高喷灌浆在辽河堤防基础加固工程中的应用

郭振明，宋兵伟，高红艳，张美英

(1.辽宁省水利水电科学研究院，沈阳110003;2.大连市水利规划设计院，大连116021;3.辽宁腾飞喷泉园林工程有限公司，沈阳110003)

1 工程概况

辽河大堤谷家砂堤段位于辽河下游右岸盘锦市双台子区境内，该堤段防渗工程总长度1 000 m，桩号L37∶0+300 ～ L37∶1+300，根据松辽委的批复，盘锦市辽河大堤设计标准为20 a一遇。谷家砂质坝坝体素填土和坝基土部分地段粉土、粉砂层含量较多，表现为标贯击数较高。素填土和坝基土部分地段存在软弱夹层，表现为标贯击数较低。在高水位运行时，上述地段易发生流土破坏，引起堤坝渗漏。盘锦市谷家险工基础主要为粉细砂，渗透系数较大。局部基础表层虽为黏土，但室内试验渗透系数为2.70×10-4cm/s，野外试验渗透系数为1.42×10-4cm/s，都很大，为中等透水。堤内、堤外均存在不同程度的“天窗”，造成天然相对隔水层缺失，所以，洪水期如河道水位较高，则存在侧向渗漏问题，应采取水平或垂直防渗处理。该段大堤堤身现存在鼠洞，为一不良隐患。

因此，为从根本上消除渗透破坏隐患，该段堤防采用二管法高压喷射灌浆技术进行防渗处理。

2 高喷灌浆设计

2.1 高喷灌浆技术的选择

高压喷射灌浆技术是70年代由国外引进的一种先进的基础处理施工方法。国内已在土木、公路、铁路、矿山和国防等部门相继采用。自高喷灌浆技术开发以来，三重管灌浆法(简称三管法)成为着重研究的对象，并将该灌浆方法应用于水利工程建设上，且已先后在国内、外完成水库、排灌站、堤防等四十余处防渗、防冲、防液化、承载、截潜等工程施工及试验研究工作，并取得了良好的效果。实践证明这项技术具有施工简单，效果可靠及不需要开挖即可处理地下隐蔽工程等优点。

三管法是利用高压水、气同轴喷射流，冲切破坏土体，再注入低压水泥浆进行充填，经掺搅混合，升扬置换作用，形成固结体。高压喷射灌浆发展初期，二管法泥浆泵压力仅为15～20 MPa，形成旋喷桩直径不足60 cm，且设备易磨损，使用寿命低，这些缺陷在当时严重限制了二管法喷射灌浆的发展。三管法由于可用高压泵直接压送清水，机械设备不易磨损，压力可达40～50 MPa，形成旋喷桩直径为100～160 cm，比二管法形成固结体要大1～2倍。因此国内几乎同时开发三管法喷射灌浆。

在此后的十几年中，三管法在机具设备、制浆、工艺、质量监测等方面得到了不断发展和完善，并在基础处理工程施工上得到广泛应用，为水利、建筑、交通及矿山等部门解决了许多难题。

但是随着应用领域的不断深入，发现三管法高喷灌浆存在一些难以克服的缺陷，在许多情况下限制了其运用范围［1］，主要表现为:

1)三管法高压喷射灌浆过程中，高压水射流在切割土体同时，对灌注浆液形成稀释作用，使固结体的凝结时间变长，强度降低。这对于那些需要在短时间内大幅度提高桩(墙)强度的工程，难于满足要求。

2)在高压水射流切割掺搅土体过程中，由于气流的升扬置换作用，大量浆液排除地面。即不利于节省材料，降低成本，又造成废浆污染环境，对那些需要清理废浆工程需额外增加不少费用。

3)三管法设备复杂，而且配套设备数量较多，至使其进、退场搬迁困难，在狭窄场地条件下施工难以机动地随着处理部位而及时转移。

在这种背景下，一种节省材料、价格低廉、对环境污染较小的二管灌浆技术在国内兴起，其几乎解决三管法所有技术难题。并已在国内多处工地使用。二管法，即采用高压泥浆泵装置，将单一介质的水泥浆外裹同轴压缩气从喷嘴喷射出去，冲击破坏土体，同时借助灌浆管的提升或旋转，使浆液与塌落下来的土掺搅混合，经过一段时间的凝固，在土中形成固结体。在机具设备方面，目前国产新一代高压泥浆泵的工作压力达到50 MPa，具有既能泵送清水又能泵送高密度泥浆功能，泵体结构采用新型耐磨材料，其使用寿命已大幅度提高。且价格也大幅下降。这些优点为普及二管法灌浆技术创造有利的条件。因此本工程选择二管高压喷射灌浆技术进行基础处理。

