04关于高喷灌浆施工应用大排量大压力高喷泵的思考-(党玉辉杨建)--施工技术杂志-已发表09年上半年

关于高喷灌浆施工应用大排量大压力高喷泵的思考【摘要】高压喷射灌浆技术被广泛应用于水利水电工程围堰防渗、桩基施工。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。本文是作者根据长期施工经验，就目前国内高喷灌浆施工现状提出的关于高喷泵、高喷灌浆参数的思考。【关键词】高喷泵；喷射压力；喷嘴直径；喷射流量；提升速度1引言高压喷射灌浆，就是利用高压灌浆泵将浆液或水以一定的流量、高的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的重新排列。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，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。2为什么要使用大流量、大压力高喷泵使用大流量、大压力高喷泵可以达到以下施工效果：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，从而更好的保证质量；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；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，即可更好的保证质量，又可加大喷具提升速，提高工效、降低成本。3意大利土力公司高喷泵情况意大利土力公司是著名的土木工程施工、土木工程设备制造公司，其制造的高喷泵以其功能强大、质量稳定著称。其高喷泵性能参数见表3-1。从表3-1中可看出，土力公司的高喷泵有以下特点：输出压力大，压力范围：29.5MPa～90.0MPa；输出流量大，流量范围：236L/min～1021L/min。表3-1型号最大输出力（Mpa）最大输出流量（L/min）标称功率（kw）重量（kg）驱动型式5T-320502362614200柴油机7T-450.161.76483176000柴油机7T-450.229.510213176000柴油机7T-500J90.0600400柴油机7T-60060.064444710700柴油机7T-600J80.0720423柴油机三峡工程曾使用该公司5T-320型高喷泵进行断层高喷处理，现场反应效果很好。4关于水利水电规范对高喷参数的要求的思考：规范对单管、双管法高喷压力、喷嘴直径、流量作了规定，见表4-1。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φ2.0mm～φ3.2mm，射流压力25Mpa～40Mpa，射流流量70L/min～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φ2.0mm～φ3.2mm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。这就难以很好的保证质量，特别是遇到复杂地层，问题更突出。笔者及笔者单位在广西长洲水利枢纽围堰高喷防渗、甘肃银川乌金峡电站导流明渠围堰高喷防渗、四川康定长河坝电站导流洞围堰高喷防渗、四川柳坪电站厂房基础旋喷桩、四川苍溪亭子口电站船闸围堰高喷防渗、四川桐子林电站导流明渠围堰高喷防渗等等工程施工中即遇到此类问题。造成这一问题的原因主要就是国内现在生产的高喷泵性能较弱，满足不了规范要求。5高喷施工技术对高喷泵要求的个人认识5．1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：泵上控制压力：35～40Mpa；浆液流量：70～80L/min；提升速度：6～12cm/min；电动机功率：90kg（国内生产厂家现有配置）。表4-1项目单管法双管法三管法水压力Mpa35～40流量L/min70～80喷嘴数量个2喷嘴直径mm1.7～1.9气压力Mpa0.6-0.80.6～0.8流量m3/min0.8-1.20.8～1.2气嘴数量个2或12环状间隙mm1.0-1.51.0～1.5浆压力Mpa25-4025-400.2～1.0流量L/min70-10070-10060～80密度g/m31.4-1.51.4-1.51.5～1.7喷嘴直径mm2.0-3.22.0-3.26～12浆嘴个数个2或12或12回浆密度g/m3≥1.3≥1.3≥1.2提升速度υacm/min粉土层10-20沙土层10-25砾石层8-15卵（碎）石层5-10旋喷转速r/min（0.8-1.0）υ摆喷摆速b次/min（0.8-1.0）υ摆角粉土、砂土150-300砾石、卵、碎石300-900a对于振孔高喷，提升速度可为表列数据的2倍b单程为一次5．2作者认为以上参数取值小了，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。5．3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：泵上控制压力：40～55Mpa；浆液流量：80～200L/min；喷嘴直径：2.0～2.6mm；喷嘴数量：2个；提升速度：8～35cm/min；广泛使用二管法高喷；电动机功率：150KW/台左右为好（由厂家最后确定）。以上参数适用于何种地层，或者在不同的工程项目选取怎样的参数配比才是最优，还应以现场试验进行验证。6射流流量、喷嘴直径、射流压力、射流破坏力相互影响关系试析利用流体力学的知识，对射流流量、喷嘴直径、射流压力、射流破坏力进行分析计算，可清晰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、指导高喷泵、喷嘴等的选用具有较大意义。