论文部分内容阅读
摘 要：文章从土石坝破坏原因出发，在介绍高压喷射灌浆技术作用机理的基础上，结合实际工程实例，具体分析了高压喷射灌浆防渗加固法的施工要点及注意事项，为类似工程提供参考。
关键词：高压喷射注浆；土石坝；防渗加固
中图分类号：TV543 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）14－0101－02
土石坝是世界坝工建设中应用最广泛、发展最快的一种坝型，我国多数土石坝由建国后各时期兴建而成，受当时的设计及施工水平所限，不少工程对坝基防渗处理措施不足，造成较严重的坝基渗漏问题，既影响工程的经济效应，又易引发安全事故。因此，对病险土石坝尤其是渗漏严重的土石坝进行防渗加固尤为迫切。高压喷射灌浆可由钻机钻孔至需处理的薄弱部位，通过高压射流的冲击搅拌，水泥浆在喷射范围内与地层土石颗粒掺混搅合后形成防渗墙，对坝体的原结构影响较小，施工简单，且工程造价相对较低，对病险坝防渗加固优越明显。现结合实践经验，就高压喷射灌浆技术在土石坝防渗加固中的应用进行探讨。
1 土石坝破坏原因分析
据不完全统计，我国大坝由渗流而引起的破坏事故率约占31.7%。因水文、地质等资料的缺乏，土石坝漫坝冲垮者最多，占51.5%；其次为大坝渗漏导致的垮坝，约占29.1%，以上数据说明，因渗漏而造成的溃坝问题相当严重。一般而言，土石坝的破坏机理可归纳为三方面：①因坝高不足，发生洪水漫顶破坏；②因坝内有缝隙、洞穴、引排水管道等，发生渗漏破坏；③因坝坡坡度较陡、水流风浪冲击、地震等，发生滑坡破坏。虽然渗漏破坏对土石坝影响较大，但总体而言渗漏破坏基本是可以预防和控制的，为最大程度地减少大坝因渗漏而发生破坏，《碾压式土石坝设计规范》（SDJ274－2001）以及有关强制性条文等有关规范规程对坝身（主要是施工填筑质量）、坝基（如砂砾石坝基、岩石坝基）及坝肩（即坝体与坝基及岸坡的连接形式）等均作了明确要求，并对工程管理、检测等亦提出进一步要求，以保障人民生命财产安全、维护社会稳定，促进经济发展。
2 高压喷射灌浆技术作用机理
高压喷射注浆法技术最早始于日本，按喷射介质及其管路多少，可分为单管法、二管法及三管法等，其工作的主要原理是：以置入地基的灌浆管上很小的喷嘴中喷射出高压或超高压的高速喷流体，利用喷流体的高度集中、力量强大的动能冲击和切割土体，同时导入具有固化作用的浆液与冲切下来的土体就地混合。随着喷嘴的运动和浆液的凝固，在地基中形成质地均匀，连续密实的板墙或板桩等固结体，达到防渗和加固地基的目的。工程上通常把高压水和压缩空气输送到直径2～3 mm的喷嘴，造成流速为100～200 m/s的射流，切割破坏地层形成缝槽，同时用100 N/cm2左右的压力，把水泥浆由另一钢管输送到切割缝的附近充填此缝，并使部分浆液穿透到缝壁地层中，一起形成防水墙。除沟槽掺搅形成凝结体外，浆液向沟槽两侧土水气射流切割缝槽体孔隙渗透形成凝结过渡层，也有较强的防渗性。渗透凝结层的强度依土体级配及渗透性的不同而异。
3 在土石坝防渗加固中的应用
3.1 工程实例
某土石坝水库，坝基上部由重粉质壤土及粉质黏土组成，中部为砂卵石层和砾质粗砂，属强透水层，下部为第三纪黏土岩或石英砂岩。因坝基中部透水性强，导致库水沿中部强透水层向外渗漏，并与坝基阶地的天然地下水汇合，形成坝基承压水。由于运行多年老化严重，原有降压井效果不能满足要求，个别坝段承压水位高于地面，经研究，拟定采用高压喷射灌浆技术对问题较严重的坝段进行防渗加固，截断渗流，以确保该坝段安全。
3.2 高压喷射灌浆施工要点
顺河坝550 m坝段共布孔393个，分5个单元进行施工。并在施工前准备好钻机、超高压灌浆泵、空压机、注浆管、喷嘴、流量计、输浆机、制浆机等施工设备，具体施工要点如下：
3.2.1 造孔
造孔前对场地进行平整，挖好排浆沟，钻机定位准确，保持钻杆垂直；用地质钻机造孔，钻孔孔斜率不得大于规范要求（1.5%），泥浆固壁，孔位偏差小于5 cm，当孔深达到设计深度时，提取岩芯，经检验合格后方可终孔。终孔后要进行测斜验收，合格后才能搬迁孔位。
3.2.2 制浆
