高壩窄心墻劈裂灌漿的綜合控制措施

葉良茂，聶小紅，郭祥初，龔德新

（湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司，430061，武漢）

湖北省英山縣張家嘴水庫(kù)是一座總庫(kù)容1.104億m3的綜合利用大（2）型水庫(kù)。大壩為黏土窄心墻和風(fēng)化混合巖代料組成的土石壩，由于心墻質(zhì)量差，裂縫嚴(yán)重，壩基和壩肩存在嚴(yán)重滲漏及繞滲等隱患，壩后坡滲水點(diǎn)達(dá)20余處，多年來(lái)水庫(kù)一直處于控制運(yùn)行狀態(tài)。2003年8月至2005年5月采用劈裂灌漿對(duì)壩體進(jìn)行防滲處理，歷時(shí)1年9個(gè)月，2008年和2009年水位接近設(shè)計(jì)正常高水位，壩后滲水基本消失，防滲加固效果顯著。

一、灌漿設(shè)計(jì)及施工工藝

1.灌漿試驗(yàn)

為了取得高壩劈裂灌漿的有關(guān)技術(shù)參數(shù)，驗(yàn)證其效果，在正式灌漿前進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)，共布置了13個(gè)試驗(yàn)孔。試驗(yàn)內(nèi)容包括灌漿壓力、孔距、漿液材料、灌漿量以及工藝措施等，并進(jìn)行了壩體和表面觀測(cè)。

2.灌漿孔布置

劈裂灌漿孔采取雙排布置，排距0.5 m，主排孔布置在心墻軸線上，副排孔布置在心墻軸線上游0.5 m。主、副排孔孔距均為4.0 m，兩排孔相互錯(cuò)開，呈梅花形布置。每排孔分兩序施工，其中主排孔序號(hào)為一、二序，副排孔為三、四序，孔深均要求達(dá)到壩基或壩基混凝土墊層頂面。

3.壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算

①大壩整體穩(wěn)定性計(jì)算：選擇最大斷面（樁號(hào)0+225）。大壩心墻進(jìn)行劈裂灌漿時(shí)，確保安全的關(guān)鍵在于采取控制灌漿，可防止裂縫過(guò)大、造成大壩上下游兩塊整體產(chǎn)生滑動(dòng)。計(jì)算結(jié)果為，在孔口壓力為0.02 MPa條件下，上游和下游壩體整體滑動(dòng)安全系數(shù)分別為1.11和1.37。因此，心墻劈裂灌漿時(shí)，孔口壓力控制在0.02 MPa以內(nèi)，可以滿足施工期整體穩(wěn)定要求。

②壩坡穩(wěn)定性分析：計(jì)算時(shí)仍選擇在最大斷面，并假定心墻劈開，裂縫貫穿到壩基，裂縫充滿泥漿，泥漿滲透系數(shù)達(dá)1.0×10-6cm/s。計(jì)算結(jié)果表明，所有工況下最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置均出現(xiàn)在上部，滿足規(guī)范要求。

4.造孔方法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，心墻鉆孔采用干法造孔。鉆孔機(jī)械為XY-1型或XY-1A型地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。鉆孔時(shí)采取全程套管跟進(jìn)。為保證鉆孔的垂直度和防止孔口冒漿，在孔口埋設(shè)長(zhǎng)2 m左右的孔口套管?？變?nèi)上段套管下入深度為該孔心墻段深度的一半左右，下段套管直到基巖面或壩基混凝土墊層。

5.灌漿方法

①劈裂灌漿采用HB50/15型灌漿泵灌漿，分全孔灌注和分段灌注兩種方法。孔深小于30 m的采用全孔灌漿，孔深大于等于30 m的采用分段灌注。全孔灌注是將注漿管下入距孔底1 m左右，孔內(nèi)泥漿由孔底返向全孔，壩體內(nèi)小主應(yīng)力最小的部位首先被劈裂，然后裂縫隨漿流逐漸擴(kuò)展。每灌注1～2次達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后將注漿管向上提起3～4 m，如此反復(fù)灌注，直至灌漿結(jié)束。分段灌注通過(guò)套管隔離分段，先灌下段，上段用套管隔離，有利于減少壩面劈裂，做到“內(nèi)劈外不劈”；下段灌漿結(jié)束后，起拔上段套管繼續(xù)進(jìn)行灌注。

