高压喷射灌浆防渗施工关键参数取值的试验研究

刘斯奇

(吉安市水土保持站,江西 吉安 343000)

0 引 言

高压喷射灌浆防渗施工技术主要通过钻孔,将安装有特制喷嘴的注浆管下至预定深度,借助高压水泵使水和浆液从喷嘴喷射而出,冲切土体,并使土粒在喷射流冲击力、重力及离心力等的作用下与浆液充分混合,从而按照一定浆土比呈规律性排列,待浆液固结后便会在土体内形成桩柱或板状防渗墙固结体,以提升基础承载力和防渗性能。为保证高压喷射灌浆施工质量和效果,防止施工过程中出现卡钻、孔斜、冒浆、漏浆、塌孔等问题,必须通过试验对施工参数取值进行验证。文章依托江西省赣抚平原灌区柴埠口水闸除险加固工程,对双高压三管法高喷灌浆施工过程展开试验,分别对闸室高压旋喷及左岸翼墙高压摆喷关键施工参数取值进行验证,以资借鉴。

1 试验设计

通过不同提升速度下高压喷射灌浆试验,确定出与设计目标及工程实际相符的孔距、排距、灌浆压力、搭接形式、提升速度等施工参数,为施工过程的顺利开展提供依据。根据《水工建筑水泥灌浆施工技术规范》及设计要求,水闸闸室防渗体设计防渗标准应≤9.0×10-6cm/s,防渗体抗压强度应位于0.8～5.0MPa之间,有效厚度应达到600mm以上。左岸翼墙渗透系数应≤1.0×10-5cm/s,防渗体抗压强度应位于0.5～5.0MPa之间。通过高压喷射灌浆试验,确定出施工质量控制的参数和方法。

结合对柴埠口水闸工程地质条件的调查与分析,闸址区地层结构夹层较多,地质条件复杂,且薄层和中厚层状岩性地层为夹层状或互层状产出。为保证高喷灌浆试验结果的可靠性及与工程实际的吻合性,采用双高压三管法展开试验[1]。以14kW和17kW的XY-150型钻机、90kW的GZB-40型高压注浆泵、23kW的WB-250B/50型高喷台车为主要试验设备。

2 试验过程及结果

2.1 试验过程

在柴埠口水闸闸室设置4个高压旋喷灌浆试验区,分别编号为试验1～4区,其中试验2区主要进行孔距为0.6m、0.8m及1.0m的高喷灌浆试验,其余试验区则展开孔距0.6m和0.8m的试验。闸室高喷灌浆试验均分Ⅰ序孔和Ⅱ序孔展开,并依次施工。试验1、3、4区高喷灌浆布置情况,见图1;试验2区高喷灌浆布置情况,见图2。

图2 试验2区高喷灌浆布置情况

左岸翼墙采用30°摆角的高压摆喷防渗,在翼墙区设置5个试验区,并按照1.4m、1.6m、1.8m孔距展开试验,并在各序孔加密试验。高压旋喷灌浆试验布置,见图3。

图3 高压旋喷灌浆试验布置

按照现行规范及拟定的施工参数展开高压喷射灌浆试验,试验过程中先灌注Ⅰ序孔,再灌注Ⅱ序孔;先灌注两边,再灌注中间,逐序加密。具体而言,先平整场地、测量放样,确定出Ⅰ序孔和Ⅱ序孔注浆孔孔位;待钻机就位并较平稳固后钻孔,冲孔,测斜;将高喷台车就位后展开试喷,并保证注浆泵、喷管、高喷机等设备良好运行;试喷结束后将喷杆和喷头下入注浆孔至防渗墙底部,静喷后按照设计参数提升喷杆或喷头,旋转或摆动,待提升至防渗墙顶后停喷,将喷杆和喷头取出后冲洗管路,结束试验。

2.2 闸室基础灌浆试验

柴埠口水闸闸室基础高压旋喷灌浆试验结束后,开挖试验部位并展开钻芯取样和注水试验,检查灌浆桩体旋喷效果、搭接程度、直径等试验参数取值情况。根据对注水孔的检查,当钻杆提升速度达到18cm/min、孔距为0.8m时,渗透系数趋于稳定,而当钻杆提升速度达到14cm/min、孔距为1.0m时,渗透系数均降至1.0×10-5cm/s以下。因试验过程中采取基本一致的浆液注入率,故旋喷提升速度是影响耗灰量的主要因素[2],当钻杆提升速度从14 cm/min增大至18 cm/min时,单位耗灰量将从489.87kg/m降低至398.10kg/m,具体结果见表1。根据现场高压旋喷搭接情况,致密性黏土层中喷射直径位于0.95～1.00m之间,当孔距取0.8m,高压旋喷喷杆提升速度为14cm/min时,邻孔间搭接厚度为0.30～0.35m;而当孔距取0.6m,喷杆提升速度为16cm/min时,邻孔搭接厚度达到0.60～0.70m,符合规范,钻杆提升速度下的单位耗灰量,见表1。

