浆液配比。水泥-膨润土浆：水：水泥：膨润土按1：1：0.15，碳酸钠掺入量为膨润土的2%进行配制。

（3）配制浆液的加料顺序。水泥-膨润土浆：水→碳酸钠→膨润土→水泥→使用。

2.2 检测

试验检测以柱列式防渗墙外侧开挖直观其成墙效果和钻孔注水两种方式进行。

墙体防渗指标：防渗墙的渗透系数：k≤1×10-5cm/s。

2.2.1 开挖检测

墙体开挖：高压旋喷墙内侧为覆盖层密实体，为了不破坏其天然的防渗效果，采取单侧开挖，开挖深度为4.0m，开挖长度为12.0m。

2.2.2 注水检测

检查孔在S7-16～S7-17孔位轴线上，钻孔中心在相邻两喷射孔的中间，孔径为Φ130mm，孔深5.0m。

试验孔完成后，静水头压水试验注水面孔口齐平，保持水面高度不变连续注水。

（2）计算公式：渗透系数计算按下式进行：

当L/D＞4时，

式中：K—渗透系数（cm/s）；

q—平均注水量（cm3/s）；

L—试验段长度（cm）；

H—孔中固定静水头（cm）；

D—造孔直径（cm）。

根据《水电水利高压喷射灌浆技术规范DL/T5 200—2004》中注水质量检查透水率q与渗透系数之间的换算：

地层透水率q为1Lu时，约相当于渗透系数K为1.3×10-5cm/s。

若要求K=i×10-6cm/s，则可取q＜1Lu；

若要求K=i×10-5cm/s，则可取q＜1Lu～5Lu ；

若要求K=i×10-4cm/s，则可取q＜5Lu～20Lu。

透水率计算按下式进行：

式中：q—透水率（Lu）；

Q—流量（L/min）；

P—压力（MPa）；

L—试验段长（m）。

3 高压旋喷生产性试验中的参数取值分析

3.1 高压旋喷参数取值分析

本次试验进行了高压旋摆频率对比、高压旋喷提升速度对比、高压旋喷能量对比、高压旋喷风量风压对比试验，对比试验均是采用三管法进行的，其试验成果分析如下。

3.1.1 高压旋喷旋摆频率对比

高压旋摆频率对比试验了四个孔，孔号为：S1、S2、S3、S4，喷射方式，摆喷。

试验地层：粉细砂层。

高压旋喷参数如下：注浆压力为35Mpa，水泥浆排量为65L/min，空气压力为0.6Mpa，空气排量为600L/min，提升速度为10cm/min，旋摆角度为30°，旋摆频率分别为7、14、21、28r/min。

高压旋喷将材料消耗情况：加固长度分别为8.2、8.2、7.6、10.1m；水泥用量分别为6.0、6.4、4.0、6.0。

墙体测量成果：墙体半径分别为175、167、153、147cm。

通过四种旋摆频率的试验分析，采用开挖检查，发现：旋摆频率越快,墙体的半径越小；反之，则墙体的半径越大。如果墙体的半径太小，则要增加孔数，从而导致了工程量的增加和成本的增加，所以旋摆频率不能过快，应选择一个比较经济合理的旋摆频率。

3.1.2 高压旋喷提升速度对比

高压旋喷提升速度对比试验三个孔，孔号为：S5、S6、S7，喷射方式，摆喷。

试验地层：粉细砂层。

高压旋喷参数如下：注浆压力为35Mpa，水泥浆排量为65L/min，空气压力为0.6Mpa，空气排量为600L/min，旋摆频率为10cm/min，旋摆角度为30°，提升速度分别为5、10、15r/min。

高压旋喷将材料消耗情况：加固长度分别为10.1、9.2、79.1、10.1m；水泥用量分别为7.0、5.4、3.8t。

墙体测量成果：墙体半径分别为220、160、130cm。

通过上述对比试验可知：在其他高压旋喷参数一定的情况下，提升速度越快，所成墙半径越小。通过本试验是得到了提升速度越慢，半径越大的结论，但在实际工程应用中，绝不可以一味地降低速度以增加墙体直径，这将会造成很大的浪费。

