水库除险加固中高喷灌浆技术的应用

很多水库的土层结构使大坝渗流不稳定,严重威胁水库大坝的安全。经过大量的研究测试证明:利用高喷灌浆技术对水库进行除险加固,对其主体工程防渗板墙设计采用折线连接,分两序孔进行施工,取得良好效果。

高喷灌浆工作原理

灌浆,就是将某种具有动态性和凝固性的浆液,按一定的混合比例,通过钻孔用灌浆设备压入建筑物或其基础部分缝隙中的措施。灌浆又称注浆,其实质是使浆液在被灌载体中渗透、扩散,一段时间后固化硬化,从而达到加强加固载体和抗渗防水的目的。

灌浆的作用主要体现在下面几个方面:固化作用。某些浆材(例如水泥和某些化灌材料)可与地层中的粘土等松软物质发生化学反应,将其凝固成坚固的“类岩体”;填充作用。浆液凝成的结石将地层空隙充填起来,可以阻止水流通过,提高地层的密实性;压密作用。在浆液被压入的过程中,将对地层产生挤压,从而使那些无法进入浆液的细小裂隙和孔隙受到压缩或挤密,使地层密实性和力学性能都得到提高;粘合作用。某些浆液的胶凝性质可以使己经脱松的岩块、建筑物裂缝等充填并粘合在一起,使其联合承载能力得到改善。

1. 基本原理高喷灌浆法是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后,利用高压水泵,通过安装在钻杆(喷杆)杆端置于孔底的特殊喷嘴向周围土体喷射高压水。喷流动压以脉冲形式冲击土体,使土体结构破坏出现空洞,同时压入浆液(一般为水泥浆)。钻杆以一定的速度边旋转(边摆动边或不动)、边提升,再压入高压空气(用空气压缩机压入),这样钻杆在旋转和提升过程中,在射流后形成空隙,在喷射压力作用下,迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向移动,土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入。补入的浆液与土、砂和砂砾经高压空气并强制搅拌混合,然后析水固结,凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体,即形成桩、板、墙、柱等。

2.喷射灌浆,将高喷管下入到孔内,按造孔记录及设计板墙底线控制下入深度,然后启动高压水泵、空气压缩机,搅浆机供浆,同时全面检查各管路是否封闭,水、浆、气压力及流量是否符合设计参数要求,喷射管的喷射方向是否对正。启动设备3min后,待水泥浆从孔口返浆,再按设计提升速度开始提升。喷射灌浆结束后,进行静压回填灌浆,至液面不析水、不下沉为止。

3.设计高喷防渗墙。高喷防渗墙(简称高喷强),是由旋喷柱形桩、摆喷扇形断面桩或定喷板状墙段,其中的一种或两种、三种彼此结合搭接起来形成的地下防渗墙。该防渗板墙设计采用折线连接,分两序孔进行施工,第一序孔造孔及喷射灌浆完毕,等待14d后,再进行第二序孔的造孔及高喷灌浆的施工。

施工准备及主要施工方法

灌浆前应该全面、仔细、及时做好各项准备工作,包括:收集资料,进行隐患探测和分析,做好灌浆设计,准备好灌浆材料、机具。

1、施工材料

1.1、水泥是土坝坝体灌浆的主要材料,水泥性质应该满足灌浆。高压喷射浆液采用普通硅酸盐水泥拌制,水泥强度等级不能低于32.5级。需要提高墙体强度时,按监理人指示,采用42.5级硅酸盐水泥中外掺高效扩散剂。每批水泥按要求进行检测,符合设计要求方可使用。

1.2、水。灌浆用水应符合拌制水工硂用水要求,并满足DL/T5200-2004的有关规定。

1.3、灌浆浆液采用纯水泥浆。

2、施工准备工作

2.1、对施工现场进行平整,对低洼和表部松散部位回填和加固,应满足施工机械行走的需要。

2.2、测量放样。根据设计桩位布置现场控制点,由技术人员现场放出具体孔位并明确标识,孔位中心偏差不大于5CM。

2.3、水、电、气及制浆系统等布置于施工前完成。

3、施工一般工序和设备。

3.1、高压摆喷灌浆施工工序为:布孔、钻孔、制浆、高压灌浆、静压回灌。

3.1.1布孔分三个阶段。第一阶段布先导孔,沿坝体灌浆轴线方向每30米左右布置一个先导孔,利用先导孔采取芯样,可摸清各坝段坝体土质类别、地层变化、漏浆程度、基岩深度等情况。第二阶段布试验孔,根据工程地质报告和先导孔钻孔情况在大坝一端按设计孔距布置试验孔,进行现场试验确定合适的孔距和灌浆参数。第三阶段布灌浆孔,按现场试验确定的孔距沿防渗墙轴线布灌浆孔,先导孔可作为灌浆孔之一。钻孔可采用任意一种钻进方式。

