CN115629089A - 土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法及设备 - Google Patents

土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法及设备。定位装置确定第一探测孔位置和深度，并进行钻孔、安放限位套管；使用探测装置进行1次透射探测和多次反射探测，确定大坝渗漏的异常区域和漏水来向，并确定新的探测孔位置和孔底高程；对新的探测孔进行定位、钻孔和探测，以此递推，直至定位的探测孔达到或超出土石坝防渗结构；利用探测孔作为注浆孔对渗漏进行修复，由于探测孔与渗漏路径连通，灌注浆液可准确流进渗漏通道。采用上述的一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法及设备，通过逐步定位、钻孔和探测，实现渗漏区域的精细探测和渗漏路径的准确定位，并利用探测孔作为注浆孔实现靶向修复，一举两得。

Description

土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法及设备
技术领域
本发明涉及土石坝渗漏定位与修复技术领域，尤其是涉及一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法及设备。
背景技术
坝肩是大坝两岸放置坝体及其邻近受力部位的坝基，坝肩渗漏是土石坝既多发又特殊的病害。水库大坝多建于山区，坝体两侧一般为高山岩体，坝肩渗漏水来源可能为上游库水，也可能来自于山体内渗水。受场地条件限制，坝肩探测条件较为狭窄，常用于探测渗漏的电法、微动法等测线形式布置的物探方法，在坝肩部位测线延伸难度较大，且测线的端部往往存在探测盲区。示踪法仅能探明渗漏通道前后连通情况，无法对渗漏路径进行精准定位。地球物理测井能够对深部局部区域进行精细化探测，但大坝坝肩区域较大，若直接采用地球物理测井盲探，则较为费时费力，孔位有效利用率较低。因此，当前对坝肩渗漏区域探测较为困难，无法精准定位渗漏区域和明确渗水路径，导致修复目标难以锁定，降低了修复效果和效率。
发明内容
为解决上述技术不足，本发明提供了一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法，具体步骤如下：
步骤S1：调查坝肩渗漏出逸区域，通过定位装置获取坝肩渗漏出逸区域的坐标数据，从而确定探测孔的位置和深度，钻孔并在钻好的探测孔内放置限位套管；
步骤S2：启动探测装置，向限位套管内下放电磁波收发一体式探头，在探测孔进行1次透射探测和多次定向反射探测；
步骤S3：根据接收到的电磁波数据确定大坝渗漏的异常区域，确定异常区域距离探测孔的距离和底高程；
步骤S4：根据异常区域距离探测孔的距离和底高程确定新的探测孔的位置和底高程，钻孔并在钻好的新的探测孔内放置限位套管；
步骤S5：使用探测装置进行探测试验：
利用新的探测孔和探测孔进行1次透射探测，探测两孔之间的坝体；
利用新的探测孔和电磁波收发一体式探头进行不同方向的反射探测，探测渗漏来水路径，确定最新探测孔位置；
步骤S6：重复步骤S4和S5，直至最新探测孔的孔位达到或超出土石坝防渗结构(如，面板坝防渗结构为上游面板，土石坝防渗结构为坝体或坝体内的心墙)，定位坝肩渗漏路径；
步骤S7：将探测孔内的限位套管取出，从最后一个探测孔开始倒序灌注封堵浆液，将所有探测孔封孔，渗漏修复结束。
优选的，在步骤S1中，通过定位装置获取渗漏区域的空间绝对坐标，将渗漏区域中间位置的水平坐标换算为大坝的里程桩号，将渗漏区域的竖坐标换算为渗漏区域的底高程a，在坝顶定位里程桩号，并在里程桩号临近下游侧区域钻第一探测孔，钻孔深度达到底高程a以下5-10m位置；
在步骤S4中，根据异常区域距离第一探测孔的距离换算为异常区域的桩号，并在该桩号对应的位置钻新的探测孔；根据异常区域的底高程b确定钻孔深度为底高程b以下5-10m位置。
优选的，放置限位套管时确保限位套管内侧的凹槽至少一对垂直于坝轴线，电磁波收发一体式探头两侧的滑轮设置在垂直于坝轴线的凹槽内。
优选的，透射探测具体为：
当探测孔为第一探测孔时，第一探测孔内和坝坡上的电磁波收发一体式探头组合；当有两个以上的探测孔时，两个探测孔内的电磁波收发一体式探头组合。两个电磁波收发一体式探头对直线距离内的坝体做透射检测，进行详查，得到渗漏区域内渗漏通道的连通情况。
