关于摆喷技术对沙质河岸防渗效果的研究

王子文刘经强高 健

科技推广与应用

关于摆喷技术对沙质河岸防渗效果的研究

王子文1刘经强1高 健2

一、引言

高喷法起源于日本20世纪60年代末的CCP（Chemical Charning Pile）工法（单管法），是一种利用高压水力喷射切割机理，将土、化学药品或水泥浆液一起搅拌，使之形成固结体，以达到防渗和加固目的的方法。摆动喷射（俗称“摆喷”）是高喷法的一种，具有地层适用面广、造价低、工艺成熟等优点，在复杂地质条件及施工环境恶劣的堤段，具有广阔的应用前景。

工程实践中发现，通过摆喷工法所形成的防渗墙，在对接部位的渗透比降较低，是整个防渗墙中抗渗稳定性较为薄弱的环节。

二、原因分析

高喷防渗墙的防渗机理在于其多层的复合型结构。摆喷注浆形成的防渗墙凝结体虽成连续板墙状，但其外形不像机械造槽浇注形成的混凝土防渗墙那样规则，其内部结构也不像混凝土那样均匀，而是呈现复合型结构（如图1），其中渗透凝结层的渗透系数为最小。若两相邻桩体对接重合面积过小或钻孔时偏斜过大，都会影响防渗墙整体的抗渗稳定性。

三、解决方案

针对不同的工程要求，可将两种或多种工法结合使用，组合形成多种形状的凝结体，以达到提高抗渗稳定性的目的。

1.旋摆结合

防渗墙设计为旋摆相间的结构，高压喷射注浆采用两序进行施工：一序为旋喷，二序为摆喷。

根据具体工程要求，确定旋摆喷孔中心距离，从而确定出各个钻孔的位置。①钻孔。钻进时严格控制孔斜，保证两孔间所形成的防渗凝结体充分结合，不留空隙。②下注浆管。将注浆管下放到设计深度，进行旋喷作业。③喷射提升。当喷射管下到设计深度后，送入水、气、浆，静喷1～3min；待注入的浆液冒出后，按预定的提升、旋转、摆动速度自下而上边喷射边转动、摆动，边提升直到设计高度，停送水、气、浆，提出喷射管。④清洗。当喷射到设计高度后，喷射完毕，应及时将各管路冲洗干净，不得留有残渣，以防堵塞。尤其是注浆系统更为重要。⑤回填。为解决凝结体顶部因浆液析水而出现的凹穴现象，当喷射结束后，随即在喷射孔内进行静压填充注浆，直至孔口液面不再下沉为止。⑥钻机移动。将钻机移动到下一孔位，准备下一孔的注浆。

旋摆结合这一工法有效解决了摆喷中存在的对接部位防渗性能差的问题。

2.减少摆距

摆喷的喷射半径在砂土层约为2m，但在实际的工程应用中我们发现，摆喷的防渗效果没有理论中的效果好。在摆喷的喷射边缘处，往往因为土层不均匀等各种原因造成边缘处防渗墙厚度不均匀，防渗效果差。显然，在实际的工程应用中，如果按照2m来打防渗帷幕墙是不科学的。所以根据工程地质的实际情况适当减少喷施径距，也是一种提高摆喷防渗效果的一种方法。

3.静压注浆加强法

高压摆喷注浆是借助于高压射流冲切掺搅地层。浆液只是在高压射流方向上有良好的可控性，但可注性效果并不能得到合理的控制，在摆射注浆的边缘处，浆液浓度往往达不到施工的要求。

为了解决上述问题，可以采用高压摆喷与静压注浆相结合的方法。通过高压摆喷进行施工，在摆喷后混凝土尚未凝结时在摆喷的防渗效果最差的地方进行打孔，使混凝土浆液借助于浆压力使浆液沿空隙渗透进入防渗层，与摆喷防渗层的混凝土共同凝结，加强防渗效果。

四、工程实例

选取高压摆喷灌浆技术在牟汶河拦河闸工程中的应用为工程实例，施工工法特点为三重管高压摆喷。

1.工程概述

图1 摆喷注浆内部结构图

牟汶河拦河闸工程位于莱芜市莱城区牛泉镇大庄村西,牟汶河下游，拦河闸枢纽工程全长367m，最大水深12m，回水长5km，控制流域面积1323km2，总库容2000 万m3，拦河闸以上干流平均坡度为1.6‰。是一座以供水为主，结合灌溉、发电、美化环境等综合利用的水利枢纽工程。工程位置处地层比较简单，从上到下大致可分为3层：（1）上部为中粗砂层，棕黄色，局部含少量粉粒，湿～饱和，松散～稍密，主要为石英、长石质，一般颗粒直径0.3～1mm，厚度3.2～4.6m。（2）中部为砂砾层，褐黄、白色，湿～饱和，自上而下由松散渐变为稍密，含石英质砾石，土质不均匀，厚度2.3～3.0m。（3）下部为第三系粘土岩（E），黑褐色夹灰褐色，泥质结构，薄层状构造。