6.1选用流体力学公式6.1.1根据流体力学的有关公式，可推导出高压水射流流量公式：（6-1）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（9.81m/s2）；p――喷嘴入口压力（Pa）；γ――水的重度，N/m3。6.1.2高压射流破坏力可用下式表示：（6-2）g2AQ0F=ρQυm式中：F—破坏力（N）；ρ—射流密度（kg/m3）；Q—流量流量（m3/s）；υm—喷射流的平均速度（m/s）；6.2计算分析按以上公式，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，得出结果见下表6-1。分析表6-1“压力、流量、破坏力”，可看出：当喷嘴直径发生变化时，使用不同的或使用相同的高喷压力（喷嘴入口处压力），喷射流流量的变化、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，是一个关键的方面。因为，高喷压力选定了后，决定喷射流流量的关键是喷嘴直径，喷射流量的大小此时主要决定了射流的能量大小，也即决定着射流对土体的切割、破坏能力的大小。6.2.1喷嘴直径最小取值情况使用直径φ1.7mm的喷嘴，高喷压力为40Mpa时，喷射流量为70L/min，喷射流对地层的破坏力为：318KN；使用直径φ1.7mm的喷嘴，高喷压力为55Mpa时，喷射流量为82L/min，喷射流对地层的破坏力为：438KN；6.2.2喷嘴直径增大取值情况使用直径φ2.6mm的喷嘴，高喷压力为40Mpa时，喷射流量为164L/min，喷射流对地层的破坏力为：745KN；使用直径φ2.6mm的喷嘴，高喷压力为55Mpa时，喷射流量为193L/min，喷射流对地层的破坏力为：1038KN；6.2.3射流流量、射流压力变化趋势分析压力、流量、破坏力表6-1序号水嘴直径（mm）压力、流量、破坏力一二三四压力（Mpa）流量（L/min）破坏力（KN）压力（Mpa）流量（L/min）破坏力（KN）压力（Mpa）流量（L/min）破坏力（KN）压力（Mpa）流量（L/min）破坏力（KN）11.7407031845743585078398558243821.8407935745834015088446559249132.0409744145103496501085515511460642.24011853345125600501326665513873352.44014063445149714501577935516487262.640164745451748385018493155193103892.84019186345202971502131079552241187103.0402199914523211155024412395525613636.2.3.1当水嘴直径不变，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。如，水嘴直径为φ1.7mm时，流量、射流对地层的破坏力的增率及增率递减率见下表6-2、表6-3：表6-2流量增加率水嘴直径φ1.7压力（Mpa）40455055流量（L/min）70747882增加率（%）05.75.45.1增量递减率（%）0.30.3表6-3射流能量增加率水嘴直径φ1.7压力（Mpa）40455055破坏力（KN）318358398438增加率（%）012.611.210.1增量递减率（%）1.41.1分析6-2，6-3表，可看出，在水嘴直径取值不变的情况下，希望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是一件较困难的事，目前国内生产大压力的高喷泵仍是一件没有解决好的事情；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。6.2.3.2当高喷泵输出压力达到一定大时（没必要追求过高压力的高喷泵，否则泵的尺寸过大；动力过大，增加现场电力供应困难；增加制造困难；影响配件寿命；价格过高等），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。见表6-4。试选喷射压力（喷嘴入口处压力）为5Mpa，随喷嘴直径取值的变化，流量、射流对地层的破坏力发生较大变化。表6-4流量、破坏力变化压力：50Mpa喷嘴直径（mm）1.71.82.02.22.42.62.83.0流量（L/min）7888108132157184213244破坏力（KN）39844655166679393110791239分析表6-4可得出以下结论：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40MPa～55MP为宜；使用直径大些的喷嘴，以直径φ2.0mm～2.6mm为宜；广泛使用两管法（以上分析即基于两管法，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。6.2.3.3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，在保证单位延米总的喷入量的同时，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。6.2.3.4以上利用流体力学的公式进行了简单的试析，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。结语高喷施工，必须使用大压力、大排量的高喷泵，质量才能有更好的保证，才能更好的节约成本。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，取值嫌小；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：《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范》---DL/T5200--2004；《高压喷射注浆法处理地基》—徐至钧主编