透射检测时，两孔间的探头探测方式可以是同步对测，即两孔中的探头处于同一水平位置同步上下移动；也可以是网格化探测，既使一个探头固定，另一个探头匀速或等间距提升，然后固定探头移动一定距离后再固定，另一探头重复进行匀速或等间距提升，以此类推。对于接收的透射波，根据透射波的初至时间和振幅推测两孔间坝体情况，对于存在渗漏区域的部位，初至时间变长，振幅减弱。
反射探测具体为：
利用限位套管和电磁波收发一体式探头的信号窗口实现定向探测：通过将电磁波收发一体式探头上的滑轮卡入限位套管的不同的凹槽，使信号窗口朝向不同方向，实现对不同方向的定向探测，获得不同方向的反射回波。当信号波列图中表现为相位反向、振幅增强以及波长变长等特征时，在信号伪彩图中表现为局部出现条带状或团状颜色较深的区域，工控机内嵌图像自动识别软件，通过图像特征识别，自动识别出包含上诉特征的区域，并进行标注报警，通过计算与该异常区域的距离和深度，确定渗漏来水路径和下一个钻孔点位置和深度。
渗漏异常的判别准则是反射回波出现能量增强且相位反向等：距离x(单位m)取值为双层走时t(单位ns)与电磁波波速v(单位m/ns)乘积的一半取值,既
Figure BDA0003938260880000031
电磁波波速通过坝料取样确定相对介电参数ε，
Figure BDA0003938260880000032
当多个定向反射探测结果均存在渗漏异常时，若多个异常的探测方向相邻，则取中间的方向的确定下一孔位(渗漏区域较大且连通)；若多个异常探测的方向不相邻(坝体内部形成了多个渗漏通道分支)，则分别对各个异常方向进行钻孔，并同步进行下一步探测。
优选的，在步骤S7中，最后一个探测孔选用可迅速截渗的水泥型灌浆液，其他探测孔选用采用黏土型注浆液，并施加灌注压力，灌注压力一般控制在0.1Mpa-0.2Mpa；
具体灌浆步骤如下：
步骤S71：将探测孔内的限位套管向上移动，使得限位套管的底部位于渗漏区域的上部；
步骤S72：将灌浆管的出口端和封闭气囊放入到限位套管下端内部；
步骤S73：通过打压泵使得封闭气囊膨胀紧贴限位套管壁，使得渗漏区域与限位套管之间密闭；
步骤S74：将浆液加入浆液舱内，通过加压舱对浆液加压，使其通过灌浆管流出，并逐步提高限位套管和灌浆管，逐步填充坝体渗漏区域，实现压力灌浆。
一种基于上述土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法的设备，包括，
用于获取渗漏区域空间绝对坐标的定位装置；
用于钻探测孔的钻孔装置；
设置于探测孔内的限位套管；
用于进行透射和反射探测的探测装置；
以及用于修复的灌浆装置。
优选的，所述探测装置包括工控机、自动绞车、连接线以及电磁波收发一体式探头，所述连接线绕设在自动绞车上并与所述电磁波收发一体式探头相连接，所述电磁波收发一体式探头和自动绞车均与所述工控机电连接。
优选的，所述电磁波收发一体式探头包括圆柱形外壳、电磁波接收器和电磁波发射器，所述电磁波接收器和所述电磁波发射器均设置在圆柱形外壳内，圆柱形外壳的圆周侧铰接有对称设置的连接杆，所述连接杆连接有连接弹簧，且所述连接弹簧与圆柱形外壳相连接，所述连接杆的外侧设置有滑轮，所述限位套管内侧开设有若干对凹槽，所述滑轮使用时设置在凹槽内，且所述限位套管内径大于所述圆柱形外壳的外径。
优选的，所述自动绞车包括线盘、驱动模块和计距器，连接线绕设在线盘上，驱动模块用于驱动使线盘转动，计距器检测线盘转动圈数并转换为线长度，驱动模块和计距器均与工控机电连接。
优选的，所述灌浆装置包括浆液舱、加压舱、灌浆管以及封闭气囊和打压泵，所述打压泵与所述封闭气囊相连接，所述封闭气囊设置在灌浆管出口端，所述灌浆管与所述浆液舱相连接。
因此，本发明采用上述一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法及设备，通过逐步定位钻孔和探测，精准定位渗漏通道的路径，并利用探测孔作为注浆孔对渗漏进行修复，一举两得。由于探测孔与渗漏路径连通，灌注浆液可准确流进渗漏通道，实现靶向修复。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法流程图；
图2为本发明实施例土石坝钻孔示意图；
图3为本发明探测装置结构图；
