高壓擺噴防滲墻在國內(nèi)的應用

高壓擺噴防滲墻在國內(nèi)的應用

1上游圍堰工程哈達山相互作用工程位于第二松花江下游，距第二松花江與岷江交匯處約60公里。這是第二松花江運河的最后一級控制工程。本工程由壩區(qū)樞紐工程、防護區(qū)工程和輸水工程組成。樞紐工程建筑物主要由混凝土重力壩連接段、河床式電站、溢流壩、取水及門庫段、粘土均質(zhì)壩等組成。水庫總庫容6.04×108m3，灌溉面積285萬畝(1900km2)，電站裝機容量34.5MW。工程規(guī)模為大(1)型，工程等別為Ⅰ等，主要建筑物為1級建筑物，次要建筑物為3級。二期上游圍堰采用高壓擺噴防滲墻，設計墻體入巖不小于50cm，墻體厚度≮20cm，抗壓強度R28≥3.0MPa，滲透系數(shù)K28≤1.0×10-5cm/s。根據(jù)設計防滲墻性能，采用常規(guī)的擺噴工藝在噴嘴處的墻體厚度難以達到20cm，為解決這一問題，我們提出了單向擺噴不分序施工工藝。2傳統(tǒng)分段壓縮機和單序列壓縮機的比較分析2.1孔位施工影響墻體施工高壓擺噴防滲墻施工常規(guī)工藝分Ⅰ、Ⅱ序施工，即先施工Ⅰ序孔的高噴孔鉆孔、噴漿，在Ⅰ序孔噴漿結(jié)束達70%強度后再施工Ⅱ序孔鉆孔、噴漿，最后形成連續(xù)的防滲墻。分析以往工程實例，常規(guī)的施工工藝分序施工給施工帶來以下弊端。(1)不利于孔位控制。在該工藝流程中，孔位布設時先由測量人員按一定間距測放控制點，施工時技術人員按測量人員測放的控制點先布設Ⅰ序孔孔位，在Ⅰ序孔施工完成后再由測量人員、技術人員測放Ⅱ序孔孔位，因此Ⅰ、Ⅱ序孔的孔位布置使用的控制點不是同一個控制點(即使是同一樁號也有偏差)，由此會造成Ⅰ、Ⅱ序的孔位偏差。孔位偏差會造成嚴重影響墻體間的搭接，從而影響防滲效果。(2)Ⅰ序孔施工影響Ⅱ序孔施工。對于高噴防滲墻施工藝的特點，在防滲墻鉆孔與噴漿過程中會出現(xiàn)很多返漿，Ⅰ序孔施工時出現(xiàn)的返漿會破壞后序孔施工場地，在后序施工地需二次平整。(3)墻體連續(xù)性較差，折線搭接工藝造成無效墻體多，施工成本大。實際上直線搭接形成的墻體成本最低，單孔有效半徑最大。由于分序施工很難將Ⅰ、Ⅱ序孔的孔位控制在一條直線上，只能采用折線搭接，從而使孔距縮短，單位平方米防滲墻上的鉆孔與噴漿量增大，施工成本增大。分序擺噴工藝中噴嘴處的墻體厚度一般在18cm以內(nèi)，很難超過20cm，除非加大擺角，但這種工法也造成高噴孔距要減少，單位平方米防滲墻上的鉆孔與噴漿量增大，施工成本增大。同時噴嘴處的墻體厚度也無法保證，見圖1所示。從圖1中可看出，高壓擺噴防滲墻墻體最厚處在Ⅰ、Ⅱ序孔的搭接處，最薄處在距高噴孔附近及高噴孔處與墻體軸線垂直部位。根據(jù)多年施工經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗資料，在正常孔距、壓力條件下的最薄部位的最厚墻體在13～15cm之間，只有當鉆孔孔徑增大到20cm、或?qū)[角增加到45°、孔距由120cm縮小至90cm時才能達到墻體20cm的效果，這樣明顯增加了成墻造價。