高壓噴射灌漿技術(shù)的作用機(jī)理及其在水利工程中的應(yīng)用
摘要：首先介紹了高壓噴射灌漿技術(shù)作用的機(jī)理，由于地基土質(zhì)較差，承載力較低，滲透性較強(qiáng)，對水工建筑物來說，影響建筑物的穩(wěn)定性。本文討論了高壓噴射灌漿的機(jī)理及在運(yùn)用中的工藝參數(shù)的確定及防滲效果。
關(guān)鍵詞：高壓噴射機(jī)理；防滲；效果
1 前言
多年來為解決江、河、湖、堤、壩等水工建筑物防滲問題，尋求一種經(jīng)濟(jì)且技術(shù)先進(jìn)可靠的防滲方法。在水利工程施工當(dāng)中，基礎(chǔ)防滲處理是水利工程施工中尤為重要的環(huán)節(jié)，當(dāng)基礎(chǔ)土質(zhì)較差，滲透性較強(qiáng)時，在水流的作用下對基礎(chǔ)的危害很大。本文重點介紹高壓噴射灌漿機(jī)理及其施工工藝。
2 工藝原理
2.1 沖切摻攪作用
高噴技術(shù)主要是借助于高壓射流，通過沖擊切割和強(qiáng)烈擾動，使?jié){液在射流作用范圍內(nèi)擴(kuò)散、充填周圍土層，并與土石粒摻混攪合，硬化后形成凝結(jié)體，從而改變原地層結(jié)構(gòu)和組成，借以達(dá)到防滲或提高承載力的目的。
高噴凝結(jié)體是多種因素綜合作用的結(jié)果，高壓射流對地層結(jié)構(gòu)的影響范圍，取決于比能值E的大小，其表達(dá)式為：
E=（PQ）/（100V）
E--每米旋噴柱耗用的能量MJ/m；
P--噴射灌漿壓力Map；
Q--射流漿量L/min；
V--提升速度cm/min
E值大，旋噴柱的直徑大，一般選用50~70cm直徑較好，但最終應(yīng)通過現(xiàn)場高噴試驗確定。
2.2 升揚(yáng)、轉(zhuǎn)換作用
高噴施工時，水、氣、漿由噴嘴中噴出，壓縮空氣除能對水或漿液構(gòu)成外包氣層，使水或漿液射流能透入地層較遠(yuǎn)距離并維持較大壓力破碎地層結(jié)構(gòu)外，還可產(chǎn)生升揚(yáng)作用，漿經(jīng)射流沖擊切削后的土石碎屑和地層中細(xì)粒，由孔壁和噴射桿的環(huán)狀間隙中升揚(yáng)帶出孔外，空余部位由漿液替代，同時也起到了轉(zhuǎn)換作用。
2.3 擠壓、滲透作用
高噴射流強(qiáng)度隨射流距離的增加而較快地衰減至射流束末端，雖能再沖切地層，但對地層仍產(chǎn)生擠壓作用。同時，噴射結(jié)束后，靜壓灌漿持續(xù)進(jìn)行，這對周圍土體產(chǎn)生滲透作用，這樣不僅可以促使凝結(jié)體與周圍土體結(jié)合更加密實，還在凝結(jié)體外側(cè)產(chǎn)生明顯的滲透凝結(jié)層，具有較強(qiáng)的防滲性能。
高噴灌泵技術(shù)有單管法、雙管法、三管法。小海子水庫進(jìn)水口工程、小海子水庫除險加固工程和布哈拉樞紐水毀加固工程、巴楚縣民生渠渠首工程中都采用的是三管法施工。用水管、氣管、漿管同軸布設(shè)組成噴射桿，桿底部設(shè)置有噴嘴，氣、水噴嘴在上，漿液噴嘴在下，高噴時，隨著噴射桿的旋轉(zhuǎn)和提升，先是高壓水和氣的射流沖擊擾動地層土體，呈翻滾松散狀態(tài)，隨后以低壓注入濃漿摻混攪拌，硬化后形成凝結(jié)體。工藝參數(shù)主要有：水壓38~40Mpa；氣壓0.6~0.8Mpa；漿壓0.3~0.5Mpa，施工設(shè)備價廉，易購，高噴質(zhì)量可滿足設(shè)計要求，工效高，造價低，能充分利用原地土體，就地取材，機(jī)械化程度高。
2.4 位移握裹作用