采用高速搅拌机制备浆液，搅拌时间不小于30 s；制浆材料采用质量或体积计量法称量，其误差小于5%；为保证浆液浓度符合设计值，对浆液密度进行定时检测，要求无颗粒、均匀稳定、流动性好；浆液过筛后使用，从制备至用完的时间不超过4 h。
3.2.3 灌浆
灌浆中要注意：①控制提升速度。土层中提升速度可稍快，砂卵（砾）石层中应放慢，块石较集中或含有较大块石的地层应更慢。后序孔提升速度可稍快，先序孔相对慢些。若发现返浆量减少，应放慢提升速度。②控制进浆量。为保证进浆量，必须严格控制进水量。③事故停喷。高喷灌浆施工应连续作业，一次成型。喷射过程中因发生事故停喷时间超过1～2 h，应做特殊处理后继续喷灌，恢复喷射时要从停喷深度以下0.5 m开始提升喷射。④终孔回灌。采用置换出的弃浆在终孔l h后进行回灌，以节约水泥用量。
3.3 施工注意事项
3.3.1 孔斜问题
孔斜对高喷成墙的连续性影响很大，是成墙的关键因素。若孔斜超过一定限度，易造成搭接错位或搭接不上。因此施工钻孔前要做好准备工作，确保钻机安装平稳牢固，钻机底座使用长方木铺设，并用水平仪找平。同时，对主动钻杆进行垂直度检测，确保钻杆处于顺直状态，开孔钻进时应轻压慢钻，以
保证钻孔垂直。钻至一定深度后改用长钻具（一般大于5 m）钻进。此外，在钻进过程中要全程检测垂直度，以及时校正孔斜。
3.3.2 泥浆漏失
导致泥浆漏失的原因与地层情况有关，泥浆漏失若处理不及时或处理方法不当，不但严重影响钻孔进度，而且影响喷孔质量。出现泥浆漏失后，需要根据漏失量来决定其对应的解决措施：若漏失量较小，应继续喷射泥浆，让其“吃饱”，从而减少喷浆时的水泥漏失量；若漏失量较大，需封堵漏浆处，一般方法是将砂、黏土和少量的水泥压入孔内漏浆处。 3.3.3 漏浆
漏浆或孔口不冒浆可能是地层中空隙较大，可采取以下措施：在浆液中掺入适量的速凝剂，从而缩短固结时间，保证浆液在相对较小的范围内凝固，以避免浆液大量流向空隙处。同时，在空隙地段增大注浆量，当空隙不大时，可较快地填满空隙，再继续正常喷浆施工。
3.3.4 冒浆量过大
导致冒浆量过大的原因主要有：一是有效喷射范围与注浆量不匹配，二是管路故障。工程实践经验表明，若冒浆量超过进浆量的1/5时，就会严重影响成墙质量，因此要尽早处理冒浆问题。施工过程中出现冒浆量过大时，首先要检查喷浆管各接头是否密封良好或接头处是否存在损伤，若没有发现问题，可采取以下措施以减少冒浆量：①适当提高喷射压力；②适当缩小喷嘴孔径；③适当加快提升和旋转速度。
该水库经高压喷射灌浆技术处理后，在水库库容达到规划标准时检查渗漏情况，较之施工前有了明显改善，整体防渗效果达到预期目的，这充分说明了采用高压喷射灌浆技术是科学合理的。但同时我们仍需注意的是，近年来高压喷射灌浆技术虽发展较快，且优势明显，但在一些水利工程中会偶发工程事故，究其原因是由于工程技术人员及主管工程的决策人员对该技术各个工法及适应条件不甚了解所致，因此高压喷射灌浆工程的设计和施工应由具有高喷专业知识和丰富实践经验的人员实施，以确保工程质优、安全。
参考文献：
［1］王明森.高压喷射灌浆防渗加固技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.
（编辑：王昕敏）
High Pressure jet Grouting Technology in the
Reinforcement of Embankment Dam Seepage
Wei Lanxu
Abstract: This article from the earth dam destruction causes proceed on the basis of introduced high－pressure jet grouting technique the mechanism, combined with engineering examples, a detailed analysis of the construction of high pressure jet grouting for reinforcement points and precautions to provide a reference for similar projects.
