10.7. Плотины с завесами возводимыми методом струйной цементации

Наряду с технологиями возведения противофильтрационных завес в плотинах методом цементации, методом «стенка в грунте», в последнее время развивается технология возведения таких завес методом струйной цементации. Метод струйной технологии заключается в использовании высоконапорной струи, истекающей из сопла для разрыхления грунта вокруг скважины и смешения его подаваемым раствором.

Технология включает в себя следующие основные элементы (рис.10.7.1).

Рис. 10.7.1. Схема выполнения работ методом струйной цементации:

1) бурение скважины (прямой ход); 2) устройство в грунте квазицилиндрического элемента из грунтобетона (обратный ход); 3) устройство в грунте сопрягающихся колонн — «стены в фунте)

На начальном этапе осуществляется бурение скважины в грунте до проектной отметки прямым ходом буровой колонны. В скважину подается буровой раствор, который через открытый прямой клапан поступает в буровой наконечник для удаления шлама в процессе бурения. В качестве бурового раствора используется вода, бентонитовый или цементный раствор. В некоторых случаях в забой скважины вместо воды подают воздух, который создает «эрлифтный эффект» и способствует выносу мелких частиц на поверхность.

На следующем этапе осуществляется медленный подъем буровой колонны с одновременным вращением буровой штанги и подачей цементного раствора под высоким давлением через сопла малого диаметра. Выходя с большой скоростью из сопла струя разрушает структуру грунта вокруг скважины и смешивает его в натурных условиях с цементным раствором, создавая грунтоцементную смесь. Эта смесь со временем затвердевает и образует грунтоцементную сваю.

Располагая скважины через определенные расстояния и в определенном порядке, можно достичь соединения этих свай и получить сплошную грунтоцементную стенку, обладающую как повышенной прочностью, так и водонепроницаемостью. Такие пересекающиеся колонны могут располагаться в один и несколько рядов, образуя стенки различной толщины из секущихся свай (рис. 10.7.2.).

Рис. 10.7.2. Фрагменты противофильтрационных завес, выполненные методом струйной цементации; а) два ряда колоннн, б) панель (стенка)

Существует три разновидности метода в зависимости от числа компонентов, вводимых в грунте основания: однокомпонентный, двухкомпонентный и трехкомпонентный.

Однокомпонентный (обычно это водоцементный раствор) метод характеризуется размывом, перемешиванием и закреплением грунтов исключительно цементным раствором с созданием колонны диаметром от 0,6 до 1,2 м.

Двухкомпонентный (раствор + воздух или раствор + вода) метод отличается от однокомпонентного тем, что дополнительно подается воздух. Образующаяся при этом воздушная рубашка отделяет рабочую струю цементного раствора от грунтовой воды и пульпы и тем самым увеличивает радиус действия струи раствора. При этом диаметр колонны может достигать 1,8 м.

Трехкомпонентный метод (раствор+воздух+вода) еще больше увеличивает диаметр размыва до двух и более метров.

Комплект технологического оборудования, необходимый для производства струйной цементации при однокомпонентном методе включает: цементационный насос высокого давления, миксерную станцию, буровую установку, склады для хранения цемента. Для двухкомпонентного метода дополнительно необходим компрессор. Для трехкомпонентного метода – компрессор и второй насос для нагнетания цемента под давлением до 50 – 60 атм.

Буровая установка должна быть оснащена дополнительным устройством автоматизированного подъема буровой колонны с заданной скоростью. Это является основным требованием для гарантированного качества работ с устройством колонн без разрывов с постоянным диаметром и необходимым содержанием цемента в единице объема грунта. Время подъема инструмента зависит от типа грунта и интенсивности подачи инъекционного компонента и составляет обычно от 5 до 30 см/мин. Связные грунты, как правило, требуют больше времени для качественного смешивания породы с инъектируемым компонентом.

Комплект машины для струйной цементации оснащен компьютерной системой контроля основных элементов технологического процесса. Скорость вращения бурового снаряда и скорость подъема должны быть увязаны и обеспечивать эффективное смешивание грунтов основания и инъекционного раствора, и однородное распространение раствора в освобождаемом пространстве. При этом скорость вращения обычно колеблется в пределах 10-30 об/мин.

Существует еще так называемый метод ламинарной струйной цементации (рис. 10.7.3). При ламинарной струйной цементации монитор не вращается и струя размывает грунт в одном направлении, образуя «щели» в грунте, заполняемые раствором. Она может быть выполнена в двух вариантах – по сквозной и тупиковой схемам. В первом случае струя прорезает массив грунта между смежными, предварительно пробуренными скважинами, во втором – скважина служит для перемещения мониторной головки и излива пульпы.

Рис. 10.7.3. Сквозная (а) 1 тупиковая (б) схемы устройства противофильтрационных завес при ламинарной струйной цементации

Струйная цементация отличается от обычной цементации тремя основными особенностями: метод принципиально может применяться для большинства нескальных грунтов – от мягкой глины и песка до гравия; в результате грунт преобразуется в новый материал – грунтобетон, характеризующийся высокой прочностью, низкой способностью к деформациям и низкой водопроницаемостью; геометрические размеры и свойства грунтобетонных элементов могут обоснованно выбираться на стадии проектирования и экспериментально проверяться в процессе возведения сооружений.

Метод нашел применение для крупнозернистых грунтов, для плотных глинистых грунтов его применение имеет ряд проблем, а для скальных грунтов он еще не использовался.

В зарубежной практике гидротехнического строительства в последние 10-15 лет метод применялся как при строительстве новых грунтовых плотин, так и при ремонте уже построенных.

Одним из последних примеров применения струйной технологии является строительство противофильтрационной завесы на плотине Слаолонгди в Китае (рис. 10.7.4).

Рис. 10.7.4. Основной разрез плотины Сиаолонгди

1 - водонепроницаемое ядро; 2 - каменная засыпка; 3 – аллювий; 4 - скальные породы; 5 - ось плотины; 6 - ось верхней перемычки; 7 - грунтобетонная диафрагма, выполненная струйной технологией; 8 - бетонная диафрагма (выполнена ранее другим способом)

Некоторые другие примеры выполнения завес методом струйной цементации даны на рис. 10.7.5.

Рис. 10.7.5. Поперечные разрезы плотин, в которых противофильтрационные завесы выполнены методом струйной цементации:

Z - завесы, выполненные методом струйной цементации; Y - цементационная завеса в коренных подстилающих породах 1 - Бромбеч (Brombach), Германия; 2 - Форколетта (Forcoletta), Италия; 3 - Сосе (Sose), Германия; 4 - Тика (Thika), Кения; 5 - Кодбек (Codbeck), Великобритания; 6 - Эртан (Ertan). Китай