广西长洲水利枢纽工程高压喷射灌浆高喷工艺研究省水电.docx
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广西长洲水利枢纽工程高压喷射灌浆高喷工艺研究省水电
广西长洲水利枢纽工程高压喷射灌浆高喷工艺研究
【关键词】单管法两管法三管法二次切割法粉细砂层
1、工程概况
广西长洲水利枢纽位于广西西江干流浔江下游梧州市长洲岛河段,坝址距下游梧州市约12km,是一座以发电为主、兼有航运、灌溉和养殖等综合利用效益的大型水利枢纽。
设计坝顶高程34.8m、最大坝高约49.3m,坝线全长约3350m;装机容量约630MW,属一等工程。
坝址位于长洲岛上游端和泗化洲岛下游端,跨三江两岛(外江、中江、内江、长洲岛和泗化洲岛),工程采用河床式开发,分期导流施工,内、中、外三江围堰工程规模宏大,其中围堰及土坝高喷防渗工程量达5万余米。
为了论证高喷防渗墙应用于长洲水利枢纽工程的防渗效果,业主、设计、监理要求,在外江围堰选择合适的场地进行高喷灌浆工艺试验。
2、试验概述
2.1试验目的
为了论证高喷防渗墙应用于长洲水利枢纽工程的防渗效果,业主、设计、监理要求:
在外江围堰选择合适的场地进行高喷灌浆试验。
通过试验,找到适合于长洲工程的最优的高喷防渗施工工艺及相关技术参数,为后期工程高喷防渗设计、施工提供参考资料。
2.2试验主要内容和取得的成果
⑴通过四种高喷工艺试验,找出处理粉细砂层施工工艺和方法;
⑵通过四种高喷工艺(单管法、两管法、三管法、二次切割法)的三种喷射方式(定、摆、旋)试验,了解其形成的凝结体的外形尺寸和成墙效果;
2.3试验方案布置
进行四种高喷工艺和三种喷射方式试验,试验布置由系列单桩(板墙)。
试验工艺有单管法、两管法、三管法和二次切割法,每种工艺都进行定喷、摆喷、旋喷三种喷射方式的试验。
3、地质条件
3.1试验区水文地质、工程地质条件
试验区地层有:
人工填筑块(碎)石层、粉细砂层、砂卵砾石层、全风化基岩。
试验区地层具体的水文地质、工程地质条件描述如下:
⑴人工填筑块(碎)石层:
由船闸基岩开挖的块碎石组成,厚1.0m左右,粒径大、架空,粒径间充填泥土砂。
⑵粉细砂层:
为松散含泥粉细砂第②层:
厚度3.0m~4.0m,灰色、灰白色,结构松散且分布不均,含泥约10%,透水性比较大;标准贯入试验修正值N=4.7击~13.9击。
⑶卵砾石层:
为含泥质砂卵砾石③层:
厚度2.0m~3.0m,稍密状,卵砾石粒径小,颗粒细,最大不超过8cm,地层致密,含砂量大大,透水性大,卵砾石主要成分为砂岩,次为硅质岩、花岗岩,透水性大;标准贯入试验修正值N=10.7击~23.9击,
⑷基岩:
为全风化的花岗岩,呈碎屑状,具有浸水缓慢崩解的特点,纵波速度Vp=1500m/s~2000m/s,主要成分为长石、石英,次为云母、方解石,蚀变后的以绿泥石化、绢云母化为主;现场标准贯入试验N=6.6~51.0击。
⑸地下水位在砂层之上,包含砂砾石层、砂层内有1.5m~2.0m深,渗透系数K平均值为1.11×10-1cm/s,最大值K=1.74×10-1cm/s,属强透水。
高喷试验区详细地质资料见下图。
3.2覆盖层地层标贯试验(动力触探)
土层名称
统计组数
最大值
最小值
算术平均值
含泥粉细砂层
6
8
2
5
砂砾石层
6
19
6
12.5
全风化花岗岩
6
35
18
26.5
3.3覆盖层(粉细砂层)颗粒筛分级配情况
粉细砂层颗粒级配(特细砂、含泥4%)
筛孔尺寸(mm)
分计筛余(%)
累计筛余(%)
10.00
0.0
0.0
5.000
0.0
0.0
2.500
0.0
0.0
1.250
0.0
0.0
0.630
0.4
0.4
0.315
12.5
