不對稱高壓擺噴灌漿法在水利工程中的應用

1水庫垂直防滲透墻的加固處理方法1.1墻體或墻體（1）水庫垂直防洪墻是水庫承受水平滲透壓力的滲透結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)單薄，垂直于水庫和基礎層。(2)堤壩垂直防滲墻施工為分塊或分槽孔對接成墻,墻體一般為混凝土墻或塑性混凝土墻。(3)墻體缺陷一般為對接開叉、墻體下部與相對隔水層接觸不好、墻體中部斷層。(4)因堤壩及地基的不均一和造墻槽孔塌陷,兩側(cè)墻面往往存在不規(guī)則的突出,因此墻面不一定是規(guī)則平面。(5)堤壩垂直防滲墻缺陷分布具有不確定性。(6)堤壩垂直防滲墻隱蔽于堤壩和地基內(nèi),目前尚無有效的檢測手段能夠查明墻體缺陷的準確部位。1.2垂直防滲墻缺陷符合以下四種方法堤壩垂直防滲墻缺陷處理有堵、排兩種。對于滲量和滲流溢出水力坡降小的缺陷,可以采取反濾排水法處理,使堤壩和地基處于安全滲漏狀態(tài);對于滲量和滲流溢出水力坡降大的缺陷,則需對垂直防滲墻缺陷進行以堵為主的補強方法處理,使堤壩和地基滲流控制在安全狀態(tài)。垂直防滲墻缺陷補強方法一般采用灌漿(定點灌漿和高噴灌漿)法。根據(jù)堤壩垂直防滲墻結(jié)構(gòu)和缺陷特點,定點灌漿法因被修補防滲墻缺陷位置和定點灌漿影響范圍難以確定而不宜采用;高噴灌漿法具有靈活和噴射凝結(jié)體影響范圍較易控制的優(yōu)點。為了保證補強質(zhì)量,優(yōu)化高噴灌漿工藝,確定高噴灌漿參數(shù),筆者選擇了“不對稱高壓擺噴灌漿補強法”,并對該方法進行了試驗研究。所謂“不對稱”高壓擺噴灌漿,是指噴嘴的不對稱。“不對稱高壓擺噴灌漿補強法”的特點是將高噴灌漿與被修補的堤壩垂直防滲墻聯(lián)合防滲,這樣能夠有效的減少施工工法和施工控制不穩(wěn)定帶來的工程缺陷與被修補的堤壩垂直防滲墻缺陷相重疊的機率,最大限度地保證工程質(zhì)量。2試驗參數(shù)的選擇不對稱高壓擺噴灌漿方法與對稱高壓擺噴灌漿相同。在灌漿參數(shù)的選擇方面,因不對稱高壓擺噴灌漿的工作原理與對稱高壓擺噴灌漿基本相似,所以不對稱高壓擺噴灌漿的灌漿設備和參數(shù)可參照對稱高壓擺噴灌漿規(guī)程來選擇試驗參數(shù)。不對稱高壓擺噴灌漿與對稱高壓擺噴灌漿在工藝上的主要區(qū)別是灌漿孔平面布置方式,在滿足防滲要求前提下,為減少水泥用量,保證高噴灌漿凝結(jié)體和被修補的堤壩垂直防滲墻的防滲功能,噴嘴夾角采用140°或155°,對應擺角為50°或35°的不對稱方式,使高噴灌漿凝結(jié)體與被修補的堤壩垂直防滲墻粘合成統(tǒng)一的防滲聯(lián)合體(見圖1),這樣可以揚堤壩垂直防滲墻強度高、高噴灌漿凝結(jié)體防滲性好之長,避堤壩垂直防滲墻和高噴灌漿凝結(jié)體缺陷重合之短,有效地提高防滲聯(lián)合體的防滲功能。3不對稱高壓噴灌試驗3.1粗砂層滲透系試驗地點位于撫河中游I級階地臨河邊緣,地基為第4系沖積砂礫石單層結(jié)構(gòu),上部為中粗砂層,厚6.3m,滲透系數(shù)5.35×10-4cm/s,不均勻系數(shù)3.71;下部為圓礫層,厚2.2m,含中粗砂30%,礫石42%,卵石28%,滲透系數(shù)1.30×10-3cm/s,不均勻系數(shù)24.13。3.2垂直防滲墻缺陷修補不對稱高壓擺噴灌漿試驗是針對撫河中游I級階地已建射水法造混凝土垂直防滲墻缺陷修補而進行的。根據(jù)撫河中游I級階地的地質(zhì)條件和垂直防滲墻工況特點,不對稱高壓擺噴灌漿試驗方案見表1。