图4为本发明限位套管结构示意图；
图5为灌浆装置结构示意图。
附图标记
1、工控机；2、自动绞车；3、连接线；4、电磁波收发一体式探头；41、滑轮；42、连接杆；43、连接弹簧；5、限位套管；51、凹槽；6、灌浆装置；61、灌浆管；62、封闭气囊；63、打压管。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复设备，包括：
用于获取渗漏区域空间绝对坐标的定位装置，本实施例选用品牌为中海达的RTKV3型号产品，能够通过卫星获取三维定位坐标。
用于钻探测孔的钻孔装置，选用常规自动钻孔机具，钻孔深度能够达到100m，钻孔垂直度误差＜1％。
设置于探测孔内的限位套管，限位套管为定制型ABS管，其壁厚5mm，内设12个凹槽，抗水压力≥1.0MPa。
用于进行透射和反射探测的探测装置，探测装置包括工控机、自动绞车、连接线以及电磁波收发一体式探头。连接线为同轴电缆且绕设在自动绞车上并与电磁波收发一体式探头相连接，电磁波收发一体式探头内置有发射频率为50kHz的电磁波接收器与电磁波发射器，电磁波收发一体式探头外为圆柱形外壳，限位套管内径大于所述圆柱形外壳的外径。圆柱形外壳内部留有90°的窗口，其余为屏蔽材料包裹，圆柱形外壳两侧各铰接一个连接杆，连接杆一端连接有滑轮，滑轮材质为聚四氟乙烯，滑轮厚度为0.9倍的凹槽宽度，连接杆1/3杆长部位与连接弹簧一端连接，连接弹簧另一端连接圆柱形外壳，连接弹簧为压缩弹簧。使用时，两侧滑轮沿限位套管凹槽下滑，连接弹簧使其贴紧限位套管内壁，电磁波收发一体式探头外部设置屏蔽材料，仅留有角度为90°的信号窗口。电磁波收发一体式探头和自动绞车均与工控机电连接，用于收发信号和控制自动绞车动作，工控机为东田工控机，内置数据采集分析软件，用于将采集的数据进行分析。自动绞车包括线盘、驱动模块和计距器，连接线绕设在线盘上，驱动模块用于驱动使线盘转动，计距器检测线盘转动圈数并转换为线长度，驱动模块和计距器均与工控机电连接。
用于修复的灌浆装置，可进行压力灌浆，灌浆装置包括浆液舱、加压舱、灌浆管61以及封闭气囊62和打压泵，打压泵通过打压管63与封闭气囊62相连接，封闭气囊62设置在灌浆管61出口端，灌浆管61与浆液舱相连接。
本实施例具体展开说明土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法。
背景：某坝为土石坝，坝高60m，坝顶桩号为K0+000～K0+200，坝顶高程为2460m，坝体两侧为山体。经调查，坝体背水面与山体接触部位出现渗漏，流量约为20L/s，现采用本发明方法进行探测和修复。
步骤S1：确定坝肩渗漏出逸区域，通过定位装置获取坝肩渗漏出逸区域的坐标数据，确定探测孔位置和深度，钻孔并在钻好的孔内放置限位套管。即经现场调查，使用RTK获取渗漏出逸区域中心位置坐标，其渗漏区域中间位置换算出该位置对应的大坝里程桩号为K0+178，渗漏区域底高程为2402m。在坝顶定位桩号K0+178，并在该位置靠近下游的区域使用钻孔装置钻孔(孔号A)，钻孔深度至高程2395m。向孔内放置限位套管，放置限位套管时确保限位套管内侧的至少一对凹槽垂直于坝轴线，电磁波收发一体式探头两侧的滑轮设置在垂直于坝轴线的凹槽内。
步骤S2：启动探测装置，向限位套管内下放电磁波收发一体式探头，在探测孔进行1次透射探测和多次反射探测。
1次透射探测：将1组电磁波收发一体式探头沿渗漏区域正上方的坝坡移动，与套管内的电磁波收发一体式探头组合，从而对两探头直线距离内的坝体做透射CT，目的是探测该区域内渗漏通道的连通情况。
多次反射探测：利用孔A内电磁波收发一体式探头进行不同方向探测，借助限位套管对坝体做定向探测，目的是确定渗漏来水路径，确定下一个钻孔点。
步骤S3：根据接收到的电磁波数据确定大坝渗漏的异常区域，确定异常区域距离探测孔的距离和底高程。即分析探测信号，根据接收到的电磁波的到时和幅值确定大坝渗漏的异常区域。根据1次透射CT结果，在坝坡与孔A之间，高程2400m～2420m区间波速变慢，存在典型的富水区域信号响应。根据不同方向探测结果，与坝轴线成30°角且朝向上游的方向，高程2425m～2428m区间存在异常信号，水平距离约为16m。