12.9
0.160
53.4
66.3
0.080
32.4
98.7
细度模数
0.80
3.4覆盖层分地层声波测试
声波测试采用两孔对穿,面波测试,测试初步结果如下:
强风化基岩:
1333~2258m/s;砂砾石层:
422~734m/s;纯粉细砂层(含泥4%):
157~189m/s。
4、高喷试验工艺介绍
4.1单管法是用高压泥浆泵以35~40MPa或更高的压力,从喷嘴中喷射出水泥浆液射流,冲击破坏土体,同时提升或旋转喷射管,使浆液与被剥落下来的土石颗粒掺搅混合,经一定时间后凝固,在土中形成凝结体。
4.2二管法是用高压泥浆泵产生35~40MPa或更高压力的浆液,用压缩空气机产生0.7~0.8MPa压力的压缩空气,浆液和压缩空气通过具有两个通道的喷射管,在喷射管底部侧面的同轴双重喷嘴中同时喷射出高压浆液和空气两种射流,冲击破坏土体,在高压浆液射流和它外围环绕气流的共同作用下,破坏土体的能量比单管法显著增大,喷嘴一边喷射一边旋转和提升,最后在土体中形成直径明显增加的柱状固结体。
4.3三管法是使用能输送水、气、浆的三个通道的喷射管,从内喷嘴中喷射出压力为40MPa或更高的超高压水流,水流周围环绕着从外喷嘴中喷射出的圆管状气流,同轴喷射的水流与气流冲击破坏土体。
由泥浆泵灌注较低压力的水泥浆液进行充填置换。
4.4二次切割法(新三管法)是先用高压水和气冲击切割地层土体,然后再用较高压力的水泥浆对土体进行二次切割和喷入。
水、气喷嘴和浆、气喷嘴铅直间距约0.5~0.6m。
由于水的粘滞性小,易于进入较小空隙中产生水楔劈裂效应,对于冲切置换细颗粒有较好的作用。
高压浆液射流对地层二次喷射不仅增大了喷射半径,使浆液均匀注入被破坏的地层,而且由于浆、气喷嘴和水、气喷嘴间距较大,水对浆液的稀释作用减小,使实际灌入的浆量增多,提高了凝结体的结石率和强度。
该法高喷质量优于三管法,适用于含较多密实性充填物的大粒径地层。
5、试验施工方法
5.1施工工艺流程
场地平整压实→台车行走→轨道铺设→布孔、钻机就位→校准角度、造孔→测斜→下PVC管、起拔导管→高喷台车就位→试喷、下喷具→静喷、喷灌→孔口注浆、回灌、封孔→高喷台车移位。
5.2钻孔施工
⑴根据试验钻孔布置图,按顺序进行钻孔。
⑵钻孔质量要求:
钻机就位、安放在设计的孔位上,管架定位准确、安装平稳,钻孔孔位偏差不大于5cm,孔深偏差不大于10cm,孔底沉淀不大于20cm,孔斜率小于1%。
⑶钻孔记录:
钻孔过程中,详细准确记录钻孔时遇到的各种现象,根据返碴情况、钻进速度、钻机及冲击器运转情况判断地层分层深度,块石的分布、埋深、粒径及架空、漏失、串通等情况,并准确记录其厚度及埋深。
⑷钻孔护壁:
钻孔终孔后,先取出钻杆,然后下入φ100×1.5mmPVC管护壁,起拨套管。
PVC底部用无纺布包扎,接头套接后用塑料带密封,要确保不脱接及接头处不漏浆。
5.3浆液配制
试验用的浆液有纯水泥浆、水泥—膨润土浆、水泥—粉煤灰浆等三种浆液。
⑴浆液配比:
纯水泥浆:
1:
1、0.67:
1,其中0.67:
1加入速凝剂氯化钙,用量为水泥的2%。
水泥—膨润土浆:
1:
1、0.80:
1(配比指水与水泥的配比),膨润土用量为水泥的15%,纯碱用量为膨润土的2%。
水泥—粉煤灰浆:
1:
1、0.80:
1(配比指水与水泥的配比),粉煤灰用量为水泥的15%,纯碱用量为粉煤灰的2%。
⑵浆液拌制及使用:
加料顺序:
纯水泥浆:
水→水泥→使用;水泥-膨润土(粉煤灰)浆:
水→膨润土(粉煤灰)→纯碱→水泥→使用;配制浆液时,必须按加料顺序加入所需材料,各种材料的加量要准确,水、纯碱用固定的量具加入。
浆液搅拌时间:
加入膨润土的浆液不少于3min,其它浆液不少于1min;所加制浆材料直接加入搅拌槽中进行拌合,浆液必须充分过筛过滤,自制备到用完时间不超过4h。
5.4高喷灌浆
⑴高喷灌浆施工工序:
台车行走、就位及调试→喷具组装及检查→地面试喷→下喷具→静喷、喷灌→孔口注浆、回灌、封孔→高喷台车移位。
⑵高喷:
当喷具下入到设计深度后,启动旋摆机,调节风水浆的流量、压力和旋摆机的旋转速度,使之达到设计值,待孔口返浆比重符合要求后,开始提升,边旋转边提升,自下而上喷射灌浆,直至孔口停喷。
在高喷灌浆过程中,要时刻注意检查施工机具运转是否正常,风水浆的流量、压力,进浆、回浆比重及旋转、提升速度等参数是否符合要求。
⑶高喷灌浆结束后,由专人负责用弃浆进行孔口注浆,直到回填密实,浆面不再析水下沉为止。
6、试验施工成果分析
工艺试验了四种工艺,即:
单管法、两管法、三管法、二次切割法(新三管法);和三种浆液试验,其试验成果分析如下:
6.1单管法:
单管法工艺试验了两个孔,孔号为:
S10、S11,喷射方式,摆喷、旋喷。
⑴高喷参数表
序号
孔号
喷射方式
高压浆
水泥浆
提升速度(cm/min)
旋摆频率(r/min)
摆角(度)
喷嘴直径(mm)
备注
压力(Mpa)
流量(L)
性质
配比
进浆
比重
1
S10
摆喷
35
48.6
水泥—粉煤灰
1:
1
1.63
8
8
30
1.9
2
S11
旋喷
35
42.3
水泥—膨润土
1:
1
1.43
8
8
360
1.9
单管法工艺试验中,所使用的高喷参数:
高压浆压力为35Mpa,浆液为水泥—粉煤灰、水泥--膨润土浆,配比为1:
1,提升速度8cm/min,PVC管护壁。
⑵高喷浆材耗用成果表
序号
孔号
加固
长度m
浆液
性质
浆液配比
水泥用量t
外加剂用量(kg)
总耗灰(t)
返浆耗量(kg)
实际单耗(kg/m)
备注
膨润土
粉煤灰
纯碱
1
S10
7.2
水泥—粉煤灰
1:
1
3.6
360
14.4
4.0
1349.0
364.6
2
S11
8.3
水泥—膨润土
1:
1
3.9
780
15.6
4.7
1673.0
364.2
从表中看出:
采用单管法进行高喷灌浆,无论是旋喷还是摆喷,耗浆量大小决定提升速度,而不是地层;本次试验地层耗浆量为360kg/m左右;试验施工用浆量为550kg/m,而试验地层耗浆量为360kg,试验施工浪费(返浆)浆量为200kg/m。
⑶墙体测量成果表
序号
孔号
喷射工艺
试验目的
墙体半径(cm)
墙体厚度(cm)
末端凹陷深度(cm)
地层
备注
1
S10
单管法
单管法摆喷成墙情况
45
46
0
粉细砂层
2
S11
单管法
单管法旋喷成墙情况
47.5
粉细砂层
47.5
砂卵砾石层
⑷墙体描述
S10摆喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,墙体最大半径0.45m,墙厚46cm,墙体小、墙体薄,胶结良好,墙体上能明显看到高喷孔的痕迹,墙体轮廓规则、清楚、平整。
S11旋喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,桩体最大半径0.475m,在砂卵砾石层中,桩体最大半径0.46m,桩体胶结良好,桩体上能明显看到高压水留下的刻痕,桩体光滑,轮廓规则、清楚。
⑸单管法工艺总结
通过参数设计、施工、墙体开挖、测量描述等试验方法,单管法工艺试验结论如下:
单管法进行高喷灌浆耗浆量由高喷提升速度决定,单管法进行高喷灌浆所使用的浆液最大配比为1:
1、浆液比重最大不超过1.4g/cm3,单管法能处理粉细砂层,单管法高喷所成的墙或桩的半径都比较小(45cm左右),摆喷墙体半径与旋喷墙体半径差不多。
6.2两管法:
两管法工艺试验了三个孔,孔号为:
S7、S8、S9,喷射方式,定喷、摆喷、旋喷。
⑴高喷参数表
序号
孔号
喷射
方式
高压浆
水泥浆
压缩空气
提升
速度
cm/min
旋摆
频率
r/min
摆角
度
喷嘴
直径
mm
压力Mpa
流量(L)
性质
配比
进浆
比重
压力
Mpa
排量L/min
1
S7
定喷
40
41.4
水泥—膨润土
1:
1
1.40
0.65
600
8
8
0
1.9
2
S8
摆喷
40
35.0
水泥—膨润土
1:
1
1.40
0.70
600
8
8
30
1.9
3
S9
旋喷
40
50.0
水泥—膨润土
1:
1
1.42
0.80
400
8
8
360
1.9
两管法工艺试验中,所使用的高喷参数:
高压浆压力为40Mpa,浆液为水泥--膨润土浆液,配比为1:
1,提升速度8cm/min,PVC管护壁。
⑵高喷浆材耗用成果表
序号
孔号
加固
长度
浆液
性质
浆液
配比
水泥
用量(t)
外加剂用量(kg)
总耗灰(t)
返浆耗量(kg)
实际单耗(kg/m)
备注
膨润土
纯碱
1
S7
9.1
水泥—
膨润土
1:
1
4.2
840
15.6
5.1
1243.0
419.0
2
S8
8.6
水泥—
膨润土
1:
1
3.3
720
14.4
4.3
504.0
3
S9
8.0
水泥—
膨润土
1:
1
3.0
660
13.0
4.0
496.6
从表中看出:
采用双管法进行高喷灌浆,无论是旋喷还是摆喷,耗浆量大小决定提升速度,而不是地层;本次试验地层耗浆量为400~500kg/m左右,耗浆量相对较少。
⑶墙体测量成果表
序号
孔号
喷射工艺
试验目的
墙体半径(cm)
墙体厚度(cm)
末端凹陷深度(cm)
地层
备注
1
S7
两管法
两管法定喷成墙情况
350
17
0
粉细砂层
145
22
0
砂卵砾石层
2
S8
两管法
两管法摆喷成墙情况
208
70
46
粉细砂层
193
80
0
砂卵砾石层
3
S9
两管法
两管法旋喷成墙情况
86
粉细砂层
86
砂卵砾石层
⑷墙体描述
S7定喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,墙体最大半径3.5m,墙厚17cm,墙体较薄,比较光滑;在砂卵砾石层中,墙体最大半径1.45m,墙厚22cm,墙体不很规则,卵砾石胶结良好,在高喷孔处,墙体厚度只有一个钻孔直径。
S8摆喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,墙体最大半径2.08m,墙厚70cm,高喷墙末端凹陷深度60cm,高喷墙体比较光滑;在砂卵砾石层中,墙体最大半径1.93m,墙厚80cm,墙体末端不存在凹陷,墙体不很规则,卵砾石胶结良好,墙体上能明显看到高喷孔的痕迹。
S9旋喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,墙体最大半径0.86m,高喷墙体上存在一圈一圈的刻痕;在砂卵砾石层中,墙体最大半径0.86m,墙体不很规则,卵砾石胶结良好。
⑸两管法工艺总结
通过参数设计、施工、墙体开挖、测量描述等试验方法,两管法工艺试验结论如下:
两管法高喷灌浆耗浆量由高喷提升速度决定,两管法进行高喷灌浆所使用的浆液最大配比为1:
1、浆液比重最大不超过1.4g/cm3,两管法非常适合处理粉细砂层,处理粉细砂层的效果非常好,两管法高喷所成的墙或桩的半径较大,三种喷射方式形成墙体半径从大到小为:
定喷、摆喷、旋喷。
6.3三管法:
三管法工艺试验了三个孔,孔号为:
S4、S5、S6,喷射方式,定喷、摆喷、旋喷。
⑴高喷参数表
序号
孔号
喷射方式
高压水