2.2噴孔與孔距的調(diào)整為在相同施工參數(shù)條件下增加擺噴最薄部位的墻體厚度，采用單向擺噴不分序施工方法，即先鉆孔、后噴孔包裹前施工孔，從而形成連續(xù)的防滲墻(參見圖2)。從圖2中可以看出，后噴孔能夠在前噴孔已噴完區(qū)的墻體未凝結(jié)之前將其噴孔及噴嘴處墻體較薄部位再次切割，從而增大較薄部位的墻厚，同時可以通過調(diào)整孔距而不是調(diào)整擺角而增加墻體厚度，以形成各種墻厚要求的防滲墻體。這種工法可以避開分序施工所具有的所有弊端，工藝流程簡單化、施工成本可控化、應用范圍擴大化。3高壓水噴射流量計算方法高壓擺噴防滲墻其原理是利用高壓射流作用切割攪拌地層的結(jié)構和組成，同時灌入水泥漿或復合漿形成凝結(jié)體，借以達到加固地基和防滲的目的。其工法特點是在噴管上提過程中邊提邊以一定的角度擺動。其破壞、切割地層的主要能量來自高壓射流，是將電能轉(zhuǎn)化為動能的過程。高壓噴射流破壞土體的效能，隨著土體的物理力學性能的不同，在數(shù)量方面有較大的差異。高壓水噴射流破壞土體的機理是比較復雜的，從實驗和實踐得知，高壓射流沖切土層的效果，與流量、速度、介質(zhì)密度有關。根據(jù)動量定律，水射流在空氣中噴射的破壞力為:式中:F———破壞力，N;ρ———噴射流介質(zhì)密度，kg/m3,Q———噴射流的流量，m3/s;νm———噴射流平均速度，m/s。在介質(zhì)一定的條件下，流體產(chǎn)生的破壞力與平均速度的平方、流量成正比。平均流速νm由噴嘴出口流速ν0決定。從流體力學得知，高壓水連續(xù)噴射流的速度和功率可按下列公式計算出口流速ν0:式中:ν0———噴嘴出口流速，m/s;P———噴嘴入口壓力，Pa;P0———噴嘴出口壓力，Pa;γ———水的密度，g/cm3;g———重力加速度，9.8m/s2;φ———噴嘴流速系數(shù)，圓錐形噴嘴φ≈0.97。高壓水噴射流量Q計算公式為:式中:Q———流量，m3/s;φ———流量系數(shù)，圓錐形噴嘴φ≈0.95;A———噴嘴出口面積，m2;P———噴嘴入口壓力，Pa;γ———介質(zhì)密度;g———重力加速度，取9.81m2/s。從以上公式可知，高壓射流的流速與流量均取決于高壓泵施加的壓力，所以，在噴射面積一定的情況下，為了取得更大的破壞力，需要提高噴射壓力。壓力愈高流速愈大，則破壞力愈大，沖切摻攪地層的范圍也愈大。高噴防滲墻實際施工中，在壓力、介質(zhì)條件一定的條件下，流量的大小取決于噴嘴直徑的大小。所以兩個噴嘴不管在兩側(cè)還是在同側(cè)，其總流量、出口流速都相差不大，高壓射流對地層的破壞力也接近，且射流在同一側(cè)時對地層將重復切割，形成的墻厚會增加。通過以上分析，表明高壓單向不分序擺噴工藝在理論上是可行的，具體的施工參數(shù)需通過現(xiàn)場試驗確定。4試驗過程中孔距、高壓水壓力為進一步確定單向不分序擺噴工藝在本工程中地層條件的施工參數(shù)，在上游圍堰防滲墻軸線上進行生產(chǎn)性驗證試驗。試驗分3組，孔距分別為1、1.2、1.4m，其中1.2m孔距與一期圍堰高壓擺噴防滲墻施工的參數(shù)一致。