高压喷射灌浆施工在水利水电工程中的应用(共28页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上水电水利工程高喷灌浆施工技术培训吴世敏水电水利工程高喷灌浆施工技术培训在科学技术发展推动下,现代工业提供了大功率高压泵、钻机、硬质合金喷嘴总成等先进装备,在水力采煤工作中高压水射流技术原理应用中,为新的加固土体方法创造了新的物质条件和理论基础,于是在20世纪60年代末70年代初期别具一格的高压喷射灌浆法应运而生。在70年代末开始,在我国的岩土工程得到了应用与发展,广西水利厅从80年代末90年代初引进,首先应用是澄碧河水库,当时是山东水利厅施工队伍与广西海河公司(原广西区水电勘探基础工程处)合作。一、高压喷射灌浆法的类型(一)、高压喷射灌浆的形式所谓高压喷射灌浆,就是利
2、用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至涂层的预定位置(现在我们所使用的大部分是先采用钻机按要求钻进形成有效的孔,在利用高喷架台车下入注浆管),以高压设备使浆液或水成为2040MPa左右的高压流从喷嘴中喷出来,冲击破坏土体,当能量大、速度快和呈脉动状的喷射流的动压超过土体结构强度时,土层、土粒便从土体中剥落下来,一部分细小的土粒随着浆液冒出水面,其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下,与浆液搅拌混合,并按一定的浆土比例和质量大小有规律地重新排列。浆液凝固后,便在土中形成一个固结体。固结体形状和喷射移动方向有关,一般分旋转喷射(简称旋喷)、摆动喷射(简称摆喷)和定向喷射(简称定喷)三种形式。旋喷是
3、喷嘴一面喷射一面旋转和提升,固结体呈圆柱状;摆喷是一面喷射一面摆动和提升,固结体形如较厚墙状;定喷是一面喷射一面提升,喷射的方向固定不变,固结体形如壁状(薄壁)。当按一定规律完成高喷体连成群体、形成闭合的帷幕,用于节阻地下水流,基础防渗、坝体防渗和稳定边坡等工程。目前,在水利水电工程中,特别是水库除险加固工程和防洪堤工程中,用于坝体防渗墙主要是高喷防渗墙,当然也有混凝土(包括塑性混凝土)防渗墙。(二)、高压喷射注浆的基本种类当前,高压喷射注浆法的基本种类有单管法、二重管法、三重管法,它们各有特点,可根据要求和土质条件选用。1、单管法:单管高喷注浆是利用钻机等设备,把安装在注浆管(单管)底部侧面
4、的特殊喷嘴,下入土层预定深度后,用高压泥浆泵等装置,以2040MPa左右压力,把浆液从喷嘴中喷射出去冲击破坏土体,同时借助注浆管的旋转或摆动和提升运动,使浆液与土体上崩落下来的土颗粒搅拌混合,经过一定时间凝固,便在土中形成圆柱体或墙状固结体,呈CCPI法(日本称),主要在建筑工程地基处理中使用,水利工程很少使用。2、二重管法:二重管法是使用双通道的二重注浆管。当双重管钻进到预定深度后,通过在注浆管底部侧面的一个同轴双重喷嘴,同时喷射除高压浆液和压缩空气两种介质的喷射流冲出破坏土体,在高压浆液流和它外圈环绕气流的共同作用下,破坏土体的能量显著增大形成固结体的直径明显增加。此法在含砂砾量的较大的土
5、层中使用较多,在水利工程中主要用于海堤和防洪堤,如柳州市防洪堤三中堤段基础高喷灌浆、贵港西江河堤部分河段高喷灌浆都采用二重管法(日本称SGI法)。(水库坝体防渗墙使用较少)3、三重管法:三重管法是使用分别输送水、气、浆三种介质的三重注浆管。在高压水喷射流和气流同轴喷射冲切土体,形成较大空隙,再另由注入压力0.11.0MPa的浆液填充,其固结体直径较大。(日本称CJPI法)。三重管法在目前国内常用的施工方法之一,在水利工程中使用较普遍,特别在水库坝体防渗施工中技术比较成熟,使用比较广泛。目前最先进是RJPI法。RJPI法是二重管法和三重管法的引身,主要是进行两次切削破坏土层。第一次是上段的超高压