水泥浆(低压)
压缩空气
提升
速度cm/min
旋摆频率
r/min
摆角度
喷嘴直径mm
压力
Mpa
流量(L)
性质
配比
进浆
比重
压力
Mpa)
排量
L/min
1
S4
定喷
41
74.8
水泥—
膨润土
0.8:
1
1.67
0.65
400
8
8
0
1.7
2
S5
摆喷
40
73.3
水泥—
膨润土
0.8:
1
1.67
0.65
400
8
8
30
1.7
3
S6
旋喷
40
70.0
水泥—
膨润土
0.8:
1
1.64
0.80
200
8
8
360
1.7
三管法工艺试验中,所使用的高喷参数:
高压水压力为40Mpa,浆液为水泥--膨润土浆液,配比为0.8:
1,提升速度8cm/min,PVC管护壁。
⑵高喷浆材耗用成果表
序号
孔号
加固长
度(m)
浆液
性质
浆液
配比
水泥用
量(t)
外加剂用量(kg)
总耗灰(t)
实际单耗(kg/m)
备注
膨润土
纯碱
1
S4
8.4
水泥—膨润土
0.8:
1
4.0
400
65
4.5
635.1
2
S5
10.1
水泥—膨润土
0.8:
1
5.6
560
91
6.3
618.9
3
S6
8.1
水泥—膨润土
0.8:
1
3.6
360
58.5
4.0
496.1
从表中看出:
采用三管法进行高喷灌浆,地层耗灰量相对较大,耗灰浆量为600kg/m左右,主要是高压水对浆液稀湿所至。
⑶墙体测量成果表
序号
孔号
喷射工艺
试验目的
墙体半径(cm)
墙体厚度(cm)
末端凹陷深度(cm)
地层
1
S4
三管法
三管法定喷成墙情况
290
22
0
粉细砂层
200
33
0
砂卵砾石层
2
S5
三管法
三管法摆喷成墙情况
212
103
33
粉细砂层
190
83
0
砂卵砾石层
3
S6
三管法
三管法旋喷成墙情况
76.5
粉细砂层
59
砂卵砾石层
⑷墙体描述
S4定喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,高喷墙体最大半径2.9m,墙厚22cm,砂砾石中,高喷墙体最大半径2.2m,墙厚33cm,砂砾石层中墙体比砂层中厚;墙体平滑光整,墙体内还有没喷烂的PVC管。
S5摆喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,高喷墙体最大半径2.2m,墙厚103cm,高喷墙末端凹陷深度60cm,砂砾石中,高喷墙体最大半径1.9m,墙厚83cm,砂层中墙体比砂砾石层中厚,墙体平滑光整。
S6旋喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,桩体直径0.765m,在砂砾石层中,桩体直径0.59m,桩体光滑,上大下小。
墙体胶结良好。
⑸三管法工艺总结
通过参数设计、施工、墙体开挖、测量描述等试验方法,三管法工艺试验结论如下:
三管法进行高喷灌浆施工耗浆量比较大,主要是高压水对浆液稀湿的所至。
三管法也能处理好粉细砂层。
三管法高喷所成的墙或桩的半径较大,三种喷射方式形成墙体半径从大到小为:
定喷、摆喷、旋喷。
6.4二次切割法(新三管法):
二次切割法(新三管法)工艺试验了四个孔,孔号为:
S0、S1、S2、S3,喷射方式,摆喷、定喷、摆喷、旋喷。
⑴高喷参数表
序号
孔号
喷射
方式
高压水
高压浆
水泥浆(高压)
压缩空气
提升
速度
cm/min
旋摆频率
r/min
摆角度
喷嘴直径mm
压力
Mpa
流量
L
压力Mpa
流量
L
性质
配比
进浆
比重
压力Mpa
排量L/min
1
S0
摆喷
40
78
35
60
纯水
泥浆
1:
1
1.53
0
0
8
8
30
1.7
/1.9