地層中較小的塊石，由于噴射能量大，輔以升揚(yáng)、轉(zhuǎn)換作用，最終漿液可填滿塊石四周的空隙并將其握裹，遇到大的塊石或在塊石集中區(qū)，應(yīng)降低提升速度，提高比能值。在強(qiáng)大的沖擊震動力作用下，塊石將會產(chǎn)生位移、松動，漿液沿塊石四周空隙或塊石間孔隙滲入。在高壓噴射擠壓余壓滲透等綜合作用下，產(chǎn)生握裹凝結(jié)作用，形成連續(xù)密實的凝結(jié)體。
3 凝結(jié)體的性能
水工建筑物地基防滲采用高噴施工時，則要求凝結(jié)體具有良好的防滲性和穩(wěn)定性，而對于其抗壓強(qiáng)度要求不高。凝結(jié)體的防滲性能主要取決于地層組成成分和顆粒級配、施工方法、施工工藝以及漿液材料等。高噴形成的凝結(jié)體并不很規(guī)則，但與地層結(jié)合緊密，由于高噴凝結(jié)體周圍除了漿皮層外，一般還存在滲透凝結(jié)層，有著良好的復(fù)合防滲作用，從而進(jìn)一步提高了凝體的防滲性能。
4 高噴凝結(jié)體的結(jié)構(gòu)布置形式
為保證高噴防滲墻的連續(xù)性，則必須要使各孔的凝結(jié)體在有效范圍內(nèi)牢固可靠連接上，為此如何選用結(jié)構(gòu)布置形式和孔與孔的距離則很重要。
高噴形成的凝結(jié)體的形狀與噴射的形式有關(guān)，噴射形式一般有旋噴、擺噴和定噴三種。噴射時若邊提升邊旋轉(zhuǎn)，則凝結(jié)體的形狀為圓柱體（又稱旋噴柱）若邊提升邊擺動，則形成的凝結(jié)體的形狀為啞鈴狀，若只提升和定向噴射則可形成板狀（又稱定噴板）。
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我國常用的旋噴施工布置形式有幾種，近多年來，在新疆的南疆地區(qū)常用的結(jié)構(gòu)布置形式有：a、 定噴折線式：b、 擺噴對接式：c、 柱擺式：
在防滲工程中，孔距的選擇至關(guān)重要，它不僅關(guān)系到凝結(jié)體能否可靠地連接，而且也影響工程的進(jìn)度、造價?？拙鄳?yīng)根據(jù)地層的地質(zhì)條件，對防滲性能的要求、高噴灌漿的施工方法和工藝、結(jié)構(gòu)形式、孔深及其它因素綜合考慮而定。
5 高噴材料
高噴材料多采用水泥漿，水泥為42.5或52.5普通硅酸鹽水泥。三管法施工時，多用純水泥漿，由于三管法施工，先是高壓氣、水噴射，而后是壓力灌漿，灌漿易被先噴入的水稀釋，所以使用的水灰比不應(yīng)大于1：1的濃漿。
6 工藝和施工要點
6.1 鉆孔
6.1.1 泥漿固壁回轉(zhuǎn)（或沖擊）鉆進(jìn)。造孔過程中做好充填堵漏，使孔內(nèi)泥漿保持正常循環(huán)，返出孔外，直至終孔。
6.1.2 跟管鉆進(jìn)。邊鉆進(jìn)邊跟入套管，直至終孔。
鉆進(jìn)時應(yīng)注意保證鉆機(jī)垂直，偏斜率宜≤1%。
6.2 下入噴射桿
6.2.1 泥漿固壁的鉆孔可以將噴射桿直接下入孔內(nèi)，直至孔底。
6.2.2 跟管鉆進(jìn)的鉆孔，有兩種情況：
A 拔管前在套管內(nèi)注入密度大的塑性泥漿，注滿后，起拔套管，邊起拔邊注入，使?jié){面長期保持與孔口齊平，直至套管全部拔出，而后再將噴射桿下入孔內(nèi)直至孔底。
B 也可先在套管內(nèi)下入管壁勻均的PVC塑管，直到套管底部，起護(hù)壁作用，而后將套管全部拔出，再將噴射桿下入到管底部。
6.2.3 高噴施工