3.3不對稱高壓噴霧劑的試驗參數(shù)根據(jù)試驗場地巖土層的分布情況和松散層的顆粒粒徑,在粗顆粒松散層中適當降低不對稱高壓擺噴灌漿提速和擺速,基本參數(shù)見表2。3.4主地板層壓縮試驗的主要施工設備為不對稱高壓填充試驗主要施工設備見表3。3.5施工過程與對稱擺噴相同。3.6施工方法高噴灌漿試驗采用擺噴。下注漿管、靜噴、擺動噴射、提升成墻和靜壓回灌。3.7深刻性圍井圍井不對稱高壓擺噴灌漿效果檢查,采取開挖和注水試驗相結(jié)合的方式進行。第1組圍井:上部中粗砂層圍井內(nèi)壁不平整,井徑比設計更小,單孔噴射半徑為0.80～0.95m;下部圓礫層墻體搭接良好;滲透系數(shù)1.92×10-6cm/s。第2組圍井:上部中粗砂層單孔有效噴射半徑為0.65～0.90m,沒有滿足單孔有效噴射半徑為0.70m的要求,搭接位置有兩道長30cm,寬10cm的縫隙;下部圓礫層墻體也未搭接好;注水漏水明顯。第3組圍井:上部粗砂層單孔有效噴射半徑為0.65～0.95m,下部圓礫層墻體搭接良好,圍井內(nèi)徑也比第4組圍井小;滲透系數(shù)5.4×10-7cm/s。第4組圍井:上部粗砂層單孔有效噴射半徑為0.65～0.95m,圍井表面成型較規(guī)則;下部圓礫層墻體搭接良好;滲透系數(shù)3.77×10-6cm/s。3.8圍井圍井效果從試驗檢查結(jié)果分析,注水試驗檢查表明,第2組圍井滲透系數(shù)不能滿足要求,而其他3組圍井基本滿足規(guī)范滲透系數(shù)K<i×10-6cm/s(1≤i≤9)要求。開挖檢查表明,第1組圍井內(nèi)壁不平整,井徑比設計更小,說明高噴孔距偏小;第2組圍井內(nèi)壁較平整,但墻體未搭接好,說明高噴孔距偏大;第3組圍井內(nèi)徑也比第4組圍井小,且圍井內(nèi)壁較不平整,說明高噴孔距偏小;第4組圍井井壁表面成型較規(guī)則,墻體搭接良好,說明高噴孔距適中。試驗證明,采用HT-60型高噴灌漿機在砂礫卵石層進行不對稱高壓擺噴灌漿的處理深度大于20m,二管法凝結(jié)體有效影響半徑為0.65m,三管法凝結(jié)體有效影響半徑為0.70～0.75m。其他主要施工選定參數(shù)見表4。4不對稱高壓法的討論4.1高壓擺噴射流凝結(jié)體內(nèi)部安全噴射距離的確定E=ΡQ/(100V)(1)E=PQ/(100V)(1)式中:E為每米旋噴柱耗用的能量,MJ/m;P為噴射灌漿壓力,MPa;Q為射流漿量,L/min;V為提升速度,cm/min。當采用擺噴,擺角為β度時,射漿能量比能值E′是:E′=180E/β=18ΡQ/(1000Vβ)(2)E′=180E/β=18PQ/(1000Vβ)(2)式中:E′為擺噴射漿能量比能,MJ/m;β為擺角,°。E′值大,擺噴噴射半徑越遠,噴嘴離被修補防滲墻體越近,高壓擺噴射流對被修補防滲墻體沖切力越大。為了不使高壓擺噴射流對被修補防滲墻體產(chǎn)生破壞,需要確定安全噴射距離,在確定安全噴射距離之前,需要確定噴嘴出口漿液作用力。根據(jù)流體力學原理求解噴嘴出口漿液作用力,其表達式為F=ρQsinβ(3)式中:F為漿液出口作用力,N;ρ為噴嘴內(nèi)漿液壓強,Pa;Q為噴嘴漿液流量,m3/s。由試驗測得高壓擺噴射流凝結(jié)體在土體中的有效半徑為L,設單層土體在水平方向具均一性,高壓擺噴射流末端沖切力為0,則噴射漿液沖切力的沿程衰減系數(shù)為(L-Li)/L,由此可以導出高壓擺噴射流在Li位置(以噴嘴為原點,漿液射流方向為L軸正方向)的沖切力為:Fi=ρQsinβ(S-Si)/S(4)式中:S為試驗實測高壓擺噴射流凝結(jié)體在土體中的有效半徑,m;Si為漿液射流方向任意位置,m。