Key words: high pressure jet grouting; embankment dams; impermeable reinforcement
关键词：高压喷射注浆；土石坝；防渗加固
中图分类号：TV543 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）14－0101－02
土石坝是世界坝工建设中应用最广泛、发展最快的一种坝型，我国多数土石坝由建国后各时期兴建而成，受当时的设计及施工水平所限，不少工程对坝基防渗处理措施不足，造成较严重的坝基渗漏问题，既影响工程的经济效应，又易引发安全事故。因此，对病险土石坝尤其是渗漏严重的土石坝进行防渗加固尤为迫切。高压喷射灌浆可由钻机钻孔至需处理的薄弱部位，通过高压射流的冲击搅拌，水泥浆在喷射范围内与地层土石颗粒掺混搅合后形成防渗墙，对坝体的原结构影响较小，施工简单，且工程造价相对较低，对病险坝防渗加固优越明显。现结合实践经验，就高压喷射灌浆技术在土石坝防渗加固中的应用进行探讨。
1 土石坝破坏原因分析
据不完全统计，我国大坝由渗流而引起的破坏事故率约占31.7%。因水文、地质等资料的缺乏，土石坝漫坝冲垮者最多，占51.5%；其次为大坝渗漏导致的垮坝，约占29.1%，以上数据说明，因渗漏而造成的溃坝问题相当严重。一般而言，土石坝的破坏机理可归纳为三方面：①因坝高不足，发生洪水漫顶破坏；②因坝内有缝隙、洞穴、引排水管道等，发生渗漏破坏；③因坝坡坡度较陡、水流风浪冲击、地震等，发生滑坡破坏。虽然渗漏破坏对土石坝影响较大，但总体而言渗漏破坏基本是可以预防和控制的，为最大程度地减少大坝因渗漏而发生破坏，《碾压式土石坝设计规范》（SDJ274－2001）以及有关强制性条文等有关规范规程对坝身（主要是施工填筑质量）、坝基（如砂砾石坝基、岩石坝基）及坝肩（即坝体与坝基及岸坡的连接形式）等均作了明确要求，并对工程管理、检测等亦提出进一步要求，以保障人民生命财产安全、维护社会稳定，促进经济发展。
2 高压喷射灌浆技术作用机理
高压喷射注浆法技术最早始于日本，按喷射介质及其管路多少，可分为单管法、二管法及三管法等，其工作的主要原理是：以置入地基的灌浆管上很小的喷嘴中喷射出高压或超高压的高速喷流体，利用喷流体的高度集中、力量强大的动能冲击和切割土体，同时导入具有固化作用的浆液与冲切下来的土体就地混合。随着喷嘴的运动和浆液的凝固，在地基中形成质地均匀，连续密实的板墙或板桩等固结体，达到防渗和加固地基的目的。工程上通常把高压水和压缩空气输送到直径2～3 mm的喷嘴，造成流速为100～200 m/s的射流，切割破坏地层形成缝槽，同时用100 N/cm2左右的压力，把水泥浆由另一钢管输送到切割缝的附近充填此缝，并使部分浆液穿透到缝壁地层中，一起形成防水墙。除沟槽掺搅形成凝结体外，浆液向沟槽两侧土水气射流切割缝槽体孔隙渗透形成凝结过渡层，也有较强的防渗性。渗透凝结层的强度依土体级配及渗透性的不同而异。
3 在土石坝防渗加固中的应用
3.1 工程实例
某土石坝水库，坝基上部由重粉质壤土及粉质黏土组成，中部为砂卵石层和砾质粗砂，属强透水层，下部为第三纪黏土岩或石英砂岩。因坝基中部透水性强，导致库水沿中部强透水层向外渗漏，并与坝基阶地的天然地下水汇合，形成坝基承压水。由于运行多年老化严重，原有降压井效果不能满足要求，个别坝段承压水位高于地面，经研究，拟定采用高压喷射灌浆技术对问题较严重的坝段进行防渗加固，截断渗流，以确保该坝段安全。
3.2 高压喷射灌浆施工要点
顺河坝550 m坝段共布孔393个，分5个单元进行施工。并在施工前准备好钻机、超高压灌浆泵、空压机、注浆管、喷嘴、流量计、输浆机、制浆机等施工设备，具体施工要点如下：
3.2.1 造孔
造孔前对场地进行平整，挖好排浆沟，钻机定位准确，保持钻杆垂直；用地质钻机造孔，钻孔孔斜率不得大于规范要求（1.5%），泥浆固壁，孔位偏差小于5 cm，当孔深达到设计深度时，提取岩芯，经检验合格后方可终孔。终孔后要进行测斜验收，合格后才能搬迁孔位。
3.2.2 制浆
采用高速搅拌机制备浆液，搅拌时间不小于30 s；制浆材料采用质量或体积计量法称量，其误差小于5%；为保证浆液浓度符合设计值，对浆液密度进行定时检测，要求无颗粒、均匀稳定、流动性好；浆液过筛后使用，从制备至用完的时间不超过4 h。
