梁潤華

（中國水利水電第五工程局有限公司 成都市 610066）

1 問題提出

我國自20世紀70年代引進高壓噴射灌漿技術以來，就應用于軟土地基處理，堤壩防滲加固及各種壩基防滲處理，通過幾十年的施工生產(chǎn)應用，灌漿技術得到了迅速的發(fā)展。由于高噴灌漿技術的迅速發(fā)展，在我國堤壩防滲加固及壩基防滲方面做出了重要貢獻，解決了一些其他技術難以解決的技術難題。

但是，在一些病險水庫的高噴灌漿防滲中，由于對高壓灌漿工藝理解和應用不當，產(chǎn)生了工程事故，給國家造成了不應有的經(jīng)濟損失。下面通過高噴灌漿工程事故案例的分析，總結出現(xiàn)上述問題的原因主要有兩個方面：

一是有些工程技術設計或施工人員，對于高噴灌漿技術看得過于簡單，認為只要是一般的工程技術人員就能設計，一般的施工隊就可以施工等等。其實不然，高壓噴射灌漿技術是一項非常復雜的技術，沒有一定的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗是設計不好的。同樣沒有專業(yè)知識和高噴灌漿實踐經(jīng)驗的隊伍也是保證不了工程施工質(zhì)量的。

二是并沒有講明高噴灌漿的哪些工法 （或哪種噴射形式）不適應哪些地層，只是講高壓噴射灌漿適應于粘性土層，淤泥地層、砂層、礫卵石層等。其實有些工法對于某些地層是不適宜的。

廣西長洲水利樞紐位于廣西西江干流潯江下游河段，壩址下游距梧州12 km，是一座以發(fā)電為主、兼有航運、灌溉和養(yǎng)殖等綜合利用的大型水利工程。壩頂高程34.8 m、最大壩高49.3 m，壩長 3 350 m；總裝機 630 MW。其圍堰及土壩高噴防滲工程量達5萬m，高噴防滲墻穿過的地層有人工填筑碎石層、粉細砂層、砂卵石層、全風化基巖。為了確保高噴防滲工程的施工質(zhì)量，我們針對不同的地層進行了不同的高噴試驗，先后采用了單管法、雙管法、三管法和二次切割法（新三管法）。通過試驗，我們得出，一是在一定的參數(shù)情況下，成墻質(zhì)量從好到壞依次為二次切割法、雙管法、三管法、單管法；成樁半徑從大到小依次為二次切割法、三管法、雙管法、單管法。二是在同一種工藝下，高噴半徑從大到小依次為定噴、擺噴、旋噴；墻體厚度從薄到厚依次為定噴、擺噴、旋噴。

在張掖大孤山水電站樞紐基礎防滲施工中，所采用的噴灌方法為三管法定向噴射成墻施工。防沖隔墻長為68 m，該工程地層為砂礫土，采用凝結體的結構布置形式為柱擺式，成墻深度為30 m，墻厚平均為80 cm?？拙? m，噴射中心有直徑（20～30）cm的圓柱體。首先用水管、氣管、漿管同軸布設組成噴射桿，桿底部設置有噴嘴，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，采用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，硬化后形成凝結體。此方法高噴質(zhì)量可滿足設計要求，工效高、造價低，能充分利用原地土體，就地取材，機械化程度高，其工藝參數(shù)為：

