刍议高压喷射灌浆技术施工工艺

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摘要：高压喷射灌浆防渗浆技术于20世纪70年代首先由日本和瑞典分别提出，我国于20世纪80年代在堤坝、涵闸的防渗工程中应用推广并逐步发展。此项施工技术取得成功的关键在于使用合适的高喷泵及合理地使用喷射压力、喷嘴直径、喷射流量等参数。本文笔者结合某高喷泵及水利水电规范的高喷施工参数, 就高压喷射灌浆技术的应用进行了简要论述！仅供参考！

关键词：高压喷射灌浆水利水电施工参数喷射流量

0前言

高压喷射灌浆技术自20世纪70年代引进我国，后逐渐在各行业建筑领域推广，普遍应用于建筑物的地基加固，提高地基承载力，并且取得了令人满意的效果。高压喷射灌浆,就是利用高压灌浆泵将浆液或水以一定的流量、压力从喷嘴中喷射出来,冲击、切割、破坏土体,使土体与浆液搅拌混合,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,在土体中形成固结体,达到土体防渗或加固的作用。由此可看出,高压喷射灌浆必须要有大的灌浆压力和一定流量的高压射流,要达到此目的,关键是使用大流量、大压力的高喷灌浆泵。一般分为旋转喷射(简称旋喷)、定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)3种型式

使用大流量、大压力高喷泵可以达到以下施工效果:①在压力一定的情况下,大流量可提供大的切割力,用于处理较密实、颗粒较大的地层较为理想,从而更好地保证质量;②在流量一定的情况下,大压力可提供大的切割力,从而可调整高喷参数,如调整提升速度,提高工效,降低成本;③在一定地层条件下,使用大流量、大压力的高喷泵,可根据不同的地层情况,适当调节高喷参数,即可更好地保证质量,又可加大喷具提升速度、提高工效、降低成本。

1高喷泵施工参数

意大利土力公司的高喷泵以其功能强大、质量稳定著称,其性能参数如表1所示。

表1高喷泵施工参数

从表1可看出,该高喷泵有以下特点:①输出压力大，压力范围29. 5~90. 0MPa;②输出流量大，流量范围236~1 021L/min。

2水利水电规范对高喷参数要求

《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范》DL/T5200-2004对单管、双管、三管法高喷压力、喷嘴直径、流量作了规定,如表2所示。

表2规范对高喷参数要求

注:对于振孔高喷,提升速度可为表列数据的2倍;单程为1次

实际施工中,发现由于国内现有高喷泵的性能局限,难以达到规范要求,主要是规范规定的喷嘴直径与国内现有高喷泵的流量、压力参数匹配关系不好。

以两管法、双喷嘴配置讨论:规范规定喷嘴直径2.0~3. 2mm,射流压力25~40MPa,射流流量70~100L/min。实际施工时,使用国内厂家生产的高喷泵有一定困难。即射流流量在相对低的射流压力下,流量可达到要求;使用直径2. 0~3. 2mm的喷嘴,射流压力往往达不到压力上限要求,无法获得较大的射流压力。这就难以很好地保证质量,特别是遇到复杂地层,问题更突出。

3高喷施工技术对高喷泵要求

1)目前国内水电工程高喷施工主要技术参数大多控制在以下范围:①泵上控制压力: 35~40MPa;②浆液流量:70~80L/min;③提升速度:6~12cm/min;④电动机功率:90kW(国内生产厂家现有配置)。

2)笔者认为以上参数取值偏小,在设备制造、配件寿命、现场条件能满足高喷泵性能要求等的情况下,非常有必要加大技术参数取值。

3)根据国内生产厂家制造能力,考虑到工程对质量的要求以及现场电力布置,高喷参数宜取下值:①泵上控制压力35~55MPa;②浆液流量80~200L/min;③喷嘴直径2. 0~2. 6mm;④喷嘴2个;⑤提升速度8~35cm/min;⑥广泛使用双管法高喷;⑦电动机功率150kW /台左右为好(由厂家最后确定)。

以上参数适用地层、不同的工程项目选取的最优参数、配合比应以现场试验进行验证。

4高喷参数相互影响关系

利用流体力学知识,对射流流量、喷嘴直径、射流压力、射流破坏力进行分析计算,可得到以上参数在高喷技术中的相互关系。清晰了高喷参数的相互关系,对指导高喷施工,高喷泵、喷嘴等的选用具有较大意义。

