三管高压旋喷灌浆在某小型水库除险加固中的应用

林　毅中国水利水电第十六工程局有限公司（361000）



三管高压旋喷灌浆在某小型水库除险加固中的应用

林毅
中国水利水电第十六工程局有限公司（361000）

摘要：为解决重力坝防渗问题，改善地基土的受力条件及边坡稳定，提高坝体的抗剪强度，改善地基土的变形性能。可在水库加固除险工程中应用三管高压喷射灌浆技术。该技术不仅防渗能力得到提高，防洪压力减轻，而且对保障人民生命财产安全以及社会经济发展起到积极的作用。这里简要分析了三管高压旋喷灌浆技术的工作原理、质量控制要点及工程实例中的防渗效果。

关键词：三管高压旋喷灌浆；工作原理；水库除险加固；控制要点

1　实例分析

某控制流域面积为5.6 km2，总库容为110万m3的小型水库，是一座防洪、灌溉及水产养殖三者兼顾的综合小型水库。

大坝为均质土坝，坝高最大为31.3 m，坝顶高程534.9 m，坝顶宽5 m，坝顶长86 m。该水库的防洪标准为20年一遇设计，其校核年限是300年。

当地防洪办决定对该坝进行除险加固处理，其原因是：根据水库安全鉴定的复核成果，大坝不仅背水坡多处出现渗漏，而且基脚出现塌陷。

三管高压旋喷灌浆防渗桩设计，是对坝体进行加固的主要方法，将灌浆孔按平行坝轴线单排布置，距大坝防浪墙外侧2.2 m，分两序孔逐渐加密施工，孔距为l m。第一序孔距2 m，第二序孔距1 m。全坝段范围开展除险加固施工，钻孔从坝顶钻至强风化岩石下限，灌浆从强风化岩石下限至正常蓄水位，总的灌浆长度4 235 m。

2　工作原理

三管高压旋喷灌浆的工作原理：先利用钻机造孔，然后把带有喷头的注浆管沿孔下至基石土的预定位置，喷射方法是利用水、气喷射，浆液灌注搅拌混合喷射。利用高压，将浆液从喷嘴中喷射出来，从而达到防渗的目的。为了向周围土体高压喷射水泥浆液，在钻杆（喷杆）杆端孔底安装特殊喷嘴，以此来达到目的。以一定的速度边旋转边提升钻杆（喷杆），凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体（见图1）。

图1　三重管高压旋喷结构示意图

3　施工设备选择

根据高压喷浆工艺要求，由多种设备组装的成套设备是该工程施工的必选设备。

三管高压喷射设备由钻机、泥浆泵、高压水泵、空压机、泥浆搅拌机和高压胶管等组成（见图2）。

图2　高压喷射设备组装示意图

1）造孔设备

该工程坝体宽5 m，设计孔中心距防浪墙2.2 m，加上地质条件复杂，设备选择必须谨慎，要符合现场要求。

因此，选择立轴式液压回转式钻机，这类钻机是高压灌浆施工常用的钻机，操作方便，适应性强，关键是可液压给进及提拔钻杆。

2）供水设备

高压水泵和高压胶管是供水系统中的主要设备。该工程选择3D2-S型卧式三柱塞泵。

3）供气设备

排气压力为0.7～0.8 MPa才能保证主射流的喷射效果，所以，三管高喷机是必要的选择。

4）供浆设备

搅拌机、注浆泵、上料机是供浆设备的主要部分。注浆泵选择压力≥1 MPa，流量50～150 L/min。

5）喷灌设备

喷灌装备不仅仅是喷射装置，垂直机架、卷扬机、旋摆机构等也属喷灌设备。其旋摆机构用途是使喷射装置进行旋转作业；喷射管的作用是提升时进行定向喷射。喷射装置设计为输送水、气、浆三种介质的三管高压喷射装置，分别用高压压缩机、空气压缩机、注浆泵输送到喷射装置，进行喷射作业。

4　施工工艺及流程

4.1施工准备

施工材料（水泥）的准备，设计图纸的熟悉，设计参数的了解，对施工机械设备进行性能检查是施工前必须做好的工作。施工准备还包括桩位放样、修建排污和灰浆拌制系统等。

4.2施工工艺参数确定

施工工艺参数是根据工程项目（桩径1 000 mm）及地质特征、工艺水平确定的。现场试验桩试喷情况可知，最终选择的工艺参数：喷嘴直径（双喷嘴）2～2.30 mm；水压40 MPa，流量70 L/min；气压0.70 MPa，气量6 m3/min；浆压：0.65 MPa，流量80 m3/min；提升速度15 cm/min。