施工中所用技術(shù)參數(shù)因使用高噴的方法不同而不同。所用的灌漿壓力不同，提升速度也有差異。對各類地層而言，若使用同一種施工方法則水壓、氣壓、漿壓的變化不大，唯有提升速度變化較大，是影響高噴質(zhì)量的主要因素。一般情況下，確定提升速度應(yīng)注意下列幾個問題：a、因地層而異，在砂層中提升速度可稍快，砂卵（礫）石層中應(yīng)放慢些，含有大粒徑（40cm以上）塊石或塊石比較集中的地層應(yīng)更慢。b、因分序而異。先序孔提升速度可稍慢，后序孔相對來講可稍快。c、高噴施工中發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)返漿量減少時宜放慢提升速度。
7 施工工藝
7.1 墻體位置的確定
根據(jù)設(shè)計要求平整好場地，要求場地內(nèi)地下無障礙物，對某些作業(yè)地基軟，不平整，有可能引起整機(jī)翻倒引起的事故的地段，一定要采取防范措施，在平整場地上對墻體中心線進(jìn)行測量定位。
7.2 噴墻管理
應(yīng)控制好掘進(jìn)速度和灌漿壓力、提升速度，送氣量的大小應(yīng)使?jié){液成沸騰狀為宜。灌漿階段漿液不能發(fā)生離析和不允許發(fā)生斷漿現(xiàn)象，保證墻體均勻，無夾心層，若發(fā)生管道堵塞或因故短暫停機(jī)，應(yīng)迅速搶修。
質(zhì)量檢測方法：在小海子水庫進(jìn)水口工程和伽師布哈拉樞紐工程中采用挖深探坑數(shù)米，用電子填土密實度檢測儀對周圍土體進(jìn)行現(xiàn)場測試。檢測結(jié)果土體密實度和承載力均大于原土體，施工過程中要有專人負(fù)責(zé)記錄，記錄要求詳實準(zhǔn)確。
8 經(jīng)濟(jì)和社會效益
在堤壩防滲工程中，與常規(guī)砼防滲墻相比，可不同程度地降低工程造價，具有開挖量小，施工方便，占地少，對臨近建筑物影響小等特點。
此項技術(shù)很大程度地提高了江、河、湖、庫、渠的堤壩防滲抗災(zāi)能力，減輕防洪壓力，對保障人民生命財產(chǎn)安全以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起到積極的作用，其社會效益是十分明顯的。
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處）
關(guān)鍵詞：高壓噴射機(jī)理；防滲；效果
1 前言
多年來為解決江、河、湖、堤、壩等水工建筑物防滲問題，尋求一種經(jīng)濟(jì)且技術(shù)先進(jìn)可靠的防滲方法。在水利工程施工當(dāng)中，基礎(chǔ)防滲處理是水利工程施工中尤為重要的環(huán)節(jié)，當(dāng)基礎(chǔ)土質(zhì)較差，滲透性較強(qiáng)時，在水流的作用下對基礎(chǔ)的危害很大。本文重點介紹高壓噴射灌漿機(jī)理及其施工工藝。
2 工藝原理
2.1 沖切摻攪作用
高噴技術(shù)主要是借助于高壓射流，通過沖擊切割和強(qiáng)烈擾動，使?jié){液在射流作用范圍內(nèi)擴(kuò)散、充填周圍土層，并與土石粒摻混攪合，硬化后形成凝結(jié)體，從而改變原地層結(jié)構(gòu)和組成，借以達(dá)到防滲或提高承載力的目的。
高噴凝結(jié)體是多種因素綜合作用的結(jié)果，高壓射流對地層結(jié)構(gòu)的影響范圍，取決于比能值E的大小，其表達(dá)式為：
E=（PQ）/（100V）
E--每米旋噴柱耗用的能量MJ/m；
P--噴射灌漿壓力Map；
Q--射流漿量L/min；
V--提升速度cm/min
E值大，旋噴柱的直徑大，一般選用50~70cm直徑較好，但最終應(yīng)通過現(xiàn)場高噴試驗確定。
2.2 升揚(yáng)、轉(zhuǎn)換作用