6、水和空气的复合喷射流体切削破坏土层,但没有被水泥浆液所置换;也可被抽出地面形成空穴,紧接着的第二次是下段的超高压浆液和空气的复合喷射流体,在第一次切削土层的基础上再次对土体进行切削,这样便增加了切削深度和置换的效果,加大了固结体的有效直径。RJPI法有两套喷嘴,分上套喷嘴和下套喷嘴。二、高压喷射注浆的基本原理(一)、高压水喷射流的性质高压水喷射流是通过高压设备获得巨大能量后从一定形状的喷嘴,用一种特定的流体运动方式,以很高的速度连续喷射出来的、能量高度集中的一股液流。高压喷射流的能量和切割能力(破坏力)与高压水的流量、喷嘴出口面积、喷嘴入口压力、水(浆)的密度等有关。我们在这里不作详细分析。(
7、二)、高压喷射流的种类及其构造和特性1、种类,有两种:单管喷射流为单一的高压水泥浆液喷射流;二重管喷射流为高压浆液喷射流与其外部环绕的压缩空气喷射流,组成为复合式高压喷射流;三重管喷射流由高压水喷射流与其外部环绕的压缩空气喷射流,组成为复合式高压喷射流;2、构造:高压喷射流的构造也比较复杂,这里只作简单说明。单液高压喷射流构造结构沿着初期区域包括中心轴,分为初期区域、主要区域和终期区域。单液高压喷射流作用区域在中间的主要区域,终期区域能量损失快,无多大切割土体作用。水(浆)气同轴喷射流构造水气同轴喷射流也分为初期区域、迁移区域和主要区域三个区域。同轴喷射流作用区域在尾部的主要区域,所以它的作用
8、范围比较大,有效距离比较长。3、特性两种喷射流相比较有两个特性:初期区域长度增加。一般复合式高压喷射流初期区域比单一高压喷射流增加57倍;空气喷流帷幕的作用。在水气同轴喷射中,空气流帷幕的作用是保护水喷射流,使其减缓衰减程度。实践证明,空气喷射流速度较大时,高压喷射流速度衰减较小;空气喷射流的流量也影响高压喷射流的有效长度。压缩空气从0.4m3min增加到0.8m3min,喷射长度增加2倍左右。(三)、喷射固化的机理1、高压喷射流对土体的破坏作用高压喷射流破坏土体的效能随着土的物理力学性质的不同,在数量方面有较大地差异。喷射流破坏土的机理比较复杂,目前在理论上尚未充分探明,但可以透过喷射现象,
9、分析出破坏土的主要作用,如下图:共有七个方面的作用来破坏土体:喷流动压喷射流的脉动负荷高压喷射流水块的冲击力空穴现象水楔效应挤压力气流搅动喷射流破坏的因素图(1)喷流动压高压喷射流冲击土体时,由于能量高度集中地冲击一个很小的区域,因而在这个区域内及其周围的土和土结构的组织之间,受到很大的压应力作用,当这些外力超过土颗粒结构的破坏临界数值,土体便受到破坏,压力越高,流速越大,则破坏力越大,切割、搅拌土体的范围也增加。(2)喷射流的脉动负荷当喷射流不停地脉冲式冲击土体时,土粒表面受到脉动负荷的影响,逐渐积累起残余变形,使土粒失掉平衡,从而促使了土的破坏。(3)水块的冲击力由于喷射流继续锤击土体产生
10、冲击力,促进破坏的进一步发展。(4)空穴现象当土体没有被射出孔洞时,喷射流冲击土体,以冲击面上的大气压力为基础,产生压力变动,在压力差大的部位产生空洞,呈现出类似空穴现象。在空穴中,由于喷射流的激烈紊流,也会把较软弱的土体掏空,造成空穴扩大,使更多的土粒遭受破坏。(5)水楔效应当喷射流充满土层,由于喷射流的反作用力,产生水楔,喷射流在垂直喷射流轴线的方向上,楔入土体裂隙或薄弱部位,这时喷射流的动压变为静压,使土体发生剥落,裂隙加宽。(6)挤压力喷射流在终期区域能量衰减很大,不能直接破坏土体,使土粒剥落,但对边界土产生挤压力,对四周土有压密作用,使部分浆液进入土粒之间的空隙里,使固体与四周土紧密
11、结合,不产生脱离现象。(7)气流搅动在水气同轴喷射作用时,空气流将已被高压喷射流破坏的土体上的土粒迅速吹散,使喷射流的作用得以保持,能量消耗减少,因而增大了高压喷射流的破坏能力。2、水泥与土的固化机理 简单认识它的固化过程。高压喷射所采用的硬化剂主要是水泥。喷射固结体是一种特殊的水泥土网络结构。在高压喷射搅拌过程中,水泥和土被混合在一起,土颗粒间被水泥浆所填满,水泥水化后在土颗粒的周围形成了各种水化物结晶,随着土体的不断被挤密,形成了一种特殊水泥土结构。在水泥胶质体凝固的作用下,固结体的强度将不断提高,具有很高耐久性,可以用在永久工程。3、高喷固结体的基本性状(1)固结体的形状可控固结体的形状
