广西长洲水利枢纽工程高压喷射灌浆工艺研究

邹 刚

(中国水利水电第七工程局有限公司成水公司，四川成都 611130)

1 工程概况

长洲水利枢纽位于广西西江干流浔江下游梧州市长洲岛河段，坝址距下游梧州市约12 km，是一座以发电为主，兼有航运、灌溉和养殖等综合利用效益的大型水利枢纽。设计坝顶高程34.8 m，最大坝高为49.3 m，坝线全长3 350 m;装机容量630 MW，属一等工程。

坝址位于长洲岛上游端和泗化洲岛下游端，跨三江两岛(外江、中江、内江、长洲岛和泗化洲岛)，工程采用河床式开发，分期导流施工，内、中、外三江围堰工程规模宏大，其中围堰及土坝高喷防渗工程量达5万余m。为了论证高喷防渗墙应用于长洲水利枢纽工程的防渗效果，业主、设计、监理要求在外江围堰选择合适的场地进行高喷灌浆工艺试验。

2 试验方案

进行了四种高喷工艺和三种喷射方式试验。试验布置由系列单桩(板墙)组成(图1)。试验工艺包括单管法、两管法、三管法和二次切割法，每种工艺均进行了定喷、摆喷、旋喷三种喷射方式的试验。

图1 长洲水利枢纽工程高喷试验布置图

3 工程地质条件

3.1 试验区水文地质、工程地质条件

试验区地层:人工填筑块(碎)石层、粉细沙层、沙卵砾石层、全风化基岩。试验区地层具体的水文地质、工程地质条件描述如下:

(1)人工填筑块(碎)石层:由船闸基岩开挖的块碎石组成，厚1 m左右，粒径大、架空，粒径间充填泥土、沙。(2)粉细沙层:为松散含泥粉细沙第②层:厚度3～4 m，灰色、灰白色，含泥约10%，透水性较大;标准贯入试验修正值N =4.7 ～13.9击。(3)卵砾石层:为含泥质沙卵砾石③层:厚度2～3 m，稍密状，卵砾石粒径小，颗粒细，最大不超过8 cm，卵砾石主要成分为砂岩，透水性大;标准贯入试验修正值N=10.7～23.9击。(4)基岩:为全风化的花岗岩，呈碎屑状，具有浸水缓慢崩解的特点，纵波速度Vp=1 500～2 000 m/s，主要成分为长石、石英;现场标准贯入试验N=6.6～51击。(5)地下水位在沙层之上，包含沙砾石层、沙层内有1.5～2 m深，渗透系数K平均值为1.11×10－1cm/s，最大值 K=1.74 ×10－1cm/s，属强透水。高喷试验区详细地质情况见图2。

图2 高喷试验区综合地质剖面图

3.2 覆盖层(粉细沙层)颗粒筛分级配(表1、图3)

表1 粉细沙层颗粒级配表(特细沙、含泥4%)

图3 沙颗粒筛分曲线图

3.3 覆盖层分层声波测试

声波测试采用两孔对穿、面波测试，测试初步结果为:

强风化基岩:1 333～2 258 m/s;沙砾石层:422～734 m/s;纯粉细沙层(含泥4%):157～189 m/s。

4 高喷试验工艺

(1)单管法是用高压泥浆泵以35～40 MPa或更高的压力从喷嘴中喷射出水泥浆液射流冲击破坏土体，同时提升或旋转喷射管，使浆液与被剥落下来的土石颗粒掺搅混合，经一定时间后凝固，在土中形成凝结体。

(2)二管法是用高压泥浆泵产生35～40 MPa或更高压力的浆液，以及用压缩空气机产生0.7～0.8 MPa的压缩空气，浆液和压缩空气通过具有两个通道的喷射管，在喷射管底部侧面的同轴双重喷嘴中同时喷射出高压浆液和空气两种射流冲击破坏土体，在高压浆液射流和其外围环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量比单管法显著增大，喷嘴一边喷射，一边旋转和提升，最后在土体中形成直径明显增加的柱状固结体。

(3)三管法是使用能输送水、气、浆三个通道的喷射管，从内喷嘴中喷射出压力为40 MPa或更高的超高压水流，水流周围环绕着从外喷嘴中喷射出的圆管状气流，同轴喷射的水流与气流冲击破坏土体。由泥浆泵灌注较低压力的水泥浆液进行充填置换。

(4)二次切割法(新三管法)是先用高压水和气冲击切割地层土体，然后再用较高压力的水泥浆对土体进行二次切割和喷入。水、气喷嘴和浆、气喷嘴铅直间距约0.5～0.6 m。由于水的粘滞性小，易于进入较小空隙中产生水楔劈裂效应，对于冲切置换细颗粒有较好的作用;高压浆液射流对地层二次喷射不仅增大了喷射半径，使浆液均匀注入被破坏的地层，而且由于浆、气喷嘴和水、气喷嘴间距较大，水对浆液的稀释作用减小，使实际灌入的浆量增多，从而提高了凝结体的结石率和强度。该法高喷质量优于三管法，适用于含较多密实性充填物的大粒径地层。