步骤S4：根据异常区域距离探测孔的距离和底高程确定新的探测孔的位置和底高程，钻孔并在钻好的孔内放置限位套管。由反射信号得出异常区域的桩号为K0+186，在该位置进行钻孔(孔B)，钻孔底部高程为2435m，成孔后向孔B内放入限位套管。
步骤S5：启动探测装置，进行探测并确定新的探测孔的位置(孔C)。
在孔A和孔B进行1次透射，在孔B进行多次反射探测。利用孔A和孔B，对两孔之间的坝体进行钻孔CT；利用孔B内电磁波收发一体式探头进行不同方向探测，探测渗漏来水路径。通过不同方向探测发现，与坝轴线成60°角且朝向上游的方向，底高程2426m～2430m区间存在异常信号，水平距离约为20m。
得出异常区域的桩号为K0+196，在该位置进行钻孔，孔号C的钻孔底部高程为2420m。成孔后向孔C内放入限位套管。
步骤S6：启动探测***，在孔B和孔C进行1次透射，在孔C进行多次反射探测。利用孔B和孔C，对两孔之间的坝体进行钻孔CT；利用孔C内电磁波收发一体式探头进行不同方向探测，探测渗漏来水路径。
通过不同方向探测发现，与坝轴线垂直且朝向上游的方向，高程2429m～2435m区间存在异常信号，水平距离约为5m。
得出异常区域的桩号为K0+196，在该位置进行钻孔，孔号D，钻孔底部高程为2425m。
利用孔D进行多次反射探测，通过不同方向探测发现，与坝轴线成30°角且朝向上游的方向，高程2433m～2438区间存在异常信号，水平距离约为8m。该部位位于坝体与山体交界区域。
通过以上步骤，探明了渗漏路径为(桩号K0+200，高程2433～2438)→(桩号K0+196，高程2429～2435)→(桩号K0+186，高程2425～2428)→(桩号K0+178，高程2402)。
步骤S7：利用各钻孔开始渗漏路径靶向修复工作。将限位套管拔出，孔D内注入速凝水泥浆液，选用低流动性能、速凝、早强的水泥型灌浆液，其目的是迅速截渗。考虑渗漏量较大，在孔C与孔D，孔C与孔B之间补充钻孔，向内灌注粘土浆液，并施加一定的灌注压力，其目的是将渗漏通道、渗漏裂隙及周边不密实区域填充密实。灌注压力为0.1Mpa。
具体灌浆步骤如下：
步骤S71：将探测孔内的限位套管向上移动，使得限位套管的底部位于渗漏区域的上部；
步骤S72：将灌浆管的出口端和封闭气囊放入到限位套管下端内部。
步骤S73：通过打压泵使得封闭气囊膨胀紧贴限位套管壁，使得渗漏区域与限位套管之间密闭。
步骤S74：将浆液加入浆液舱内，通过加压舱对浆液加压，使其通过灌浆管流出，并逐步提高限位套管和灌浆管，填充坝体渗漏区域，实现压力灌浆。
最后将所有钻孔封孔，渗漏修复结束。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：调查坝肩渗漏出逸区域，通过定位装置获取坝肩渗漏出逸区域的坐标数据，从而确定探测孔的位置和深度，钻孔并在钻好的探测孔内放置限位套管；
步骤S2：启动探测装置，向限位套管内下放电磁波收发一体式探头，在探测孔进行1次透射探测和多次定向反射探测；
步骤S3：根据接收到的电磁波数据确定大坝渗漏的异常区域，确定异常区域距离探测孔的距离和底高程；
步骤S4：根据异常区域距离探测孔的距离和底高程确定新的探测孔的位置和底高程，钻孔并在钻好的新的探测孔内放置限位套管；
步骤S5：使用探测装置进行探测试验：
利用新的探测孔和探测孔进行1次透射探测，探测两孔之间的坝体；
利用新的探测孔和电磁波收发一体式探头进行不同方向的反射探测，探测渗漏来水路径，确定最新探测孔位置；
步骤S6：重复步骤S4和S5，直至最新探测孔的孔位达到或超出土石坝防渗结构，定位坝肩渗漏路径；
步骤S7：将探测孔内的限位套管取出，从最后一个探测孔开始倒序灌注封堵浆液，将所有探测孔封孔，渗漏修复结束。
2.根据权利要求1所述的一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法，其特征在于：在步骤S1中，通过定位装置获取渗漏区域空间的绝对坐标，将渗漏区域中间位置的水平坐标换算为大坝的里程桩号，将渗漏区域的竖坐标换算为渗漏区域的底高程a，在坝顶定位里程桩号，并在里程桩号临近下游侧区域钻第一探测孔，钻孔深度达到底高程a以下5-10m位置；
在步骤S4中，根据异常区域距离第一探测孔的距离换算为异常区域的桩号，并在该桩号对应的位置钻新的探测孔；根据异常区域的底高程为底高程b确定钻孔深度，底高程b以下5-10m位置。