（1）噴嘴直徑：（2～2.30）mm；

（2）高壓水：10 MPa，流量 40 L/min；

（3）氣壓：0.70 MPa，氣量 6 m3/min；

（4）漿壓：0.30 MPa，流量 80 m3/min；

（5）提升速度：15 cm/min；

（6）三重管回轉(zhuǎn)：7 r/min。

施工完成后采用挖深坑數(shù)米，用電子填土密實度檢測儀對周圍土體進行現(xiàn)場質(zhì)量測試。檢測結果為土體密實度和承載力均大于原土體。

高壓噴射灌漿工法，分為單管法（CCP工法），二重管法（JSG工法）、三重管法（CJP工法）和多重管法（SSS—MAN工法）。各工法的能量發(fā)生裝置和能量介質(zhì)是不同的。單管法和二重管法，它們的能量發(fā)生裝置是高壓泥漿泵.能量介質(zhì)是漿液。是利用高壓漿液射流切割破碎土體，并與地層中的土、砂顆粒摻攪混合后而形成凝結體。三重管法和多重管法的能量發(fā)生裝置是高壓水泵.能量介質(zhì)是水，利用高速水射流切割破壞土體。三重管法（CJP工法）的低壓漿液是靠高速水、氣流的卷吸作用帶入切割范圍地層內(nèi).并與升揚置換后剩余的土、砂顆粒摻攪混合后而形成凝結體。正是這些差異,使三重管法（CJP工法）的適應范圍受到了限制。工程實踐表明，該工法就不適宜流塑狀態(tài)的淤泥地層。在這種地層就不易形成凝結體。由于淤泥和淤泥質(zhì)土含有較多的極細顆?！z體顆粒，并且含水量高于液限。呈流塑狀態(tài)，所以靈敏性很高。當它靜置一定時間，就成為凝膠體，具有一定的承載能力。如果受到外力攪動，就會液化，失去膠粘力，承載能力很低，甚至就像水一樣沒有承載能力，這種現(xiàn)象稱為觸變。大家都知道，水是斬不斷，切不開的，同樣高速水射流對于靈敏性很高的淤泥地層也是切割不出溝槽來的，所以漿液也就不會被高速水氣流卷吸到被切割的地層中去。四川汶川古城電站廠房尾水部位就出現(xiàn)過在液化細砂層中進行高壓噴射灌漿后，地基承載力并沒有得到提高這一現(xiàn)象。三重管法還容易使灌入地層中的漿液被高壓水稀釋，在大顆粒地層動水條件下，會使?jié){液流失。而在粘土地層很容易使凝結體干容重變輕，強度降低。但也有它的優(yōu)勢，由于該工法的切削能力和升揚置換能力較強，在某些地層 （如砂層、粉土等）形成的高噴凝固體尺寸較大。

在粘土或黃土地層進行高壓噴射灌漿時，由于粘土或黃土都具有較強的粘聚力，而高速噴射流切割土層都是瞬時發(fā)生的，所以不可能在短時間內(nèi)將粘性土體進行全部粉碎，致使在這些地層中所形成的高噴凝結體中常夾有大小不等的粘土塊。如果在這些地層中采用定噴或擺噴灌漿形式進行防滲，由于形成的防滲板墻很薄，有些部位只有十幾厘米，如果在這些部位夾有較大土塊，就很容易形成薄弱環(huán)節(jié)，很有可能成為上下游貫通的漏水通道。所以作為一個工程技術設計人員或高噴灌漿工程技術施工人員，搞清高壓噴射灌漿機理，弄清影響高噴準漿質(zhì)量的影響因素至關重要，也是確保高壓噴射灌漿工程質(zhì)量的重要前提。高壓噴射灌漿的設計和施工都必須充分了解掌握具體工程的具體地質(zhì)情況，因地制宜的進行設計和施工。

2 高壓噴射灌漿設計

在進行高噴灌漿防滲工程設計時，部分設計人員是根據(jù)現(xiàn)場高噴灌漿試驗及開挖后所形成凝結體尺寸的大小，然后再乘以安全系數(shù)，來確定高噴灌漿的孔距及其他施工參數(shù)。其實光這樣做是不夠的，因為高噴灌漿凝結體的形成是一個非常復雜的過程，常受多種因素的影響。而壩的施工條件，如施工深度、地下水情況及地基應力情況等，往往與現(xiàn)場試驗條件相差甚遠。正是這些差異，往往會使形成的高噴灌漿凝結體的形狀、尺寸與現(xiàn)場試驗的凝結體形狀和尺寸有較大出人。設計人員如果對這些影響估計不足，就會做出錯誤的設計。甚至造成高噴灌漿工程的失敗。現(xiàn)將影響高噴灌漿凝結體尺寸大小和質(zhì)量的幾個主要因素介紹如下。