②灌漿方法為分序灌漿、孔底注漿；稀漿開路，濃漿灌注，少灌多復(fù)；控制漿量，控制壓力。

③一序孔復(fù)灌次數(shù)不少于8次，以后次序孔復(fù)灌次數(shù)不少于5次。每次灌漿的間隔時(shí)間不少于5天。由于本工程壩軸線較長(zhǎng)，每序孔的孔數(shù)較多，在復(fù)灌中相當(dāng)于各孔輪灌，有利于促使心墻定向劈裂，保證漿脈的連續(xù)性。

④當(dāng)漿液升到孔口，經(jīng)連續(xù)復(fù)灌三次不吃漿即認(rèn)為達(dá)到終灌標(biāo)準(zhǔn)，可以結(jié)束灌漿。灌漿結(jié)束后，采用濃泥漿封孔法，即用密度不小于1.6 g/cm3的濃漿注滿孔內(nèi)，停幾天后將孔內(nèi)上部析出的清水提出，再注入新泥漿，如此重復(fù)多次直至孔內(nèi)漿面與壩頂齊平并不再下降為止，然后用黏土封堵孔口并夯實(shí)。

二、灌漿綜合控制措施

1.灌漿壓力控制

劈裂灌漿壓力的大小關(guān)系到壩體安全和灌漿質(zhì)量，一般由理論計(jì)算和試驗(yàn)而定。根據(jù)灌漿試驗(yàn)資料，劈裂灌漿的孔口壓力為0.02～0.2 MPa，以此作為劈裂灌漿的控制壓力。在理論計(jì)算時(shí)，按被灌處的土柱壓力加土的單軸抗拉強(qiáng)度作為劈裂灌漿的控制壓力，與試驗(yàn)數(shù)值相近，有利于防止在灌漿時(shí)由于壓力過(guò)大產(chǎn)生的水平劈裂，確保壩體安全。具體實(shí)施時(shí)，根據(jù)孔深、灌漿次序、灌漿量等進(jìn)行調(diào)整，壩體上部按0.02～0.05 MPa控制，下部按0.1～0.2 MPa控制，灌漿時(shí)一旦孔口壓力超過(guò)此值即停灌，間隔數(shù)天后再?gòu)?fù)灌。

2.灌漿量控制

張家嘴水庫(kù)大壩屬于高壩窄心墻，灌漿量的控制采取“總量控制、分次定量灌注”的方法。一序孔的灌漿次數(shù)要求達(dá)到8～10次或更多，對(duì)每次的灌漿量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)資料，每孔平均灌入土量為450 kg/m，并按施工次序和灌漿次數(shù)進(jìn)行分配。如一、二、三、四序孔分別為總量的40%、20%、25%、15%。要求一序孔的灌漿次數(shù)不少于8次，其中前3次應(yīng)達(dá)到該序孔總灌入量的50%，即0.531 m3/m，折合干土360 kg/m；二序孔灌漿次數(shù)不少于5次，其中前2次應(yīng)達(dá)到該序孔總量的60%，即0.318 m3/m，折合干土216 kg/m；三、四序孔的灌漿次數(shù)均為5次，每次的灌漿量亦按總量控制，每次按比例分配。要求同序、同次、同孔深的灌漿量大致相同，以保持壩體濕陷同步。有的孔灌漿量偏大，則采取適當(dāng)增加灌漿次數(shù)和灌漿量以及延長(zhǎng)灌漿間隔時(shí)間等措施，保證了漿體的密實(shí)度。

3.橫向水平位移和壩面裂縫控制

（1）橫向水平位移控制

為保證壩坡穩(wěn)定和灌漿質(zhì)量，灌漿時(shí)對(duì)壩頂上、下游兩壩肩處橫向水平位移量加以限制。根據(jù)試驗(yàn)資料，一般控制在2 cm以內(nèi)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該孔所屬壩段的水平位移較大時(shí)，停灌時(shí)間則延長(zhǎng)5～8天。觀測(cè)資料表明本工程灌漿時(shí)最大水平位移點(diǎn)出現(xiàn)在河床壩段，累積位移量為160 mm，灌漿結(jié)束后，水平位移量回彈至110 mm，表明壩坡是穩(wěn)定的。