高噴施工時，水、氣、漿由噴嘴中噴出，壓縮空氣除能對水或漿液構(gòu)成外包氣層，使水或漿液射流能透入地層較遠(yuǎn)距離并維持較大壓力破碎地層結(jié)構(gòu)外，還可產(chǎn)生升揚(yáng)作用，漿經(jīng)射流沖擊切削后的土石碎屑和地層中細(xì)粒，由孔壁和噴射桿的環(huán)狀間隙中升揚(yáng)帶出孔外，空余部位由漿液替代，同時也起到了轉(zhuǎn)換作用。
2.3 擠壓、滲透作用
高噴射流強(qiáng)度隨射流距離的增加而較快地衰減至射流束末端，雖能再沖切地層，但對地層仍產(chǎn)生擠壓作用。同時，噴射結(jié)束后，靜壓灌漿持續(xù)進(jìn)行，這對周圍土體產(chǎn)生滲透作用，這樣不僅可以促使凝結(jié)體與周圍土體結(jié)合更加密實，還在凝結(jié)體外側(cè)產(chǎn)生明顯的滲透凝結(jié)層，具有較強(qiáng)的防滲性能。
高噴灌泵技術(shù)有單管法、雙管法、三管法。小海子水庫進(jìn)水口工程、小海子水庫除險加固工程和布哈拉樞紐水毀加固工程、巴楚縣民生渠渠首工程中都采用的是三管法施工。用水管、氣管、漿管同軸布設(shè)組成噴射桿，桿底部設(shè)置有噴嘴，氣、水噴嘴在上，漿液噴嘴在下，高噴時，隨著噴射桿的旋轉(zhuǎn)和提升，先是高壓水和氣的射流沖擊擾動地層土體，呈翻滾松散狀態(tài)，隨后以低壓注入濃漿摻混攪拌，硬化后形成凝結(jié)體。工藝參數(shù)主要有：水壓38~40Mpa；氣壓0.6~0.8Mpa；漿壓0.3~0.5Mpa，施工設(shè)備價廉，易購，高噴質(zhì)量可滿足設(shè)計要求，工效高，造價低，能充分利用原地土體，就地取材，機(jī)械化程度高。
2.4 位移握裹作用
地層中較小的塊石，由于噴射能量大，輔以升揚(yáng)、轉(zhuǎn)換作用，最終漿液可填滿塊石四周的空隙并將其握裹，遇到大的塊石或在塊石集中區(qū)，應(yīng)降低提升速度，提高比能值。在強(qiáng)大的沖擊震動力作用下，塊石將會產(chǎn)生位移、松動，漿液沿塊石四周空隙或塊石間孔隙滲入。在高壓噴射擠壓余壓滲透等綜合作用下，產(chǎn)生握裹凝結(jié)作用，形成連續(xù)密實的凝結(jié)體。
3 凝結(jié)體的性能
水工建筑物地基防滲采用高噴施工時，則要求凝結(jié)體具有良好的防滲性和穩(wěn)定性，而對于其抗壓強(qiáng)度要求不高。凝結(jié)體的防滲性能主要取決于地層組成成分和顆粒級配、施工方法、施工工藝以及漿液材料等。高噴形成的凝結(jié)體并不很規(guī)則，但與地層結(jié)合緊密，由于高噴凝結(jié)體周圍除了漿皮層外，一般還存在滲透凝結(jié)層，有著良好的復(fù)合防滲作用，從而進(jìn)一步提高了凝體的防滲性能。
4 高噴凝結(jié)體的結(jié)構(gòu)布置形式
為保證高噴防滲墻的連續(xù)性，則必須要使各孔的凝結(jié)體在有效范圍內(nèi)牢固可靠連接上，為此如何選用結(jié)構(gòu)布置形式和孔與孔的距離則很重要。
高噴形成的凝結(jié)體的形狀與噴射的形式有關(guān)，噴射形式一般有旋噴、擺噴和定噴三種。噴射時若邊提升邊旋轉(zhuǎn)，則凝結(jié)體的形狀為圓柱體（又稱旋噴柱）若邊提升邊擺動，則形成的凝結(jié)體的形狀為啞鈴狀，若只提升和定向噴射則可形成板狀（又稱定噴板）。
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我國常用的旋噴施工布置形式有幾種，近多年來，在新疆的南疆地區(qū)常用的結(jié)構(gòu)布置形式有：a、 定噴折線式：b、 擺噴對接式：c、 柱擺式：
在防滲工程中，孔距的選擇至關(guān)重要，它不僅關(guān)系到凝結(jié)體能否可靠地連接，而且也影響工程的進(jìn)度、造價?？拙鄳?yīng)根據(jù)地層的地質(zhì)條件，對防滲性能的要求、高噴灌漿的施工方法和工藝、結(jié)構(gòu)形式、孔深及其它因素綜合考慮而定。
