碧螺水庫均質(zhì)土壩安全鑒定和除險加固初步探討

劉源

（益陽市水利水電監(jiān)理公司 益陽市 413000）

1 碧螺水庫的不安全因素及其成因

碧螺水庫位于資江中游北岸一級支流碧螺港上游，壩址控制集雨面積18.7km2，大壩壩頂高程117.90m，其校核洪水位、設(shè)計洪水位及正常蓄水位分別為113.75m、113.04m、112.41m。水庫正常庫容1326萬m3，設(shè)計灌溉面積0.13萬hm2（1.95萬畝），壩后電站裝機(jī)2臺共285 kW，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水利工程。碧螺水庫大壩為均質(zhì)土壩，按50年一遇洪水設(shè)計，1000年一遇洪水校核，壩頂高程117.90m，最大壩高30m，壩頂軸線長92m，壩頂寬8.5m，壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻。經(jīng)安全鑒定，該大壩定為三類病險壩。

（1）壩體滲漏嚴(yán)重，大壩下游無排水設(shè)施。

大壩始建于1958年，屬典型的“三邊”工程。由于大壩填土輾壓質(zhì)量差，壩體密實度不夠，加上大壩下游無排水設(shè)施等原因，造成壩體滲漏嚴(yán)重，浸潤線高。經(jīng)穩(wěn)定復(fù)核，上下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。

（2）壩基及繞壩滲漏嚴(yán)重。

建壩時，壩基清基不徹底，基礎(chǔ)開挖深度平均1.5m，對強(qiáng)風(fēng)化基巖未作處理，因此壩基上部基巖破碎，透水性很強(qiáng)，滲漏嚴(yán)重。其次大壩兩岸壩肩開挖僅0.5m左右，對風(fēng)化層未作進(jìn)一步處理；加上兩岸山體單薄，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎；存在較嚴(yán)重的繞壩滲漏。

（3）泄洪隧洞及灌溉發(fā)電隧洞漏水嚴(yán)重。

大壩左岸山體內(nèi)泄洪和發(fā)電兩條隧洞，洞周圍巖破碎，管壁裂縫，漏水嚴(yán)重。

泄洪洞經(jīng)過的左岸山頭巖石性屬泥質(zhì)板巖，風(fēng)化嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，強(qiáng)度低，且夾有破碎石英巖脈和泥質(zhì)軟弱夾層，開挖時垮塌十分嚴(yán)重。該洞襯砌完成后，碧螺水庫正式投入運(yùn)行。但隨著庫水位的上升，泄洪洞即發(fā)生滲漏，當(dāng)水位超過進(jìn)口頂部后，滲漏現(xiàn)象加劇，一部分滲水由隧洞內(nèi)襯管壁漏入管內(nèi)，有幾十個漏水孔穴，另一部分滲水沿隧洞內(nèi)襯外側(cè)周圍，逐漸匯流向下游滲出，在出口形成多達(dá)80m2的溢水區(qū)，雖經(jīng)多次加固處理，仍未徹底解決問題。

灌溉發(fā)電隧洞于1962年開挖后，即做了鋼筋混凝土襯砌。但由于隧洞周巖較破碎，襯砌混凝土已部分開裂破壞，且因工程年久失修，高水位時，隧洞出口附近時常有數(shù)股浸水涌出。另外，進(jìn)口閘門及啟閉設(shè)備已使用了40余年，銹蝕老化嚴(yán)重，閘門啟閉不靈，難以正常運(yùn)行。

2 除險加固措施

2.1 大壩壩體滲漏及壩坡加固

2.1.1 沖抓防滲墻工程

115.6m高程至壩基采用雙排沖抓套井回填粘土防滲墻處理，在上游側(cè)壩體內(nèi)將原來松散的填土挖除，重新用粘土填筑一道防滲墻，以滿足壩身防滲要求。填筑防滲墻的土料選用素粘土，其粘粒含量要求在35%～50%，含水量控制在22%～24%，不滿足含水量要求的土料需采取灑水或曬干處理，設(shè)計干容重參考為1d>1.55t/m3（施工時根據(jù)土料壓實試驗，按壓實度96%確定），滲透系數(shù)小于1×10-4cm/s。防滲墻軸線布置于壩外肩線上游5.75m處。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》第4.2.4條：防滲體頂部不應(yīng)低于非常運(yùn)用的靜水位，因此防滲墻頂高程采用水庫校核洪水位113.75m為基數(shù)，考慮風(fēng)浪爬高及適當(dāng)超高，設(shè)計墻頂高程為115.6m，相應(yīng)最大墻高27.9m，總長80.84m，兩端嵌入岸坡全風(fēng)化基巖，墻底直達(dá)原壩基開挖面，并與壩基帷幕灌漿銜接。當(dāng)下游壩坡滲透出逸坡降為0.18，小于無粘性土的容許滲透坡降，大壩即滿足滲流穩(wěn)定要求。

2.1.2 施工操作技術(shù)及其要求

（1）造孔。

造孔順序是：先主井，后套井，即1、3、2、5、4、7、6……。施工順序是：先上游，后下游，從左岸向右岸延伸。

造孔注意事項：造孔時，保持井孔垂直，是施工操作的關(guān)鍵。嚴(yán)格控制井孔最大偏斜值，對于單孔偏斜值不超過20cm為宜。以保證井與井之間能互相套接，不致產(chǎn)生漏縫。