3.根据权利要求1所述的一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法，其特征在于：放置限位套管时确保限位套管的凹槽至少一对垂直于坝轴线，电磁波收发一体式探头两侧的滑轮设置在垂直于坝轴线的凹槽内。
4.根据权利要求1所述的一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法，其特征在于：
透射探测具体为：
当探测孔为第一探测孔时，第一探测孔内和坝坡上的电磁波收发一体式探头组合；当有两个以上的探测孔时，两个探测孔内的电磁波收发一体式探头组合，两个电磁波收发一体式探头对直线距离内的坝体做透射检测，得到渗漏区域内渗漏通道的连通情况；
反射探测具体为：
利用限位套管和电磁波收发一体式探头的信号窗口实现定向探测：通过将电磁波收发一体式探头上的滑轮卡入限位套管的凹槽内，使信号窗口朝向固定方向，获得固定方向的反射回波，多次反射探测，将电磁波收发一体式探头上的滑轮卡入不同方向的凹槽内，实现对不同方向的定向探测，当信号波列图中表现为相位反向、振幅增强以及波长变长等特征时，在信号伪彩图中表现为局部出现条带状或团状颜色较深的区域，工控机内嵌图像自动识别软件，通过图像特征识别，自动识别出包含上诉特征的区域，并进行标注报警，通过计算与该异常区域的距离和深度，确定渗漏来水路径和下一个钻孔点位置和深度。
5.根据权利要求1所述的一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法，其特征在于：在步骤S7中，最后一个探测孔选用可迅速截渗的水泥型灌浆液，其他探测孔采用黏土型注浆液，并施加灌注压力，灌注压力一般控制在0.1Mpa-0.2Mpa；
具体灌浆步骤如下：
步骤S71：将探测孔内的限位套管向上移动，使得限位套管的底部位于渗漏区域的上部；
步骤S72：将灌浆管的出口端和封闭气囊放入到限位套管下端内部；
步骤S73：通过打压泵使得封闭气囊膨胀紧贴限位套管壁，使得渗漏区域与限位套管之间密闭；
步骤S74：将浆液加入浆液舱内，通过加压舱对浆液加压，使其通过灌浆管流出，并逐步提高限位套管和灌浆管，以逐步填充坝体渗漏区域，实现压力灌浆。
6.一种基于上述权利要求1-5任意一项的土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复方法的设备，其特征在于：包括，
用于获取渗漏区域空间绝对坐标的定位装置；
用于钻探测孔的钻孔装置；
设置于探测孔内的限位套管；
用于进行透射和反射探测的探测装置；
以及用于修复的灌浆装置。
7.根据权利要求6所述的一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复设备，其特征在于：所述探测装置包括工控机、自动绞车、连接线以及电磁波收发一体式探头，所述连接线绕设在自动绞车上并与所述电磁波收发一体式探头相连接，所述电磁波收发一体式探头和自动绞车均与所述工控机电连接。
8.根据权利要求7所述的一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复设备，其特征在于：所述电磁波收发一体式探头包括圆柱形外壳、电磁波接收器和电磁波发射器，所述电磁波接收器和所述电磁波发射器均设置在圆柱形外壳内，圆柱形外壳的圆周侧铰接有对称设置的连接杆，所述连接杆连接有连接弹簧，且所述连接弹簧与圆柱形外壳相连接，所述连接杆的外侧设置有滑轮，所述限位套管内侧开设有若干对凹槽，所述滑轮使用时设置在凹槽内，且所述限位套管内径大于所述圆柱形外壳的外径。
9.根据权利要求8所述的一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复设备，其特征在于：所述自动绞车包括线盘、驱动模块和计距器，连接线绕设在线盘上，驱动模块用于驱动使线盘转动，计距器检测线盘转动圈数并转换为线长度，驱动模块和计距器均与工控机电连接。
10.根据权利要求9所述的一种土石坝坝肩渗漏精准定位与靶向修复设备，其特征在于：所述灌浆装置包括浆液舱、加压舱、灌浆管以及封闭气囊和打压泵，所述打压泵与所述封闭气囊相连接，所述封闭气囊设置在灌浆管出口端，所述灌浆管与所述浆液舱相连接。
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