5 试验采用的施工方法

(1)施工工艺流程:场地平整压实→台车行走→轨道铺设→布孔、钻机就位→校准角度、造孔→测斜→下PVC管、起拔导管→高喷台车就位→试喷、下喷具→静喷、喷灌→孔口注浆、回灌、封孔→高喷台车移位。

(2)钻孔施工:①根据试验钻孔布置图，按顺序进行钻孔。②钻孔质量要求:钻孔孔位偏差不大于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钻孔记录:钻孔过程中，详细准确记录钻孔时遇到的各种现象。④钻孔护壁:钻孔终孔后，先取出钻杆，然后下入φ100×1.5 mm PVC 管护壁，起拔套管。

(3)浆液配制:试验用的浆液有纯水泥浆、水泥-膨润土浆、水泥-粉煤灰浆等三种浆液。①浆液配比:纯水泥浆:1∶1、0.67∶1(配比指水与水泥的配比)。水泥-膨润土浆:1∶1、0.80∶1，膨润土用量为水泥的 15%。水泥-粉煤灰浆:1∶1、0.80∶1(配比指水与水泥的配比)，粉煤灰用量为水泥的15%。②浆液拌制及使用:加料顺序:纯水泥浆:水→水泥→使用;水泥-膨润土(粉煤灰)浆:水→膨润土(粉煤灰)→纯碱→水泥→使用。

(4)高喷灌浆:①高喷灌浆施工工序:台车行走、就位及调试→喷具组装及检查→地面试喷→下喷具→静喷、喷灌→孔口注浆、回灌、封孔→高喷台车移位。②高喷:当喷具下入到设计深度后，启动旋摆机，调节风、水、浆的流量、压力和旋摆机的旋转速度，使之达到设计值，待孔口返浆比重符合要求后开始提升，边旋转边提升，自下而上喷射灌浆，直至孔口停喷。③高喷灌浆结束后，由专人负责用弃浆进行孔口注浆，直到回填密实。

6 试验施工成果分析

试验了四种工艺，即:单管法、两管法、三管法、二次切割法(新三管法);以及三种浆液试验，其试验成果分析如下:

6.1 单管法

单管法工艺试验了两个孔，孔号为:S10、S11;喷射方式:摆喷、旋喷。

(1)墙体描述。S10摆喷孔成墙情况:在粉细沙层中，墙体最大半径为0.45 m，墙厚46 cm，墙体小、墙体薄，胶结良好，墙体上能明显看到高喷孔的痕迹，墙体轮廓规则、清楚、平整。S11旋喷孔成墙情况:在粉细沙层中，桩体最大半径为0.475 m，在沙卵砾石层中，桩体最大半径为0.46 m，桩体胶结良好，桩体上能明显看到高压水留下的刻痕，桩体光滑，轮廓规则、清楚。

(2)单管法工艺总结:单管法进行高喷灌浆的耗浆量由高喷提升速度决定，单管法进行高喷灌浆所使用的浆液最大配比为1∶1、浆液比重最大不超过1.4 g/cm3。单管法能处理粉细沙层，单管法高喷所成的墙或桩的半径都比较小(45 cm左右)，摆喷墙体半径与旋喷墙体半径相差不多。

6.2 两管法

两管法工艺试验了三个孔，孔号为:S7、S8、S9;喷射方式:定喷、摆喷、旋喷。

(1)墙体描述。S7定喷孔成墙情况:在粉细沙层中，墙体最大半径为3.5 m，墙厚17 cm，墙体较薄，比较光滑;在沙卵砾石层中，墙体最大半径为1.45 m，墙厚22 cm，墙体不太规则，卵砾石胶结良好。在高喷孔处，墙体厚度大小为一个钻孔直径。S8摆喷孔成墙情况:在粉细沙层中，墙体最大半径为2.08 m，墙厚70 cm，高喷墙末端凹陷深度为60 cm，高喷墙体比较光滑;在沙卵砾石层中，墙体最大半径为1.93 m，墙厚80 cm，墙体末端不存在凹陷，墙体不太规则，卵砾石胶结良好，墙体上能明显看到高喷孔的痕迹。S9旋喷孔成墙情况:在粉细沙层中，墙体最大半径为0.86 m，高喷墙体上存在一圈一圈的刻痕;在沙卵砾石层中，墙体最大半径为0.86 m，墙体不太规则，卵砾石胶结良好。