2.1 不同地質(zhì)情況對高噴灌漿凝結體的影響

大量高噴灌漿工程實踐表明，當高壓噴射灌漿參數(shù)一定時，所形成的高噴凝結體尺寸與地層土質(zhì)的物理力學性質(zhì)密切有關。經(jīng)單管法高噴灌漿試驗統(tǒng)計結果如表1。

表1 單管旋噴壓力與固結體直徑關系

從表1可以看出，在高壓旋噴灌漿參數(shù)一定的情況下，在粉砂土及粉質(zhì)砂土中形成的旋噴樁直徑大，而在粉質(zhì)粘土中形成的旋噴樁直徑小。而且土質(zhì)粘聚力越大形成的樁徑越小。

另外，從汶川古城電站廠房尾水基礎進行的三管法高噴灌漿試驗及開挖檢查中得知，在粘土層中，一般旋噴樁徑最大為115 cm。高噴孔經(jīng)過復噴 （即第一次光噴水氣，第二次為水、氣、漿），形成的樁徑最大為145 cm，比一次旋噴成樁直徑增加30 cm。而擺噴孔形成的板墻長度為210 cm，板墻中間厚為13 cm，擺噴板墻末端厚為55 cm。在凝結體中均夾有土塊。又在砂卵石層中，所形成的旋噴樁直徑為（150～160）cm，擺噴形成的板墻長度為2.70 cm，板墻中間薄處為39 cm，板墻末端厚度為63 cm。

高噴灌漿形成的凝結體尺寸(或切割深度)還與地層的應力條件和軟硬程度有關。圖1為水氣同軸噴射時，不同應力條件下的地層，在不同噴射壓力情況下與切割深度的關系。從圖1可以看出，在相同噴射壓力情況下巖土無側限抗壓強度σc越低，切割深度越深，否則相反。

圖1 噴射流壓力與切削速度關系

圖2為單管法高壓旋噴所形成的樁徑與地層標貫擊數(shù)的關系。從圖2可以看出，當高噴灌漿參數(shù)一定時，地層標貫擊數(shù)越大所形成的樁徑越小，否則相反。

圖2 單管法樁徑

2.2 地下水深度對高壓噴射流切削巖土深度的影響

作用在高噴桿噴嘴出口處的靜水壓力，對于高速噴射流的切削深度有明顯的影響。當水氣同軸噴射流壓力一定時，噴嘴出口處的靜水壓力與切削巖土深度(或高噴凝結體尺寸)的關系如圖3。從圖3可以看出，當靜水壓為0.05 kg/cm2時的切削深度與靜水壓力為2.0 kg/cm2時相比，后者的切削深度比前者要減少一半左右。

圖3 切削深度和靜水壓力關系（同軸噴射空氣噴流的場合）

在四川省木里俄公堡電站廠房一期圍堰進行的旋噴試驗表明，在相同地層(均為砂礫石層)和相同高噴灌漿參數(shù)情況下，在有無地下水情況下，所形成的旋噴樁直徑相差明顯，見表2。

2.3 高噴孔深度對高噴防滲凝結體整體質(zhì)量的影響

目前我國一般施工隊的施工水平，鉆孔精度孔斜率約在1%～5%，按這個精度計算，鉆50 m深的孔，到下部就有可能偏斜（50～25）cm。如果相鄰兩孔向相反方向偏斜，到下部兩孔之間的距離就更大。作高噴灌漿設計時，如果不把這一因素考慮進去，高噴防滲板墻就不會進行有效的連接。鉆孔深度增加后，往往要穿過幾個不同的地層，由前述可知，在不同地層，如果采用相同的高壓噴射灌漿施工參數(shù)，往往會形成不同的高噴凝結體直徑。在這種情況下，就應考慮是否適當縮小高噴灌漿孔距，還是增加灌漿孔的排數(shù)，這都要經(jīng)過技術和經(jīng)濟的比較論證后才能確定。