試驗施工采用三管法:高壓水壓力32～35MPa、流量≮70L/min;漿液壓力0.5MPa、流量≮70L/min;風壓力為0.6MPa、流量6m3/min。在單向高噴試驗完成3天進行開挖檢查，結(jié)果表明3種孔距下的最薄處的墻體厚度分別為30、22、18cm，通過比選1.2m孔距比較合理，在3個孔中最薄處的墻體厚度22～24cm，適合本工程的墻體要求和地層條件。故在施工中采用1.2m孔距、高壓水壓力32～35MPa的三管法單向不分序鉆孔高噴工藝。施工1.5個月，形成防滲墻4800m2，具體施工方法簡述如下。4.1整地體表面坡度施工前用推土機、震動碾進行防滲墻施工平臺的平整，施工平臺地面起伏差<10cm。平臺寬度≮6m，臺面縱向坡度≤0.5%。沿防滲墻軸線開挖深30cm、寬50cm的補漿槽。4.2套管進口噴管采用SGZ-ⅢA型地質(zhì)鉆機、ue54e130mm硬質(zhì)合金鉆頭鉆進，粘土泥漿護壁，局部嚴重塌孔部位下套管跟進?？咨钊霂r0.5m，鉆孔孔距為1.2m。鉆孔過程中詳細記錄粉細層厚度、入巖深度，以更直觀了解地層。由于圍堰自上而下全為粉細砂地層，鉆孔過程中的護壁泥漿采用優(yōu)質(zhì)鈣基膨潤土制備，并在漿液中添加增粘劑、分散劑，確保泥漿性能達到護壁要求。鉆孔完成后作好孔口保護，并及時噴漿，以免孔內(nèi)泥砂沉淀影響孔深。4.3靜噴、壓漿、回漿(1)采用32.5普通硅酸鹽水泥，制成水灰比為0.6∶1的水泥漿漿，漿液密度≮1.7g/cm3。制漿站采用分散式，隨制隨用。施工中流入回收池中的泥漿經(jīng)過濾后采用泥漿泵抽到制漿機重新加水泥拌制后二次投入施用。(2)在鉆孔達到設計要求的孔深后，將高噴管下至孔底，按照試驗確定的水、氣、漿各試驗參數(shù)開始靜噴并按表中擺角參數(shù)擺動，當孔口返漿，且返漿濃度接近進漿濃度后，自下而上按照規(guī)定提升速度提升。當提升至設計防滲墻頂高程，調(diào)低高噴參數(shù)并快速提升到地面。由于是單向噴漿，在噴灌過程中與其相鄰的已噴孔會出現(xiàn)不同程度的串通，這說明漿液的切割半徑能形成有效搭接，并能夠進一步擴大噴嘴處的墻體厚度。(3)高噴灌漿結(jié)束后，利用回漿或者水泥漿及時回灌，直到孔口漿面不下降為止。(4)對各個單孔高噴灌漿施工中，對水壓、水流量、氣壓、氣流量、漿壓、漿流量必須按技術參數(shù)要求;同時準確控制孔口回漿密度≮1.2g/cm3。(5)在不同地層內(nèi)，按試驗確定的參數(shù)靈活調(diào)整，對應提升速度限定區(qū)間進行擺動提升，并準確填寫記錄鉆孔、高噴施工過程中的各參數(shù)變化情況。4.4滲透系數(shù)測定在高噴防滲墻施工完28天后進行墻體開挖、墻體取心進行室內(nèi)檢驗，共開挖檢查2處，取心樣3組:抗壓2組、滲透系數(shù)1組。檢查結(jié)果表明，墻體連續(xù)性好，后施工墻體包裹前施工墻體，最薄處的墻體厚度22cm，墻體抗壓R28=3.8、4.1MPa，滲透系數(shù)K28=6.7×10-6cm/s，各項指標均滿足設計要求。5通過合理的施工參數(shù)來確定施工參數(shù)通過理論分析、試驗論證與施工驗證表明，單向包裹型不分序高壓擺噴