表1 钻杆提升速度下的单位耗灰量

2.3 左岸翼墙灌浆试验

在完成柴埠口水闸左岸翼墙高压摆喷灌浆试验后,开挖试验部位并展开围井钻孔注水试验,检查灌浆桩体摆喷效果、搭接程度、直径等参数取值情况。根据对注水孔的检查,随着孔距增大及摆喷钻杆提升速度的加快,围井钻孔渗透系数呈增大趋势[3],摆喷试验结束后的检查孔注水情况,见表2。

表2 摆喷试验结束后的检查孔注水情况

柴埠口水闸左岸翼墙试验区浆液注入率基本一致,喷浆过程中耗灰量主要与摆喷钻杆提升速度有关,且当钻杆提升速度从8cm/min增大至16cm/min时,单位耗灰量从789.36kg/m降低至421.28kg/m。左岸翼墙试验区摆喷试验结束后,在翼墙3试区孔距为1.4m、1.6m和1.8m摆喷搭接处钻取芯样,结果显示,在卵砾石、砂砾土及砂土等土层中,孔距1.4cm、1.6m和1.8m、钻杆提升速度为14cm/min,所形成的摆喷防渗墙搭接均较好。但是在致密黏性土层中,孔距为1.6m、钻杆提升速度为12cm/min时,摆喷防渗墙搭接情况差,且初拟设计孔距不符合试验孔距要求。

为保证摆喷防渗墙搭接效果及防渗效果,重新调整了孔距,并在致密黏性土层中增加了0.6m、0.8m、1.0m孔距,按照14 cm/min的钻杆提升速度重新展开摆喷试验。在翼墙试验区开挖检查,结果显示,当孔距为1.0m时,可形成连续摆喷防渗墙,但搭接不紧密;而孔距为0.6m、0.8m时,所形成的摆喷防渗墙连续且搭接完好。

2.4 试验结果

根据以上试验结果,在柴埠口水闸闸室及左岸翼墙高压喷射灌浆施工过程中,浆液应以纯水泥浆为主,浆液比为1∶1,浆液密度1.5g/cm3;如果不返浆时间超出5min,则应将浆液比调整为0.8～0.6∶1;如果出现严重漏浆,则应灌注水泥膨润土浆或水泥黏土浆等混合浆液,质量配比应为水泥∶黏土∶膨润土=1∶2∶3。水闸闸室高压旋喷孔距应为0.6m,钻杆提升速度为16cm/min,而左岸翼墙应采用0.8m的孔距和14cm/min的钻杆提升速度展开高压摆喷施工,以形成连续可靠的防渗墙墙体,并取得良好的套接效果。

3 施工效果验证

采用以上试验结果展开柴埠口水闸施工,完工后对实际防渗效果及试验方案的可靠性展开检验。对龄期达到设计及施工规范的高喷防渗墙钻孔取芯,由上至下分段实施静水头压水试验,并计算渗透系数。检验结果显示,闸室和左岸翼墙连续可靠的防渗墙体已经形成,且渗透系数均在9.0×10-6cm/s以下,防渗墙体厚度均在600mm以上。对其余检验进行,水闸闸室高喷防渗施工效果检验结果,见表3,由此汇总可知,闸室区采用高压旋喷灌浆形成的防渗墙体结构密实,渗透系数取值与试验结果接近,且均满足规范要求。

表3 水闸闸室高喷防渗施工效果检验结果

采用围井法展开柴埠口水闸左岸翼墙高压摆喷防渗墙渗透系数检验[4]。围井注水试验位置由监理方选定,为保证围井可靠封闭,利用高压旋喷桩将围井三面围封,并与既有灌注桩和摆喷桩共同形成封闭围井。其中,高压旋喷桩8根,桩顶及桩底高程分别为▽2.0m和-25.5m,围井内围封面积为3.25m2;待围井封闭后,在围封区域内按1.0m厚度布置9根旋喷桩封底,以形成有效围井。围井桩位布置情况,见图4。

图4 围井桩位布置情况

在围井内设置固定水位,持续向围井内注水,以保持水位固定,根据所测得的稳定注水量和《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范》(DL/T5200-2019)展开渗透系数计算;并在围井施工完成14d后开挖2.0m深度,检查施工质量。根据围井试验现场检查结果,柴埠口水闸左岸翼墙高压摆喷防渗墙渗透系数位于1.68×10-6～8.69×10-7cm/s之间,取值符合规范要求,且摆喷防渗墙连续可靠。

4 结 论

综上所述,文章通过试验所得出的柴埠口水闸工程闸室及左岸翼墙高压喷射灌浆防渗施工方案切实可行,参数取值合理可靠。按照试验参数及工艺展开高压旋喷和摆喷灌浆施工,完工后对闸室防渗墙进行钻孔取芯,对左岸翼墙防渗墙展开围井检查,防渗系数和墙体厚度均符合规范,且防渗墙体连续可靠。总之,通过展开试验,确定出可靠的施工参数值,据此展开施工,才能保证高压喷射灌浆防渗技术所具有的高可灌性、高可控性优势顺利发挥。该技术也因施工过程方便,施工质量有保证,环境影响小,而在水利水电工程防渗处理中具有广阔的应用前景。