四川木里沙灣電站廠房尾水防滲高噴施工完成后，在基坑排水開挖時發(fā)現(xiàn)，圍堰中有幾處集中滲水，開挖后發(fā)現(xiàn)，滲水處兩高噴孔之間的間距為3.5 m，兩孔各自向相反方向偏斜，使得該處成為集中滲水點，經(jīng)補孔處理后才得到解決。所以，在進行高噴灌漿設計時必須充分考慮到鉆孔的偏斜問題，在難以保證鉆孔垂直的情況下，盡可能采用雙排鉆孔設計，以保證高噴防滲的質(zhì)量。

孔深對高壓噴射灌漿質(zhì)量的影響還表現(xiàn)在隨著孔深度的增加，地層壓力在增加，地下水壓力在增加，噴桿長度增加，隨之帶來的是高壓氣、水、漿液壓力的損失增加，氣、水、漿液返流阻力增大，這些問題都會直接影響高壓噴射灌漿質(zhì)量。

2.4 水泥含量對高噴凝結體強度的影響

從高噴灌漿試驗開挖出來的大量高噴灌漿凝結體的化驗中得知，采用純水泥漿進行高噴灌漿形成的凝結體水泥含量一般在30%～50%；而采用水泥含量50%的水泥粘土漿進行高噴灌漿形成的凝結體水泥含量一般為20%～30%。由于凝結體的水泥含量不同，所以物理力學性能也不一樣，結石水泥含量越低，結石干密度越小，抗壓強度越低。同時在水下形成的凝結體的強度比在水上形成的凝結體強度要低。所以在進行高壓噴射灌漿工程設計時，應根據(jù)工程的具體要求和所承受的水頭來選用合適的漿液，以滿足工程的要求。同時，在進行高壓噴射灌漿時，往往一個高噴孔要穿越幾個不同性質(zhì)的地層和受到不同靜水壓力的影響。高噴灌漿施工時如果各個施工參數(shù)不變，在不同的地層或不同靜水壓力情況下形成的高噴凝結體的尺寸也不同。不同尺寸的凝結體的單位體積內(nèi)的水泥含量也不一樣。從而導致凝結體的物理力學性能也不同。如果把噴射的漿量與所形成的凝結體的體積之比定義為注漿比。則注漿比與凝結體的無側限抗壓強度之間的關系如圖4。從圖4可以看出，高噴凝結體的無側限抗壓強度與高噴灌漿注漿比值成正比。

圖4 固結體強度與注漿比的關系

3 高壓噴射灌漿施工

一個成熟的高噴灌漿專業(yè)施工隊伍，應懂得為完成設計任務首先要準備好能夠確保施工質(zhì)量的機械設備，如鉆機。高壓泵、高噴臺車等。鉆機要能確保鉆孔的精度，欲善其事，先利其器，高噴灌漿也是一樣，優(yōu)良的高噴灌漿設備，是確保高噴灌漿質(zhì)量的第一步。在難以成孔的細砂層、淤泥地層及地下空隙較大地層，采用鉆噴一體機將會取得較好的高噴效果。

另外要選用合理的高噴灌漿施工參數(shù)。因為不同的高噴灌漿施工參數(shù)，它將直接影響高噴凝結體的尺寸和質(zhì)量。所以，根據(jù)具體地層進行高壓噴射灌漿實驗，取得合理的參數(shù)是搞好灌漿的關鍵第一步。

3.1 噴射壓力對凝結體尺寸(或切割深度)的影響

從大量高噴灌漿實踐和試驗中得知，高壓噴射流壓力和所形成凝結體的尺寸密切相關，表1是單管法高壓旋噴灌漿在不同地層中，在其他高噴灌漿參數(shù)一定的情況下，不同噴射壓力與所形成旋噴樁直徑的關系。從表1可以清楚地看出，在同一地層中旋噴射樁直徑與噴射壓力成正比。