2
S1
定喷
40
85
35
59
纯水
泥浆
1:
1
1.53
0.7
600
8
8
0
1.7
/1.9
3
S2
摆喷
42
88.5
35
70
纯水
泥浆
1:
1
1.5
0.55
400
8
8
30
1.7
/1.9
4
S3
旋喷
42
93.2
35
46
纯水
泥浆
1:
1
1.55
0.45
600
8
8
360
1.7
/1.9
二次切割法工艺试验中,所使用的高喷参数:
高压水压力为40Mpa,高压浆压力为35Mpa,浆液为纯水泥浆,配比为1:
1,提升速度8cm/min,PVC管护壁,双高压喷嘴间距35cm。
⑵高喷浆材耗用成果表
序号
孔号
加固长度(m)
浆液性质
浆液配比
水泥用量(t)
总耗灰(t)
实际单耗(kg/m)
备注
1
S0
10.5
纯水泥浆
1:
1
6.3
6.3
600.0
2
S1
10.5
纯水泥浆
1:
1
6.3
6.3
600.0
3
S2
10.3
纯水泥浆
1:
1
6.9
6.9
669.9
4
S3
9.6
纯水泥浆
1:
1
5.4
5.4
562.5
采用二次切割法进行高喷灌浆,地层耗灰量相对较大,耗灰浆量为600kg/m左右,高喷耗浆量由高喷提升速度决定,高压水对高压浆液有稀湿作用。
⑶墙体测量成果表
序号
孔号
试验目的
墙体半径(cm)
墙体厚度(cm)
末端凹陷深度(cm)
地层
1
S0
二次切割法摆喷成墙情况
55
粉细砂层
2
S1
二次切割法定喷成墙情况
210
16
粉细砂层
3
S2
二次切割法摆喷成墙情况
217
65
40
粉细砂层
4
S3
二次切割法旋喷成墙情况
75
粉细砂层
68
砂卵砾石层
⑷墙体描述
S0摆喷孔成墙情况:
高喷墙体的直径大约1.1m~1.2m,墙体直径比较短,墙体的厚度很薄。
主要是高喷不用风所至。
S1定喷孔成墙情况:
开挖墙体半径2.1m,粉细砂层墙厚6.5cm,砂砾石层墙厚16.0cm,墙体比较薄,墙体半径较大,墙体比较光滑。
S2摆喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,墙体半径2.17m,最大墙宽65cm,高喷墙的末端有一个40cm的凹弧面,墙体平滑光整,墙体内还有没喷烂的PVC管,原高喷孔内被小砾石胶结物充填,而不是纯水泥浆结石。
S3旋喷孔成墙情况:
在粉细砂层中,桩体半径为0.75m,桩体最大半径为1.07m,砂砾石层中,桩体半径为0.685m,整个桩体有缩颈现象,缩颈现象发生在孔深5.0m,桩体水泥含量少,主要是孔深在4.8m处一只浆嘴被堵所至。
⑸二次切割法工艺总结
通过参数设计、施工、墙体开挖、测量描述等试验方法,二次切割法工艺试验结论如下:
二次切割法采用双喷嘴,双高压液对地层进行两次重复切割,对地层切割的范围比较大,形成的高喷墙体质量比较好;由于二次切割法采用高压水、高压浆两管,高压水对高压浆液有稀湿作用,高喷墙体的强度受到影响;浆液为高压浆,浆液的浓度也受到限制(最大浆液配比不超过1:
1),试验中试验了四个孔,三种喷射方式形成墙体半径从大到小为:
定喷、摆喷、旋喷。
没用风的试验孔成墙半径最小。
6.5三种水泥浆液试验:
试验的浆液有纯水泥浆、水泥—膨润土浆、水泥—粉煤灰浆,其配比情况如下:
纯水泥浆:
1:
1、0.67:
1,其中0.67:
1加入速凝剂氯化钙,用量为水泥的2%。
水泥—膨润土浆:
1:
1、0.80:
1(配比指水与水泥的配比),膨润土用量为水泥的15%,纯碱用量为膨润土的2%。
水泥—粉煤灰浆:
1:
1、0.80:
1(配比指水与水泥的
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