3.1.3 高压旋喷能量对比

高压旋喷提升速度对比试验三个孔，孔号为：S8、S9、S10、S11，喷射方式，摆喷。

试验地层：粉细砂层。

高压旋喷参数如下：水泥浆排量为65L/min，空气压力为0.6Mpa，空气排量为600L/min，旋摆频率为10cm/min，旋摆角度为30°，提升速度10r/min、注浆压力分别为25、30、35、40Mpa。

高压旋喷将材料消耗情况：加固长度分别为8.8、9.1、8.8、8.8m；水泥用量分别为4.0、5.2、6.3、7.4t。墙体测量成果：墙体半径分别为217、190、175、160cm。通过上述对比试验可知：高压旋喷能量越大，成墙尺寸越大。

3.1.4 高压旋喷风量风压对比

高压旋喷风量风压对比试验了三个孔，孔号为：S12、S13、S14，喷射方式，摆喷。

试验地层：粉细砂层。

高压旋喷参数如下：注浆压力为35Mpa，水泥浆排量为65L/min，空气排量为600L/min，旋摆频率为10cm/min，旋摆角度为30°，提升速度10r/min、空气压力分别为0.6、0.0、1.2Mpa。

高压旋喷将材料消耗情况：加固长度分别为8.7、8.2、7.9m；水泥用量分别为3.6、4.5、5.3t。

墙体测量成果：墙体半径分别为175、60、230cm。

通过上述对比试验可知：高压旋喷风量风压越大，所形成的墙体半径越大，特别是不用风，墙体半径非常小。分析原因是：高压空气在喷射流的周围形成了一层保护，使喷射流的能量不致很快衰减。

3.1.5 高压旋喷护壁对比

高压旋喷风量风压对比试验了三个孔，孔号为：S15、S16、S17，喷射方式，旋喷。

试验地层：粉细砂层。

高压旋喷参数如下：注浆压力为35Mpa、水泥浆排量为65L/min，空气压力为0.6Mpa、空气排量为600L/min，旋摆频率为10cm/min，旋摆角度为30°，提升速度10r/min，护壁方式分别为PVC管护壁、不护壁、泥浆护壁。

高压旋喷浆材料消耗情况：加固长度分别为8.7、8.2、7.9m；水泥用量分别为3.6、4.0、4.4t。

墙体测量成果：墙体半径分别为190、190、63cm。

通过上述对比试验可知：不护壁、PVC管护壁成墙半径差不多，都比较大；泥浆护壁成墙半径比较小，分析其原因，主要是护壁泥浆阻塞了高压旋喷浆液的扩散和渗透。

3.2 试验参数取值分析小结

经过以上取值分析，我们可以得到高压旋喷参数与旋喷桩体直径存在如下关系：

（1）通过旋摆频率试验发现：旋摆频率越快,墙的半径越小；反之，则墙的半径越大。

（2）通过提升速度试验发现：提升速度越快，所成墙体半径越小；反之，提升速度越慢，半径越大。

（3）通过高压旋喷能量试验发现：高压旋喷能量越高，墙体半径越大。

（4）通过风量风压试验发现：高压旋喷风量风压越大，所形成的墙体半径越大，特别是不用风，墙体半径非常小。

4 高压旋喷生产性试验中防渗墙防渗效果分析

4.1 生产性中防渗墙防渗效果分析

4.1.1 防渗墙开挖分析

根据开挖后直观检查和对桩体直径测量结果进行分析得：

（1）桩体搭接厚度满足设计要求，桩体成墙厚度能满足该高压旋喷防渗要求。

（2）浆液有效地充填了地层中存在的孔隙、空洞部位，水泥胶结体均匀，该工艺和高压旋喷参数对本工程是可行的。

（3）根据胶结体形成的均匀程度和个别充填部位的直观效果得出，需降低浆液比重，增大浆液的流动性，从而增加浆液渗透性。

（4）在人工填筑层发现桩体部位的浆液中含泥量较大，究其原因：首先，三管法灌浆属于半置换法（半置换：指在灌浆过程中，孔内的部分泥沙将随着往外冒的浆液流出孔外，剩余部分泥砂将留在孔中与水泥浆液搅拌在一起，最终形成桩体）。其次，因为人工填筑层（主要成分为粘土）的强度不高，在灌浆过程中，粘土层被高压喷射浆液冲击破坏，并且破坏的范围不断扩大，直至高压喷射浆液的能量消耗尽为止。这个时候已经有很多的泥沙与浆液混合在一起，而且浆液破坏的范围越大，水泥浆液中的泥沙含量也就会越大。所以，在人工填筑层部位的桩体中水泥浆液也会偏少。