2.2 工艺原理

辽河堤防防渗加固处理工程选取二管高压喷射灌浆技术实现。其原理是借助于高压设备，将水泥浆以高压射流的方式从喷嘴中喷射出来，同时利用压缩空气流将射流出的高压水泥浆包裹其中，并且冲击、破坏被灌地层结构，使浆液与被灌地层颗粒掺混，形成符合设计要求的凝结体，借以达到加固地基和防渗的目的。

2.3 施工布置

高喷灌浆孔轴线布置在迎水侧堤肩，孔间距为1.4 m，灌浆深度为14.703 m。为确保设计灌浆深度，钻孔深度比灌浆深度宜超深0.5 m。为保证防渗墙体的厚度，采用摆喷灌浆方式，设计摆角为23°。见图1。

图1 堤防横断面示意图

灌浆施工分Ⅱ序进行，即1#，3#……奇数孔为Ⅰ序孔，2#，4#……偶数孔为Ⅱ序孔，分序施工的目的是避免喷射时造成邻孔塌孔和串浆。设计Ⅰ序孔喷射板墙与轴线成20°，二序孔喷射板墙与轴线成160°，板墙平面呈140°交叉折线型。见图2。

图2 防渗板墙平面交接示意图

2.4 主要设计参数

摆喷灌浆试验的具体参数值见表1。

表1 摆喷灌浆试验参数

3 施工方法

本工程设计的高喷灌浆方式为摆喷灌浆，灌浆的施工工艺流程如图3所示。

图3 高喷灌浆的施工工艺流程图

3.1 钻孔

高喷灌浆工程钻孔采用XY—2P型钻机，开孔直径为108 mm，采用合金钻头，回转钻进，以膨润土浆固壁，确保孔壁在24～48 h内不塌孔。

3.2 喷射灌浆

二管高喷灌浆装置主要设备为高喷台车、高压泥浆泵、空压机;辅助设备为浆材制备系统、介质管路系统及中央控制系统。本次灌浆采用SGP30—5型高喷台车。

高压喷射灌浆工序分为定向、下管、试喷、提升、补浆等，然后将高喷台车迁移至另一待喷孔就位。为避免出现喷射时相邻孔塌孔，灌浆时根据施工布置，分序进行灌浆。当高喷灌浆结束后，水泥浆经过一段时间沉淀，需进行孔口补浆，直到填满为止。

3.3 浆液制备

制浆设备包括泥浆搅拌机、灰浆搅拌机各一台，用于拌和膨润土浆和水泥浆;利用泥浆泵输送浆液，浆材制备工艺如下:

3.3.1 膨润土浆

膨润土经泥浆搅拌机和水混合搅拌，形成膨润土浆，输送至钻机泥浆泵，供钻孔护壁使用。本次灌浆膨润土为锦州市黑山县生产的优质膨润土，确保钻机成孔后24～48 h不塌孔。

3.3.2 水泥浆

本次施工采用纯水泥浆作为灌浆材料。水泥浆液配比为1∶0.8(水泥∶水)，所需要的水和水泥用量，先后加入搅拌筒中搅拌，静止后，用上海生产的泥浆比重计量测浆液比重，达到设计要求后，用高压泥浆泵输送到灌浆管中进行喷射灌浆。

4 防渗板墙质量检查

4.1 开挖检查

先整体挖去灌浆板墙上部1 m覆盖层，范围以围井墙体中心线向内外各0.5 m。之后用人工进行仔细开挖，开挖深度为墙体顶部以下0.8 m，露出明显灌浆孔施工墙体。开挖后经检查，灌浆形成防渗板墙轮廓清晰、墙壁垂直、连续完整、水泥含量高。两孔板墙连接部位搭接充分、牢固。经量测单个摆喷板墙有效平均长度1.65 m，平均厚度15 cm，搭接处厚35 cm，重复搭接部分长达0.4 m。满足设计要求，开挖结果图4。取样墙体室内试验28 d抗压强度为4～6 MPa。满足设计要求。

图4 高喷防渗板墙

4.2 围井试验

围井试验的成果见表2所示。

表2 注水试验成果表

渗透系数计算根据下面公式:

式中:t为防渗墙平均厚度;L为围井周长;H为围井试验水位至井底的深度;H0为地下水位至井底的深度。

5 结语

盘锦市辽河堤防砂基砂堤段防渗工程，从2006年10月开工，至2007年7月完工，去除冬雨季停工时间，实际工期6个月，构筑防渗板墙长度1 000 m，形成防渗板墙面积14 703 m2。经过开挖及试验检查，墙体完整，围井试验渗透系数较小。工程竣工至今，经过几年的运行，从未发生堤防水毁情况，可以看出辽河谷家堤防高喷灌浆防渗处理后，防渗效果较好，达到了预期目的。通过本工程的实践，也证明了二管高喷灌浆技术的优点，即不受地形限制、易连接穿堤建筑物、节省主材、防渗效果好。

［1］秦世润.高喷灌浆在高喷防渗墙工程施工中的应用［J］.科技情报开发与经济，2010，20(12):192-194.