高压喷射选用灌浆材料的探讨

2012-04-14王海忠

山西水利科技 2012年1期

王海忠

（山西省晋中市水利建筑工程总公司山西晋中 030600）

高喷灌浆在经过多年的发展和应用后，主要技术指标基本已形成规范，尤其所用灌浆填充材料，主要为纯水泥浆液和化学浆液，文中根据高喷在形成防渗板墙后的效果，对纯水泥浆和液态水泥砂浆进行一些可行性探讨。

1 高喷灌浆机理

高压喷射灌浆是在静压灌浆和高压旋喷灌浆的基础上发展起来的。高压喷射灌浆与静压灌浆作用原理有根本的区别。静压灌浆借助于压力，使浆液沿裂隙或孔洞进入被灌地层。当地层隙(洞)较大时，虽然可灌性好，但浆液在压力作用下，扩散很远，难于控制，使用灌浆材料较多。而高压喷射灌浆则利用置于钻孔中的喷射装置射出高压水束冲击破坏被灌地层结构，同时将浆液灌入，形成在方向、深度、厚度和结构形式都与设计一致的固结体，并与地基紧密结合，构成连续的防渗固结体，因而比静压灌浆的可灌性、可控性好，而且节省了灌浆材料。

2 高喷灌浆的形式和作用

高喷灌浆的基本形式分为定喷、摆喷、旋喷和摆喷旋喷相结合四种，在地基处理中，最常用的是摆喷、旋喷和摆喷旋喷相结合三种。

高喷灌浆的直接结果就是在原地层中，形成一道连续的防渗固结体，从而起到防渗、提高地基承载力的作用，而防渗固结体的形状与喷射方式有关，所起的作用也不同。

旋喷是指喷嘴一边喷射浆液一边旋转和提升，其固结体为圆柱状，主要用于加固地基，承受荷载，如果是连续的固结体，还可解决渗透稳定问题。

定喷是喷嘴一边喷射浆液一边提升而不旋转，喷射方向不变，其固结体为较薄的扇形，一般在工程中较少用到。

摆喷则是喷嘴一边喷射浆液一边提升，喷射流在一定角度内（1500～3000）来回摆动。其固结体为薄壁形状或较厚的扇形状，在工程中比较常用，通常用来作为防渗墙，解决低水头建筑物的渗流问题，也可用来加固地基或稳定边坡。

3 高喷灌浆选用材料的探讨

3.1 高喷灌浆选用的材料

高喷灌浆在全国各大中小型水库中的坝基防渗处理中已经得到了广泛的应用，取得了显著的效果。高喷灌浆的材料主要以水泥浆液和化学浆液为主，其中水泥浆液的应用最为广泛。

3.2 高喷灌浆材料对比及分析

我省水库的高喷灌浆材料均采用水泥浆液，孔口返浆直接弃入废料池中，废料池中的弃浆由于浆液成分不同而形成了不同形态：含砂浆液虽是后期产物却凝成硬板，而先期的不含砂水泥浆液仍呈糊状，形成了硬结层和糊状层的软硬相间形态。

有的灌浆工程灌后一个月甚至更长一些时间，钻孔取出的水泥浆仍未凝固。针对上述现象，做了两组浆液凝固试验：纯水泥浆及1：1的水泥砂浆分别装满玻璃瓶，一组放于浅水坑（水温约20℃）中，一组放于水温约8℃的井中，24h后观察，浅水坑中的砂浆和纯水泥浆均凝结成块状，只是纯水泥浆稍差些；井中的砂浆稍有凝结，但细木棍容易插入，纯水泥浆未凝结。四天后破瓶观察，均凝结成块状，纯水泥浆凝结程度稍差。

用无底玻璃瓶做水泥浆简易抗渗试验，浆体厚10cm，以砂砾石做盖层，水头达到5cm时，水泥颗粒开始移动，抬至7～10cm，大量水泥颗粒沿砂砾石空隙溢出，水头抬至14cm，浆体完全破坏。以含少量泥质的砂子做盖层进行同样试验，没有水泥颗粒运移现象。水头逐渐抬高，直至7h后水头抬至1cm，也无水泥颗粒移动，浆体初凝，没有破坏现象。