5 高噴材料
高噴材料多采用水泥漿，水泥為42.5或52.5普通硅酸鹽水泥。三管法施工時，多用純水泥漿，由于三管法施工，先是高壓氣、水噴射，而后是壓力灌漿，灌漿易被先噴入的水稀釋，所以使用的水灰比不應(yīng)大于1：1的濃漿。
6 工藝和施工要點
6.1 鉆孔
6.1.1 泥漿固壁回轉(zhuǎn)（或沖擊）鉆進(jìn)。造孔過程中做好充填堵漏，使孔內(nèi)泥漿保持正常循環(huán)，返出孔外，直至終孔。
6.1.2 跟管鉆進(jìn)。邊鉆進(jìn)邊跟入套管，直至終孔。
鉆進(jìn)時應(yīng)注意保證鉆機(jī)垂直，偏斜率宜≤1%。
6.2 下入噴射桿
6.2.1 泥漿固壁的鉆孔可以將噴射桿直接下入孔內(nèi)，直至孔底。
6.2.2 跟管鉆進(jìn)的鉆孔，有兩種情況：
A 拔管前在套管內(nèi)注入密度大的塑性泥漿，注滿后，起拔套管，邊起拔邊注入，使?jié){面長期保持與孔口齊平，直至套管全部拔出，而后再將噴射桿下入孔內(nèi)直至孔底。
B 也可先在套管內(nèi)下入管壁勻均的PVC塑管，直到套管底部，起護(hù)壁作用，而后將套管全部拔出，再將噴射桿下入到管底部。
6.2.3 高噴施工
施工中所用技術(shù)參數(shù)因使用高噴的方法不同而不同。所用的灌漿壓力不同，提升速度也有差異。對各類地層而言，若使用同一種施工方法則水壓、氣壓、漿壓的變化不大，唯有提升速度變化較大，是影響高噴質(zhì)量的主要因素。一般情況下，確定提升速度應(yīng)注意下列幾個問題：a、因地層而異，在砂層中提升速度可稍快，砂卵（礫）石層中應(yīng)放慢些，含有大粒徑（40cm以上）塊石或塊石比較集中的地層應(yīng)更慢。b、因分序而異。先序孔提升速度可稍慢，后序孔相對來講可稍快。c、高噴施工中發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)返漿量減少時宜放慢提升速度。
7 施工工藝
7.1 墻體位置的確定
根據(jù)設(shè)計要求平整好場地，要求場地內(nèi)地下無障礙物，對某些作業(yè)地基軟，不平整，有可能引起整機(jī)翻倒引起的事故的地段，一定要采取防范措施，在平整場地上對墻體中心線進(jìn)行測量定位。
7.2 噴墻管理
應(yīng)控制好掘進(jìn)速度和灌漿壓力、提升速度，送氣量的大小應(yīng)使?jié){液成沸騰狀為宜。灌漿階段漿液不能發(fā)生離析和不允許發(fā)生斷漿現(xiàn)象，保證墻體均勻，無夾心層，若發(fā)生管道堵塞或因故短暫停機(jī)，應(yīng)迅速搶修。
質(zhì)量檢測方法：在小海子水庫進(jìn)水口工程和伽師布哈拉樞紐工程中采用挖深探坑數(shù)米，用電子填土密實度檢測儀對周圍土體進(jìn)行現(xiàn)場測試。檢測結(jié)果土體密實度和承載力均大于原土體，施工過程中要有專人負(fù)責(zé)記錄，記錄要求詳實準(zhǔn)確。
8 經(jīng)濟(jì)和社會效益
在堤壩防滲工程中，與常規(guī)砼防滲墻相比，可不同程度地降低工程造價，具有開挖量小，施工方便，占地少，對臨近建筑物影響小等特點。
此項技術(shù)很大程度地提高了江、河、湖、庫、渠的堤壩防滲抗災(zāi)能力，減輕防洪壓力，對保障人民生命財產(chǎn)安全以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起到積極的作用，其社會效益是十分明顯的。
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