另外從圖1還可以看出，在同一地層（即相同應力條件下）中，水氣同軸噴射壓力與切削深度成正比。

3.2 灌漿管旋轉(zhuǎn)與提升速度及凝結體尺寸的關系

一般來說，旋轉(zhuǎn)與提升速度減慢，凝結體尺寸會增加，但減慢到某一范圍時，凝結體尺寸增加甚微。當提升速度一定時，旋轉(zhuǎn)速度有一最佳值，當?shù)陀诖俗罴阎禃r，凝結體的尺寸反而會減少。

圖5是三重管旋噴提升速度為4 cm／min時，在兩種土層中旋轉(zhuǎn)速度與凝結體直徑關系的試驗結果。其他技術參數(shù)是：噴射壓力40 MPa，噴射泵量70 L／min，壓縮空氣壓力 0.7 MPa，氣量 3 m3／min，水泥漿量 200 L／min。水泥漿泵壓3.5 MPa。

圖5 三重旋噴試驗的旋轉(zhuǎn)速度

圖6為相同試驗條件下，旋轉(zhuǎn)速度為5 r／min時，提升速度與凝結體關系的試驗結果。

旋轉(zhuǎn)速度和提升要合理配合，才能取得較好的破壞土體的效果。一般應通過高噴灌漿現(xiàn)場試驗來確定合理的旋轉(zhuǎn)速度和提升速度。

圖6 三重管旋噴試驗的提升速度

在進行俄公堡電站閘首一期圍堰高噴防滲施工時，我們根據(jù)不同孔深、不同的地下水情況及不同的地質(zhì)情況采用了不同的提升速度；在高噴灌漿開始階段，由于地下漂石較多，存在有較大的滲流通道，出現(xiàn)了孔口無返漿現(xiàn)象，對此，我們采用了只旋轉(zhuǎn)不提桿并加沙的辦法，待孔口返漿后再提桿，提桿速度為5 cm/min。返漿正常后，調(diào)整提桿速度為10 cm/min。在二序孔施工時，孔底5 m部位提桿速度為10 cm/min，以后調(diào)整為12 cm/min，有效地保證了施工質(zhì)量，確保了工期要求。經(jīng)圍井壓水檢查，滲透系數(shù)為 i×10-5。

3.3 噴嘴直徑的影響

如果其他噴射條件不變，而僅僅改變噴嘴直徑，切削深度和定噴板厚度均隨著噴嘴直徑的增加而增加。依噴嘴的形狀，內(nèi)壁加工精細程度的不同，切削深度也不同。但隨著噴嘴直徑的增加，單位注入漿量亦隨之增加，在增加噴嘴直徑的同時還要考慮到經(jīng)濟的合理性。

4 結語

（1）影響高壓噴射灌漿質(zhì)量的因素很多，對每個因素的忽視都可能造成工程質(zhì)量事故，所以高噴灌漿設計和施工，應由具備專業(yè)知識和豐富工程實踐經(jīng)驗的工程技術人員和施工隊來承擔。

（2）高壓噴射灌漿不同的工法和噴射形式，適應的條件并不完全相同，應根據(jù)不同情況選用合理的高噴灌漿工法和噴射形式。

（3）高噴灌漿所形成的凝結體，當采用純水泥漿時，凝結體的水泥含量一般為30%～50%，當采用水泥含量為50%的水泥粘土漿時，凝結體水泥含量一般為20%～30%。而且凝結體的抗壓強度和抗?jié)B坡降等力學性指示，均隨凝結體水泥含量的減少而降低。所以在進行高噴灌漿設計時，一定要根據(jù)工程的具體要求選用合理的漿液，以確保工程的質(zhì)量。

（4）在顆粒較大的砂礫層地層進行高壓噴射灌漿時，由于顆粒大，地層中空隙較大，如果直接進行漿液注射，會有大量漿液損耗，這時，需先進行純砂、不提旋噴桿噴射，待注入一定量砂后再開啟灌漿泵進行灌漿，這樣能取得既節(jié)約漿量又保證質(zhì)量的效果。