12、可以通过喷射参数来控制大致可喷呈圆柱状、板墙状及扇形状。三种基本形状,还有其他的形状(可根据工程需要控制),由于地层情况、喷射流脉动和提升速度等因素不均匀,固结体的周围很粗糙,呈不规则脉动。(2)固结体质量轻我们拿到一块高喷体块在手上,感觉比较轻手。因含有一定数量气泡,因此固结体的质量较轻,轻于或接近原状土的密度(10%)。粘性地层固结体轻,比原状土轻10%,砂类地层固结体比原状土重10%,但比混凝土块比较轻很多。(3)透气、透水性差固结体内虽有一定孔隙,但这些孔隙并不贯通,为封闭型,而且固结体有一层较致密的硬壳,一般现场挖开可见到,其渗透系数达10-6cms或更小,具有较好的防渗性能,在水利
13、工程中主要利用这一性状。(4)固结体强度高砂类土高喷体抗压强度410MPa,粘性土高喷体抗压24MPa。在地基处理中常用,抗压强度主要用于建筑业。三、施工方法(一)、施工机械设备高压喷射灌浆的设备由造孔系统、供水系统、供气系统、制浆系统、供浆系统和喷射系统组成。因喷射种类不同,所使用的设备种类和数量均不同,主要包括高喷台车、高压水(浆)泵(其中一种高压水泵可以压水不能压浆,一种是高压浆泵可以压浆也可以压水)、成孔钻机、泥浆泵、空压机、泥浆搅拌机、喷射管(含喷嘴总成即喷头)、高压管等。1、造孔系统造孔系统由钻机、泥浆泵组成,主要能形成高喷灌浆孔,钻机是多种多样的。钻机一般采用回转钻机,钻孔直径1
14、30150mm。一般使用液压100型,泥浆泵是用于输送水泥浆液的主要设备,由于水泥浆液是颗粒状的,对设备的密封系统和缸体有一定磨损,造成吸入和排出的浆液不稳定,造成流量的下降,要经常对其进行保养和维修。目前使用最多BW150型泥浆泵,动力7.5kw。2、供水系统供水系统由高压水泵、压力表、高压截止阀、高压管和供水泵等组成。高压水泵是高喷灌浆的关键设备,要求压力和流量稳定并能在一定的范围内调节。高压喷灌的设计压力3540MPa,流量7080 Lmin,要求其额定压力应不小于设计规定压力的1.2倍(规范)。目前使用S2系列高压泵(聚能)动力75kw,流量80L压力53MPa.高压截止阀用于调节工作
15、压力,排泄高压水,高压管采用多层钢丝缠绕胶管,工作压力6080MPa。3、供气系统供气系统由空压机、流量计、输气管组成。一般使用VF67空压力,动力37 kwh,流量6m3min,压力0.7MPa,现在有些施工是达不到设计要求的。4、制浆系统制浆系统主要设备由上料机、浆液搅拌机、浆液贮藏浆桶。5、喷射系统喷射系统是高喷灌浆的中心工作系统,设备很关键,由垂直高架台(高度达到16-18米,注意现场高压线路)、卷扬机、旋摆机、喷射管、喷嘴组成。喷射管上下移动是通过卷扬机实现,要求是无级调速,并且卷扬机有一定的提升能力(1.5T)。旋摆机使喷射管以旋、摆、定三种喷射形式工作。(二)、施工方法高压喷射灌
16、浆在施工前必须做好以下准备工作:1、熟悉高喷工程的设计文件和图纸及有关资料、要求、并编写施工组织设计。包括:工程概况,主要施工项目及要求;高喷灌浆控制标准及施工注意事项;施工现场平面布置并作图示;工程量及施工进度计划;主要机械及用水用电、备料等计划;其中用电总动力达至130150KVA,只是高喷灌浆施工部分,钻孔部分另计。人力资源配置;质量保证体系,质量检验及工程验收。2、根据施工平面图要求安装、调试好进场设备,开挖施工槽、排水沟、泥浆沉淀池,复核高喷墙轴线的桩粒和标高。3、很关键的一点,正式施工前必须高喷试验,确定正式的技术参数(编写高喷灌浆试验报告)。高喷灌浆常用参数见技术规范(DLT52
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