水库工程的高喷灌浆条件不同于其他工程，即它的板墙前后可形成足以破坏浆体板墙的水头差，这对高喷灌浆是个极不利的因素。高喷灌浆刚灌进由高压水、气切割地层的浆液有一部分由于水气的掺混作用，必将有一个稀释过程，浆液比重减小。随着高喷管的提开，离开高压水流影响的浆液在孔内浆液压力下逐渐析水、加密，浓度逐渐增加，达到稳定，形成连续的浆液板墙。高喷初始阶段，由于不断输进水流作用，板墙前后不会形成足以破坏板墙浆体的水头差。灌浆结束后，不再向孔内输水，板墙前后的水头差逐渐达到应有的高度。纯水泥浆液在地下低温（8℃左右）凝结极慢。但在细颗粒含量较少的砂砾石层中未凝结的浆体板墙抗渗透破坏能力极底，在水头差达到一定高度时，板墙极易遭到破坏，未凝结的水泥，黏土颗粒随渗透水流进入砂砾石中随水流失，板墙出现窟窿，其完整性遭到破坏，减低了防渗效果，严重者防渗性能失效。

3.3 防止板墙破坏的探讨

用高标号快速凝结水泥或化学材料可以解决因水头差可能造成墙体被破坏的问题，但其造价太高，又容易造成输浆管路堵塞等施工困难，不宜采用。针对水泥浆在低温下凝结慢，强渗水层中浆体板墙在其前后水头差作用下易流失破坏的特点，应改过去使用的水泥浆为水泥砂浆。为缩短凝固时间，防止板墙凝固前在其前后水头差作用下的渗流破坏，灌浆材料应采用细砂和水泥。

孔口返浆中，除水泥成分外，也有高压水、气从其切割的地层中置换出来的砂粒。砂粒在流入回浆筒过程中大部分沉淀，少量砂粒随回浆液被送至搅拌筒灌入地层。被利用的砂粒对板墙的凝结可起一定的促进作用，但因其量少，粒径小，在渗流作用下大部分可随水泥颗粒一起流走，剩余量不足以形成反滤保护层。因此，高喷灌浆材料除水泥外还应有砂料。砂料粒径和用量应视回浆的细砂含量和灌注地层而定，但为施工方便，统一添加粒径不超过1.0mm细度模数不大于2.0的细砂。细砂与水泥比例单从地下板墙结石及防渗性能考虑，砂与水泥之重量比可采用1：1，考虑到利用孔口返浆中含有的砂粒并保证输浆管路的畅通，细砂与水泥之比可采用0.5：1～0.8：1。砂粒来源最好是风成细砂，同时含泥量不宜过大。这样既不影响板墙质量，又能保证施工的顺利进行，节约水泥，降低造价。

4 水泥砂浆对保证渗水层中有水头差的板墙凝结前免遭渗流破坏的作用

4.1 水泥砂浆可快速形成反滤层

灌浆过程中，在孔内浆液压力下板墙附近地层孔隙中充填一些浆液，砂粒亦随浆液一起充填于孔隙中，改变了地层的密实度和颗粒组成，有可能很快形成反滤保护层，这样浆液板墙前后即使存在较大的水头差也不会遭到渗流破坏。如尚不能较快形成反滤保护层，水头差加大到一定高度，板墙开始遭到渗流破坏，尚未凝结的浆液流向下游一侧地层孔隙中，细粒随水流失，一些砂粒留于孔隙中，逐渐填满孔隙。如果使用水泥或水泥黏土浆，在强透水的砂砾石层中就不易形成反滤保护层，浆液流失不止，造成板墙穿洞，使高喷灌浆达不到帷幕防渗的预期效果。为补充析水或流失浆液，应加大灌浆浆液浓度，高喷结束后的孔口回灌更是不可缺少的环节。

4.2 水泥砂浆可较快达到稳定状态

在孔内浆液压力下，水泥砂浆较水泥浆或水泥黏土浆析水快，结石早，砂浆板墙能较快达到稳定状态，有可能在水头差达到足以破坏浆墙之前即已凝结。由水泥搅拌试验资料可知：水泥搅拌3h，微凝，强度明显降低，搅拌4h，不凝。板墙浆液稳定前虽不是搅拌，但也是水泥的微小流动过程，时间过长，将影响水泥的凝结，降低板墙强度。也可能在凝结前水头差即已达到破坏其灌浆的高度，使浆墙遭到渗流破坏。在细颗粒较少的砂粒石强透水层中，浆液中的细砂在压力水头差作用下将以管涌形式流失，起不到充填孔隙的作用，即使充填大量浆液也不能形成反滤保护层。如果遇到这种地层，应以较详细的地勘资料作依据，在该段地层中添加粒径不超过2mm的中砂，放慢提升速度1～2倍。这将保证反滤保护层的形成，使强透水的砂砾石层也可以形成完整的防渗墙体。