4.1选用流体力学公式

1)根据流体力学的有关公式,可推导出高压水射流流量公式:

(1)

式中:Q―流量(m3/s);

A0―喷嘴出口面积(m3);

―喷嘴流速系数,良好的圆锥形喷嘴≈0.97;

μ―流量系数,圆锥形喷嘴μ≈0.95;

g―重力加速度,取9.81m/s2;

p―喷嘴入口压力(Pa);

γ―水的重度(N/m3)。

2)高压射流破坏力可用下式表示:

(2)

式中:F―破坏力(N);

ρ―射流密度(kg/m3);

Q―流量(m3/s);

υm―喷射流的平均速度(m/s)。

4.2计算分析

按式(1)、(2),对喷嘴直径、射流压力、射流流量、射流破坏力几个参数选值进行计算,得出结果如表3所示。由表3可看出:当喷嘴直径发生变化时,使用不同的或相同的高喷压力(喷嘴入口处压力),喷射流量的变化、喷射流对地层的破坏力也随之出现很大的差异;要想取得适合于不同地层的高喷参数,除了选取适宜的高喷压力(高喷压力由适宜的高喷泵提供)之外,喷嘴直径的取值是一个关键因素。因为,高喷压力选定后,决定喷射流量的关键是喷嘴直径,此时喷射流量主要决定射流的能量大小,也即决定着喷射流对土体的切割、破坏能力的大小。

表3压力、流量、破坏力关系

1)当喷嘴直径不变,高喷压力增加后,流量、射流对地层的破坏力随之增加,但增加幅度不大,且增加率呈递减趋势。喷嘴直径为1.7mm时,变化关系如表4、5所示。

表4流量增加率

表5射流能量增加率

分析表4、5可看出,在水嘴直径取值不变的情况下,单方面提高高喷压力,来获取较大的喷射流量从而获取较大的射流能量,不是一条好的路径。同时,大压力高喷泵的制造较困难,但如果有了大压力高喷泵,还使用较小直径的喷嘴,泵的性能发挥不出来,也是一种浪费。

2)当高喷泵输出压力达到一定值时改变喷嘴直径的取值,可获得不同的喷射流量,从而获得适用于不同地层的大的切割力、破坏力。因此,高喷施工应尽量使用大压力的高喷泵,但考虑到制造难度、现场电力配置,不必过分追求高压力,高喷泵输出压力40~55MPa为宜;使用直径大些的喷嘴,以直径2. 0~2. 6mm为宜;广泛使用双管法(以上分析即基于双管法,双喷嘴);国内生产厂家应与施工单位密切合作,生产出适合高喷技术发展方向的高喷泵,确保高喷质量。

3)大压力的高喷泵、合适的喷嘴直径可带来好的质量及好的经济效益。一方面在处理复杂地层如大颗粒含量较高的地层时,可通过调整喷嘴直径,使得高压喷射流具有高的切割破坏力,保证喷射效果;另一方面,在保证单位延米总喷入量的同时,提高喷具提升速度,可提高工效,节约成本。

如果使用带变频电机的高喷泵,通过调整电机转速,来调整泵压,使用就会更方便,适用性就更广泛。

4)以上利用流体力学公式进行了简单的分析,高喷泵的制造是复杂的,现场的实际情况也是复杂的,以上结论还需与生产厂家、现场情况相结合,通过试验验证,完善以上思考。

5结束语：

水利工程的高压喷射灌浆施工技术由于其特殊性，给施工质量控制工作带来一定的难度。高喷施工必须使用大压力、大排量的高喷泵,质量才能有更好的保证,才能更好地节约成本。国内水利水电工程目前使用的高喷参数由于受到国内现有设备的限制,取值较小;施工单位应与高喷泵生产厂家紧密联合,生产出大流量、大压力且配件质量过关的高喷泵,确保高喷施工质量,减低工程成本。

参考文献:

[1]水利部水利水电规划设计总院.DL/T5200-2004水利水电工程高压喷射灌浆技术规范[S].北京:中国电力出版社, 2004.

[2]徐重钧.高压喷射注浆法处理地基[M].北京:机械工业出版社, 2004.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。