（2）壩面裂縫控制

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，灌漿時(shí)壩面出現(xiàn)裂縫的寬度要求在3 cm以內(nèi)，停灌后裂縫能基本閉合。本工程灌漿初期右壩肩共出現(xiàn)10余條縱向裂縫，縫寬0.05～1.6 cm，長(zhǎng) 2.0～26.0 m，深 1～3 m。 經(jīng)分析論證，這些裂縫主要是由于灌漿漿液進(jìn)入壩體后濕沉作用引起的。通過(guò)降低灌漿壓力、限制灌漿量和延長(zhǎng)兩次灌漿的間隔時(shí)間等措施，有的裂縫逐漸閉合或被泥漿充填密實(shí)，有效地控制了裂縫的發(fā)展。

（3）轉(zhuǎn)折壩段的灌漿措施

樁號(hào)0+716為壩頂軸線轉(zhuǎn)折點(diǎn)，灌漿時(shí)為避免折線段產(chǎn)生橫向或斜向裂縫，采取以下措施：在折點(diǎn)處布置一個(gè)緩沖孔，安排在最后灌漿；對(duì)折線段9孔，采取不分序逐孔鉆灌、增加復(fù)灌次數(shù) （每孔灌漿次數(shù)10～18次）、加快灌漿速度、加大灌漿量等措施，以達(dá)到應(yīng)力調(diào)整的目的。

三、灌漿質(zhì)量檢查及效果分析

1.鉆孔檢查

壩體劈裂灌漿之后，在灌漿孔之間布置了37個(gè)檢查孔，共取樣80組。所有檢查孔均遇到漿脈，漿脈多集中在高程220.0～254.5 m之間，這與施工前的地質(zhì)勘探和探井揭示的裂縫情況相吻合。說(shuō)明黏土漿液已充填在壩體的裂縫中，在心墻軸線及其附近形成了一道連續(xù)完整的漿脈泥墻。

2.探坑檢查

灌漿結(jié)束后60天，按監(jiān)理指定的位置開挖了3個(gè)探坑。探坑長(zhǎng)1.5～4.0 m、深2.0～4.0 m。探坑揭示的漿脈沿心墻分布，連續(xù)，完整。漿脈呈軟塑狀，無(wú)夾砂層，充填密實(shí)，與兩側(cè)原心墻土接觸緊密。其厚度從上至下由薄變厚，上部為2 cm，4 m深處為8 cm，預(yù)計(jì)孔深10 m以下為15～20 cm或超過(guò)20 cm。

3.室內(nèi)試驗(yàn)

通過(guò)鉆孔取漿脈樣4組進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，干密度在1.6g/cm3以上，滲透系數(shù)為 6.94×10-7～4.54×10-6cm/s，平均2.62×10-6cm/s，漿脈的防滲性能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.壩后滲漏改善情況

灌漿結(jié)束后約30 d，原下游壩坡潮濕面積大為減少；壩后20多個(gè)滲水點(diǎn)滲水量減少80%，有的完全消失。

2008年和2009年水位接近正常高水位，下游壩坡無(wú)滲水，壩后滲水點(diǎn)基本消失，說(shuō)明壩體心墻經(jīng)過(guò)劈裂灌漿后，防滲效果顯著。

5.壩體浸潤(rùn)線分析

在水位相同的情況下，下游壩體浸潤(rùn)線加固后比加固前下降明顯，其中河床右壩段下降1.1～1.38 m，浸潤(rùn)線進(jìn)入壩后反濾壩的逸出點(diǎn)已達(dá)反濾棱體底部；河床左壩段浸潤(rùn)線下降6.63～9.91 m。說(shuō)明通過(guò)劈裂灌漿后壩體截滲效果明顯。

[1]葉良茂.劈裂灌漿在高壩加固施工中的應(yīng)用研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[2]白永年,等.中國(guó)堤壩防滲加固新技術(shù) [M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2001.

[3]王洪恩，盧超.堤壩劈裂灌漿防滲加固技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

[4]中國(guó)水利學(xué)會(huì)地基與基礎(chǔ)工程專業(yè)委員會(huì).水利水電地基基礎(chǔ)工程新技術(shù) [M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[5]夏細(xì)禾，劉百興，熊進(jìn),等.長(zhǎng)江堤防防滲工程施工研究及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.