（5）在防渗墙开挖后，我们还发现在孤石的周围有少量的微小裂缝存在，桩体的防渗质量存在隐患。就其原因：孤石的体积和强度都较大，在灌浆过程中，高压喷射浆液也不能破坏和搅动它，以致孤石周围的水泥浆液也是靠渗流的形式将其包裹的，有时候将会因为浆液不足未将其周围包裹充分，或是由于浆液渗入与其接触的地层中。

（6）在各种地层的交接处，我们也发现桩体在此有缩小的现象。究其原因：为两种地层对浆液的需求量不一致造成的。在施工过程中，没有控制好提速，或是由于钻孔班报不够准确。解决方法有：首先要保证钻孔班报的准确性；二是要严格控制各种地层的提速；三是在地层的交接处采取静喷的方法；四是在地层交接处正负50cm范围内降低提速。

4.1.2 防渗墙注水试验结果分析

招标文件墙体渗透系数要求为：k≤1×10-5cm/s；由表中看出：高压旋喷墙体渗透系数为10-6cm/s量级左右，根据《水电水利高压喷射灌浆技术规范DL/T 5200—2004》中注水质量检查透水率q与渗透系数之间的换算，其设计要求透水率为1～5Lu，而实际施工透水率小于1Lu。通过上述注水试验成果表与墙体渗透系数要求比较，该高压旋喷灌浆质量高出墙体渗透设计要求。注水试验成果见表1。

表1 试验孔注水试验成果

另外，我们在灌浆施工过程中遇到漏浆、串孔、串浆现象时，采取的相应措施见表2。

表2 灌浆施工过程中针对不同现象采取措施

如果在施工过程中遇到上述现象，还可以采取其他一些有效措施，如发现漏浆时，可以采取在孔口加入适量的水玻璃以缩短浆液的凝结时间、在浆液中加入适量的氯化钙作为速凝剂或采取静喷等方式，这样既能够达到处理地基的目的，也能够更加经济。

5 结语

通过此次试验可得到如下结论：

（1）高压旋喷旋摆频率对比。通过分析，高压旋喷其它参数相同情况下，高压旋喷旋摆频在1～1.5r/min.cm内，成墙成桩半径最大，在这个高压旋喷旋摆频范围之外，成墙成桩半径相对较小。

（2）高压旋喷提升速度对比。通过分析，高压旋喷其它参数相同情况下，桩体半径随着提升速度增大减小。

（3）高压旋喷能量对比。通过分析，高压旋喷其它参数相同情况下，桩体半径与P＆d呈线型关系。

（4）高压旋喷风量风压对比。在其他高压旋喷参数一定的情况下，风量风压对高压旋喷成桩的影响情况如下：风量风压越大，高压旋喷墙体的半径越大，特别是不用风，对高压旋喷桩体半径影响是常规用风的2～3倍，从所有的高压旋喷桩体开挖情况来看，风在高压旋喷成墙中的作用非常重要。

（5）护壁对比。本次采用了三种护壁方式：不护壁、泥浆护壁、PVC管护壁，在其他高压旋喷参数一定的情况下，不同护壁方式对高压旋喷成桩的影响情况如下：成墙半径从大到小排列为：不护壁、PVC管护壁、泥浆护壁。其中，泥浆护壁成墙最小。

（6）采用PVC管护壁、两管法喷灌工艺完全能满足围堰高压旋喷防渗墙的防渗要求。

（7）采用水泥-膨润土浆液，这种浆液结石率高、析水率低，很适合人工填筑体围堰防渗。

（8）通过对柱立式板墙开挖揭露出高压旋喷成墙情况表明：本次高压旋喷试验采用的施工工艺、施工参数、施工方法都是合理可行的，完全能满足导流明渠人工填筑围堰防渗要求。

（9）通过此次生产性试验，证明了前期的高压旋喷参数试验是非常合理的、切合实际的。在后期的围堰防渗墙施工过程中，我们只要控制好各个施工环节，一定能够保证后期围堰高压旋喷防渗墙的防渗质量要求。

综上所述：亭子口水利枢纽工程应用高压喷射注浆防渗墙是可行的。（参考文献5篇，刊略，需者可函索）