4.3施工流程

1）钻机就位

为保证钻杆与桩位一致（偏差＜10 mm，钻孔垂直度误差＜0.3％），钻机就位后，对桩机进行调平、对中，调整桩机的垂直度。为了保证设备正常运转，钻孔前还应调试空压机、泥浆泵。为了保证孔底标高满足设计，还应对钻杆长度进行深度校验。

2）引孔钻进

钻机施工前，应首先在地面进行试喷，在钻孔机械试运转正常后，开始引孔钻进。钻孔过程中要详细记录好钻杆节数，保证钻孔深度的准确。

3）插入注浆管

引孔至设计深度后，拔出岩芯管，并换上喷射注浆管，插入预定深度。在插管过程中，为避免泥砂堵塞喷嘴，不仅要边射水边插管，而且水压不可以超过1 MPa，否则将导致孔壁射穿。

4）旋喷提升

接通泥浆泵，然后由下向上旋喷，同时将泥浆清理排出，这些工作是在喷射注浆管插入设计深度后进行的。为了确保桩底端的质量，在喷嘴下沉到设计深度后，应该在原位置旋转l0 s左右，待孔口冒浆正常后再旋喷提升。

5）钻机移位

旋喷提升到设计桩顶标高时停止旋喷，提升钻头出孔口，清洗注浆泵及输送管道，然后将钻机移位。

5　施工工艺参数控制要点及验收

1）控制水压水量

要选择水量和工作压力适宜的高压泵，该设计选择压力40 MPa、流量70 L/min。其原因是：虽然水射流喷射压力和水量对凝结体形成的有效长度可增大压力，获得较大的防渗加固体和有效长度，但是水量大将造成浆液稀释，冒出的浆液增加，导致凝结体质量降低。

2）控制气压气量

该设计选择气压0.70 MPa、气量6 m3/min。其原因是：该气压气量可压缩空气形成气幕，保证水射束能量不过早扩散，还可增加喷射切割长度和升扬转换作用，改变地层的颗粒级配，因此输气量宜选择较大值。

3）控制浆量浆压

该设计确认水灰比控制在1∶1、流量80 m3/min。因为在水、气同轴喷射作用下，浆压保持在0.650 MPa，其主要作用是保持浆液有足够的稠度，这对工程有重大影响。

4）控制旋摆速度

经现场试验，该设计选择提升速度为1.5 cm/ min。其原因在于：有效长度会因提升速度不同而改变，提升速度过快，则有效长度过短，且影响墙体的密实性；提升速度过慢则耗用浆液太多，造成不经济。正确控制旋摆速度是确保施工质量的重要因素。

5）控制进浆回浆比重

该设计选择浆液比重大于1.52（水灰比l∶1），而且要求每喷一延米检测一次。其原因在于：进浆水灰比过低、喷浆量过小极可能会导致成桩质量差；回浆比重过高，有效成桩直径小，或进浆水灰比过高、高压射水流量过小均会导致一系列问题的出现，因此，进浆的浆液比重是控制浆液水灰比的重要参数。

根据设计高压旋喷桩的抗渗和强度指标要求：渗透系数K≤1×10-6crn/s，抗压强度R≥1.5 MPa。经现场注水试验渗透系数平均值4.9×10-7cm/s，抗压强度代表值2.5 MPa，均满足设计要求。

6　施工常见问题处理

1）处理串浆问题

在高喷过程中经常会发生串浆的情况，此时应先封堵被串孔，并继续串浆孔的施工，待其结束后尽快进行串孔的施工。

2）处理复喷问题

需在因机械设备故障停喷超过半小时以上的情况下进行。

3）处理冒浆异常问题

冒浆异常包括冒浆量过大或不返浆，采取提高喷射注浆压力、适当缩小喷嘴孔径、提升速度适当加快等措施，可解决冒浆量过大的问题。采取降低提升速度和喷射压力来进行原地注浆、加大浆液密度或进浆量、喷注黏土浆或加砂处理等手段可有效解决不返浆的问题。

7　质量效果评价

在水库加固除险中应用三管高压喷射灌浆技术不仅工艺简单、造价低廉，而且施工速度快，对坝体破坏小，能成功解决坝体基坑开挖的安全问题。该工程经过完工验收及竣工验收，各项设计指标均达到预期效果。