3.1.2高压摆喷灌浆采用高压旋喷(三管法)的方式施工。根据试验结果结合原设计参数确定下列正式施工参数:高压水压力30~40M Pa,流量75L/m in;压缩空气压力0.7M Pa;流量800~1500L/m in;水泥浆压力1M Pa,流量80L/m in,比重1.7;提升速度80~100m m /m in,旋转速度8~10r/m in;喷嘴3 个,直径1.7~1.8m m ;高喷杆插入已造好的灌浆孔前,分别接上水管、气管和浆管进行试喷,检查机械及管路情况,如水、气、浆是否畅通,各种参数是否满足设计要求,并调准喷射方向和摆动角度。然后用胶布包扎嘴和气嘴2~3 层,用慢速卷扬机提升,插入时要轻、慢,防止刮塌孔壁。

一切正常后,垂直下入喷管至设计深度,先送水泥浆液,后送水和气,按规定参数进行原位喷射,待孔口返出浆液密度达到1.2 g/cm3后再按设计的提升速度由下至上进行连续摆喷作业,如果中途因故中断后恢复施工时,应对中断孔段进行复喷,复喷搭接长度不小于0.5 m。

3.1.3静压回灌。当喷杆提升至距地面40cm高度时,先停止水和气,再停水泥浆,由于孔内浆液会发生析水、沉淀和凝固收缩,高喷墙体的顶部会产生凹穴,需用水泥浆及时进行静压回灌填补。静压回灌要间断进行,直至填筑到孔口,浆液不再下沉时为止。每孔完成高喷灌浆后,要对水泥浆管道系统进行冲洗,防止管道堵塞。

高压旋喷灌浆是一个置换过程,由于气流的升扬作用,有许多粉土会随回浆和气流被置换至施工场地内,为了做到文明施工,除了施工过程中做好浆液的导流工作外,还要在灌浆结束后及时清洗现场和清理现场,恢复原状。

3.2、孔主要施工设备有:钻机、高喷台车、制浆机、高压水泵、空压机、灌浆泵。

施工中特殊情况的处理

高喷灌浆施工中,在钻孔和灌浆过程会出现塌孔、漏浆、冒浆、串孔等问题引起压力突降或骤增、孔口回浆密度或回浆量异常等情况,此时,必须查明原因,及时进行处理。清河水库在高压摆喷灌浆中,以上情况都有不同程度发生,经过及时恰当的处理,确保了施工进度和质量。

a、孔的踏到。塌孔是在占孔后,由于在钻孔部位的地层中含砂或砾石较多时,会出现坍塌、脱落,导至灌浆时喷射管无法下到设计深度。此时可采取加大泥浆浓度或在泥浆中加入火碱、膨润土护壁,必要时可采用套管护壁法钻进。

b、灌浆的渗漏。漏浆是由于地层中存在砂、砂砾石或通道,主要表现在钻孔或灌浆时孔口不返浆或返浆量降低。由于钻孔时可采取加大泥浆浓度、泥浆中掺加细砂或向孔内填充水玻璃等堵漏材料。渗漏处理:1、停止提升,浆液正常送入,旋喷正常进行;2、若5~8m in 仍不返浆,从孔口回填细砂;3、回填细砂仍无效时,采取提升20~30cm 即停止,在该处喷射3~5m in,继续提升20~30cm ,直至孔口返浆;4、凡经特殊处理的渗漏段,待孔口返浆后均应将喷射管下放至原不返浆的最下位置,再进行正常喷射(复喷)。

c、冒浆。冒浆是指在灌浆过程中浆液在坝坡、地面或库区底部流出或喷出。

解决方法:减少冒浆采用的措施有3 个:1、提高喷射压力;2、适当缩小喷嘴孔径或减少注浆量;3、加快提升和旋转速度。。

d、串孔。串孔是指在某一孔口正常灌浆时,浆液从相临孔口返出,说明钻孔在地下有通道相通。重要处理:应立即封堵被窜孔或将串孔孔口开挖清理后封闭并压重、降低灌浆压力等措施。待灌浆孔灌浆结束后,应尽快对串浆孔进行被窜孔的扫孔、高压灌浆或继续钻进。

高喷灌浆技术在水库除险加固工程中得到了很好的应用,它具有工程造价适中、防渗效果良好、施工条件要求低等优点,随着这项技术逐步成熟,必将在更多的防渗工程中推广和使用。但同时高压摆喷灌浆的效果受地理条件的影响较大,所以在不同的地理环境要严格确定相应的施工技术参数,从而使高压摆喷防渗墙的成墙质量达到最佳。

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