設被修補防滲墻體設計抗壓強度為Rb,則其允許壓應力表達式為:Fi/πΜ2i≤Rb(5)Μi=Lita(α/2)(6)將式(4)、(6)代入式(5)得到:πRbLta2(α/2)?S2i+ρQsinβ?Si-ρQLsinβ≥0(7)式中:Rb為被修補防滲墻體允許抗壓強度,Pa;α為噴射流收斂圓錐角α=13°14′(水力試驗值)。解不等式(7),取Si的正數(shù)解即為噴嘴至被修補防滲墻體側(cè)面的安全噴射距離。據(jù)不對稱高壓擺噴灌漿試驗檢測結(jié)果,二管法安全噴射距離一般為0.40～0.45m為宜,三管法安全噴射距離一般為0.50～0.55m為宜。在安全噴射距離之外的高噴射流束仍然有一定的沖切力,該沖切力不再對被修補防滲墻體。但會在被修補防滲墻體一側(cè)墻面繼續(xù)折向沖切和攪拌土體,使凝結(jié)體與被修補墻體充分結(jié)合。為了保證凝結(jié)體和凝結(jié)體與被修補墻體結(jié)合部位的質(zhì)量,噴射結(jié)束后,靜壓灌漿需持續(xù)進行,被修補防滲墻體利用靜壓灌漿對周圍土體產(chǎn)生的滲透作用,可以促使凝結(jié)體與被修補墻體結(jié)合更加密實,從而增強凝結(jié)體的防滲性能。4.2噴漿導管偏離值確定由于噴嘴的不對稱,當噴嘴向墻體側(cè)面高壓噴漿時,漿液沖擊墻體會有一個反力,反力的大小由式(3)求得。該反力迫使噴嘴遠離墻體,噴漿導管的理論偏離值為:δb=FL3/3EoΙ(8)Ι=πr3t(9)式中:δb為導管理論偏離值,m;F為噴嘴反力,N;L為導管長度,m;Eo為導管彈性模量,Pa;I為導管慣性矩,m4;r為導管內(nèi)外直徑平均值,m;t為導管壁厚度,m。經(jīng)計算,噴漿導管偏離值大于高噴導孔直徑,噴嘴將有遠離被修補墻體的趨勢,從而使凝結(jié)體不能與被修補墻體良好結(jié)合。為了在松軟土體中不至于使噴漿導管偏離過大,一般在下噴漿導管的過程中需要噴嘴微壓出漿,以保護高噴導孔孔壁穩(wěn)定,有利于高噴導孔孔壁對噴漿導管偏離的限制,這樣噴漿導管偏離值就會很小。根據(jù)不對稱高壓擺噴灌漿試驗檢測結(jié)果分析,在不對稱高壓擺噴灌漿施工中,噴漿導管偏離值可以忽略不計。4.3不對稱高壓噴霧液與修復后的抗?jié)B墻體之間的連接分析(1)高噴射漿注漿根據(jù)高噴灌漿工作原理,高噴漿對土體產(chǎn)生切割、攪拌和置換作用,高噴漿在有效噴射范圍內(nèi),能與凝聚力接近0的砂土充分攪拌形成滲透系數(shù)K<i×10-6cm/s(1≤i≤9)的凝結(jié)體,并與被修補墻體良好連接。(2)不同工況下不對稱高壓擺噴灌漿凝結(jié)體的封閉處理從圖1可知,不對稱高壓擺噴灌漿凝結(jié)體的上下端存在三角形“天窗”沒有封閉,對三角形“天窗”的封閉,需根據(jù)不同工況作不同的處理。①對于全封閉高噴灌漿凝結(jié)體,不對稱高壓擺噴灌漿凝結(jié)體的上下端三角形“天窗”可以不作封閉。②對于不對稱高壓擺噴灌漿凝結(jié)體為懸掛式,或高噴灌漿凝結(jié)體頂?shù)陀谡Ｐ钏坏那樾?不對稱高壓擺噴灌漿凝結(jié)體的上下端三角形“天窗”應作封閉處理。封閉處理方式可在底、頂部土體各增加0.5～1.0m高的210°擺噴或旋噴。5射流沖擊下的加固和修補作用不對稱高壓擺噴灌漿質(zhì)量檢查與常規(guī)高壓擺噴灌漿方法一致,有灌漿凝結(jié)體取芯