(2)两管法工艺总结:两管法进行高喷灌浆的耗浆浆量由高喷提升速度决定，两管法进行高喷灌浆所使用的浆液最大配比为1∶1，浆液比重最大不超过1.4 g/cm3，两管法非常适合处理粉细沙层，处理粉细沙层的效果非常好，两管法高喷所成的墙或桩的半径较大。三种喷射方式形成的墙体半径从大到小为:定喷、摆喷、旋喷。

6.3 三管法

三管法工艺试验了三个孔，孔号为:S4、S5、S6;喷射方式:定喷、摆喷、旋喷。

(1)墙体描述。S4定喷孔成墙情况:在粉细沙层中，高喷墙体最大半径为2.9 m，墙厚22 cm，沙砾石中，高喷墙体最大半径为2.2 m，墙厚33 cm，沙砾石层中墙体比沙层中厚;墙体平滑光整，墙体内还有没喷烂的PVC管。S5摆喷孔成墙情况:在粉细沙层中，高喷墙体最大半径为2.2 m，墙厚103 cm，高喷墙末端凹陷深度为60 cm，沙砾石中，高喷墙体最大半径为1.9 m，墙厚83 cm，沙层中墙体比沙砾石层中厚，墙体平滑光整。S6旋喷孔成墙情况:在粉细沙层中，桩体直径为0.765 m;在沙砾石层中，桩体直径为0.59 m，桩体光滑，上大下小，墙体胶结良好。

(2)三管法工艺总结:三管法进行高喷灌浆施工耗浆量比较大，主要是高压水对浆液稀释作用所致。三管法也能处理好粉细沙层。三管法高喷所成的墙或桩的半径较大，三种喷射方式形成的墙体半径从大到小为:定喷、摆喷、旋喷。

6.4 二次切割法(新三管法)

二次切割法(新三管法)工艺试验了四个孔，孔号为:S0、S1、S2、S3;喷射方式:摆喷、定喷、摆喷、旋喷。

(1)墙体描述。S0摆喷孔成墙情况:高喷墙体的直径大约为1.1～1.2 m，墙体直径比较小，墙体的厚度很薄，主要是高喷不用风所致。S1定喷孔成墙情况:开挖墙体半径为2.1 m，粉细沙层墙厚6.5 cm，沙砾石层墙厚16 cm，墙体比较薄，墙体半径较大，墙体比较光滑。S2摆喷孔成墙情况:在粉细沙层中，墙体半径为2.17 m，最大墙宽65 cm，高喷墙的末端有一个40 cm的凹弧面，墙体平滑光整，墙体内还有没喷烂的PVC管，原高喷孔内被小砾石胶结物充填而不是纯水泥浆结石。S3旋喷孔成墙情况:在粉细沙层中，桩体半径为0.75 m，桩体最大半径为1.07 m;沙砾石层中，桩体半径为0.685 m，整个桩体有缩颈现象，缩颈现象发生在孔深5 m，桩体水泥含量少，主要是在孔深4.8 m处有一只浆嘴被堵所致。

(2)二次切割法工艺总结:二次切割法采用双喷嘴、双高压液对地层进行两次重复切割，对地层切割的范围比较大，形成的高喷墙体质量比较好;由于二次切割法采用高压水、高压浆两管，高压水对高压浆液有稀释作用，使高喷墙体的强度受到影响;浆液为高压浆，浆液的浓度也受到限制(最大浆液配比不超过1∶1)。试验中试验了四个孔，三种喷射方式形成的墙体半径从大到小为:定喷、摆喷、旋喷。没有用风的试验孔成墙半径最小。

7 高压喷射灌浆工艺试验得出的结论

(1)试验了四种高喷工艺:单管法、双管法、三管法、二次切割法。通过对试验实物成果——高喷墙体进行的测量、描述，系统地分析了高喷工艺、高喷参数、高喷墙体之间的关系。在高喷参数一定的情况下，四种工艺都能处理粉细沙层，其成墙质量从好到坏依次为二次切割法、双管法、三管法、单管法;其成墙成桩半径从小到大排列为:单管法、双管法、三管法、二次切割法。

(2)本次试验的喷射方式有:定喷、摆喷、旋喷三种。在同一种工艺下，高喷成墙成桩半径从大到小依次排列为:定喷、摆喷、旋喷;高喷墙体厚度从薄到厚排列依次为:定喷、摆喷、旋喷。

(3)试验所采用的高喷参数完全进行定量控制，试验所得成果(实物成果——高喷墙体)均进行了定量描述，试验后，取得了高喷施工参数与高喷墙体之间的定量关系。

总之，通过此次系统的高喷试验，了解了高喷工艺及工法原理，定量地描述了高喷参数和高喷成果的关系，查明了影响高喷质量的工艺、工法、高喷参数等因数。