3.2.3 灌浆
灌浆中要注意：①控制提升速度。土层中提升速度可稍快，砂卵（砾）石层中应放慢，块石较集中或含有较大块石的地层应更慢。后序孔提升速度可稍快，先序孔相对慢些。若发现返浆量减少，应放慢提升速度。②控制进浆量。为保证进浆量，必须严格控制进水量。③事故停喷。高喷灌浆施工应连续作业，一次成型。喷射过程中因发生事故停喷时间超过1～2 h，应做特殊处理后继续喷灌，恢复喷射时要从停喷深度以下0.5 m开始提升喷射。④终孔回灌。采用置换出的弃浆在终孔l h后进行回灌，以节约水泥用量。
3.3 施工注意事项
3.3.1 孔斜问题
孔斜对高喷成墙的连续性影响很大，是成墙的关键因素。若孔斜超过一定限度，易造成搭接错位或搭接不上。因此施工钻孔前要做好准备工作，确保钻机安装平稳牢固，钻机底座使用长方木铺设，并用水平仪找平。同时，对主动钻杆进行垂直度检测，确保钻杆处于顺直状态，开孔钻进时应轻压慢钻，以
保证钻孔垂直。钻至一定深度后改用长钻具（一般大于5 m）钻进。此外，在钻进过程中要全程检测垂直度，以及时校正孔斜。
3.3.2 泥浆漏失
导致泥浆漏失的原因与地层情况有关，泥浆漏失若处理不及时或处理方法不当，不但严重影响钻孔进度，而且影响喷孔质量。出现泥浆漏失后，需要根据漏失量来决定其对应的解决措施：若漏失量较小，应继续喷射泥浆，让其“吃饱”，从而减少喷浆时的水泥漏失量；若漏失量较大，需封堵漏浆处，一般方法是将砂、黏土和少量的水泥压入孔内漏浆处。 3.3.3 漏浆
漏浆或孔口不冒浆可能是地层中空隙较大，可采取以下措施：在浆液中掺入适量的速凝剂，从而缩短固结时间，保证浆液在相对较小的范围内凝固，以避免浆液大量流向空隙处。同时，在空隙地段增大注浆量，当空隙不大时，可较快地填满空隙，再继续正常喷浆施工。
3.3.4 冒浆量过大
导致冒浆量过大的原因主要有：一是有效喷射范围与注浆量不匹配，二是管路故障。工程实践经验表明，若冒浆量超过进浆量的1/5时，就会严重影响成墙质量，因此要尽早处理冒浆问题。施工过程中出现冒浆量过大时，首先要检查喷浆管各接头是否密封良好或接头处是否存在损伤，若没有发现问题，可采取以下措施以减少冒浆量：①适当提高喷射压力；②适当缩小喷嘴孔径；③适当加快提升和旋转速度。
该水库经高压喷射灌浆技术处理后，在水库库容达到规划标准时检查渗漏情况，较之施工前有了明显改善，整体防渗效果达到预期目的，这充分说明了采用高压喷射灌浆技术是科学合理的。但同时我们仍需注意的是，近年来高压喷射灌浆技术虽发展较快，且优势明显，但在一些水利工程中会偶发工程事故，究其原因是由于工程技术人员及主管工程的决策人员对该技术各个工法及适应条件不甚了解所致，因此高压喷射灌浆工程的设计和施工应由具有高喷专业知识和丰富实践经验的人员实施，以确保工程质优、安全。
参考文献：
［1］王明森.高压喷射灌浆防渗加固技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.
（编辑：王昕敏）
High Pressure jet Grouting Technology in the
Reinforcement of Embankment Dam Seepage
Wei Lanxu
Abstract: This article from the earth dam destruction causes proceed on the basis of introduced high－pressure jet grouting technique the mechanism, combined with engineering examples, a detailed analysis of the construction of high pressure jet grouting for reinforcement points and precautions to provide a reference for similar projects.
Key words: high pressure jet grouting; embankment dams; impermeable reinforcement