2.施工工艺

（1）施工设备

主要施工设备为：造孔系统、高压水系统、压缩空气系统、制浆供浆系统、提升喷射系统和检测系统。

（2）施工布置

高喷墙的结构形式采用摆喷折接，高喷灌浆共布置307个灌浆孔，孔距1.5m，摆喷角度30°，采用三管法（水、气、浆分别由3条并列的管道输送）设备施灌制作折线形防渗板墙。高喷灌浆下界线为入基岩面以下1.0m，上与主河床相平，为减少串孔、塌孔及保护板墙有效连接，分Ⅰ、Ⅱ序孔进行施工。

（3）施工方法及工艺

造孔采用2台XY-100型钻机进行回转钻进，用当地粘土制浆进行钻孔护壁，采用GP500-4型高压喷射灌浆机1台进行摆喷灌浆。引孔造好后高压喷射灌浆机就位下高喷管，下高喷灌管前先在地面进行试喷以确定喷射方向。高压喷射以水、气、浆为介质，高压喷头使用一对水平喷嘴喷出35～40MPa的高压水（周围用压缩空气保护水柱）射流切割破坏被灌地层，出浆口垂直于高压水嘴，在高喷管的底部灌入密度大于1.60g/cm3的水泥浆充填被高压水切开的空间，并使地层中的泥、砂等细小颗粒排出地表，从而形成高喷板墙，主要施工流程如下：

图1 高压喷射灌浆工艺流程

表1 施工技术参数指标

（4）施工参数

施工所采用的高喷参数，按设计要求在正式施工前做了一个矩形试验围井，围井边长3m×1.5m，面积4.5m2，围井深7.5m，其中中粗砂层厚4.2m，砂砾石层厚3.3m，基岩平均埋深7.5m。试验中对不同地层的提升速度、摆动角度及水、气、浆等各项技术参数进行测试，凝固14d后，进行注水试验，然后全部挖开检查，发现板墙喷射均匀，连接牢固。砂砾石层摆角形成墙体厚度30cm以上，双面有效喷嘴喷射长度为1.6～1.8m，墙体强度大于5.0MPa，墙体渗透系数为4.6×10-6cm/s，满足设计要求。高喷施工参数见表1。

（5）施工方法

①灌浆钻孔施工

钻机安放平稳，孔位偏差小于50mm，均用水平尺校正机台水平和钻机立轴垂直度，通过回转钻进、泥浆护壁成孔。失浆严重时，注入稠泥浆或粘土进行堵漏处理。钻进过程中使用测斜仪对钻孔进行测斜，当发现钻孔倾斜时，及时采取补救措施，以确保成孔倾斜度小于1%。钻孔结束后及时向孔内注入稠泥浆，防止塌孔。地质人员跟班对岩芯进行分层描述。

②高压摆喷施工

为保证先期形成的板墙与后期形成的板墙有效连结，采用Ⅰ、Ⅱ序孔施工方法，即先施工完Ⅰ序孔，然后再施工Ⅱ序孔。高喷机就位后，先在地面进行试摆和试喷，定好喷射方向，待各项参数达到要求后再下喷射管至孔底，先按规定参数进行原位喷射，待浆液返出孔口、情况正常后方可开始提升喷射。喷射下界线为入强风化粘土岩1.0m以下。当在砂卵石层中容易出现塌孔现象致使高喷管下不到预定深度时，移开高喷机，用钻机进行扫孔，用浓粘土浆或直接倒入粘土进行护壁，然后才能进行高喷操作。喷射过程中，出现故障而停喷时，待故障排除后，将喷管下至停喷前深度0.5m以下重新喷射，确保板墙连接良好。部分砂砾卵石层孔段出现漏浆而无冒浆时，就停止提升，并加大水泥浆液浓度，直至孔口有冒浆后才开始重新提升。当发生邻孔串浆时（主要发生在Ⅰ序孔），将串浆孔堵死，灌浆孔依照正常施喷要求进行。单孔喷灌结束后，采用0.7∶1的纯水泥浆进行回填补灌，反复进行，直至浆面不再下沉为止。在喷灌过程中，随时监测进浆密度、回浆密度、流量，水、气、浆的压力和流量，摆喷角度，提升速度等施工参数，并详细记录。

3.使用效果

高喷防渗板墙完工后经开挖检验和围井抽水试验，板墙折接完好，成墙厚度≥30cm，渗透系数K≤5×10-6cm/s，岸边取水井动水位上升0.5m，完全达到设计要求。

五、结语

摆喷技术在防渗工程中应用广泛，具有特殊的优越性，在一些特殊的堤段甚至是不可代替的。因此，加强对摆喷的理论研究及应用实践的探索，完善摆喷的理论体系，具有重要的实践意义。针对堤防的不同类型，应加强摆喷施工与其他防渗施工工法的综合应用

（作者单位：1.山东农业大学水利土木工程学院 271018 2.沂沭河水利管理局 276000）