（2）回填。

鉆孔達(dá)到設(shè)計孔深后，應(yīng)立即回填。位于庫水位以下的井段，應(yīng)加快施工速度?；靥钔亮系奈锢碇笜?biāo)必須符合設(shè)計要求，嚴(yán)格控制土料含水量是保證施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

（3）夯實。

夯錘用C20混凝土制成，上部為球冠狀，下部為圓柱形，直徑0.9m，高1m，重1240kg。對料場土進(jìn)行現(xiàn)場夯實試驗，根據(jù)設(shè)計要求的干容重 （壓實度92%的試驗容重），確定土的最優(yōu)含水率、夯實功、夯擊次數(shù)等。

2.1.3 施工中出現(xiàn)的問題及其處理

（1）沖抓套井技術(shù)在高水位情況下，因壩體受滲水影響而使造孔和回填夯壓困難，施工期應(yīng)采取空庫和降低庫水位條件下實施，采取施工期當(dāng)年提前放空水庫等措施，以免沖抓坑內(nèi)進(jìn)水影響上料夯填質(zhì)量。

（2）由于原筑壩土料中夾有石塊，會使鉆頭偏斜，影響井孔垂直度，采用“勤檢查，多清理”的辦法，控制井壁偏斜。對偏斜值過大的個別井孔，采取“兩次造孔法”及時回填，分層夯壓。

（3）于庫水位以下的井段，井內(nèi)常發(fā)生積水、冒水、塌孔等現(xiàn)象，采用“連續(xù)作業(yè)，快速施工”的辦法。對于冒水、塌孔，則一般采用“打副孔”和“兩次造孔法”處理，使造孔達(dá)到設(shè)計高程。

2.2 壩基及繞壩滲漏加固工程

2.2.1 大壩壩基帷幕灌漿設(shè)計

根據(jù)碧螺水庫地質(zhì)鉆探，該大壩壩基為巖基，但巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化層較厚，滲漏嚴(yán)重，確定對其進(jìn)行帷幕灌漿。

灌漿帷幕的布置：大壩壩基帷幕灌漿沿沖抓防滲墻軸線布置。因兩岸山體巖石裂隙、破碎帶發(fā)育，存在繞壩滲漏，以及泄洪、發(fā)電兩隧洞嚴(yán)重滲漏等緣故，設(shè)計將壩基帷幕灌漿向左岸延伸至發(fā)電隧洞以上位置，右岸帷幕灌漿需延伸至溢洪道右側(cè)；保證壩體防滲與山體防滲連續(xù)，以形成整體的連續(xù)防滲體。

壩基帷幕灌漿孔設(shè)一排，帷幕灌漿孔中心線位于上游兩排沖抓套井孔中線處。帷幕灌漿施工平臺利用沖抓套井施工平臺，壩基設(shè)計帷幕平面總長度89m，共鉆孔60個。灌漿采用自下而上分段鉆灌的方式，分三序孔施灌，第一序孔間距6m，第二序孔間距3m，第三序孔間距1.5m。

帷幕深度設(shè)計根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》第5.2.8條規(guī)定，帷幕深入相對隔水層（q≤5Lu）內(nèi)（3～5）m，由于本工程基巖破碎嚴(yán)重，隔水層埋藏深，鉆進(jìn)深度達(dá)到30m時，吸水率仍超過規(guī)范要求，達(dá)10Lu以上，因此帷幕設(shè)計孔深按最大壩高的0.7倍考慮，?。?5～20）m，帷幕灌漿頂部與防滲沖抓體緊密結(jié)合。灌漿方法采用自下而上分段灌漿法，帷幕灌漿段長5m，分四段灌注。

2.2.2 灌漿工藝流程

灌漿工藝流程為：按鉆孔、沖洗、壓水實驗、施灌的程序進(jìn)行，待凝一定時間后再灌下一段，每段灌漿重復(fù)上述工藝直到結(jié)束封孔。

灌漿帷幕與壩體內(nèi)沖抓防滲墻緊密接合。灌漿時，同一排內(nèi)嚴(yán)格先鉆灌第一序孔，再鉆灌二、三序孔。后序排上的第一序孔在前序排上最后次序孔均灌完15m后再開始鉆進(jìn)。

帷幕灌漿鉆孔位置與設(shè)計位置的偏差沒有大于10 cm，灌漿孔宜選用較小的孔徑，孔口宜埋設(shè)孔口管，孔深符合設(shè)計規(guī)定。垂直的帷幕灌漿孔，其孔底的偏差值，孔深20m，最大允許偏差不得大于0.25m，孔深30m，不得大于0.5m。

灌漿段灌漿前應(yīng)進(jìn)行循環(huán)式鉆孔沖洗，沖洗壓力為灌漿壓力的80%，沖洗要求直至回水潔凈延續(xù)10min才結(jié)束。

各次序灌漿孔的各灌漿段在灌漿前進(jìn)行簡易壓水試驗。灌漿采取自下而上的分段灌漿，灌漿段每段長5m，灌漿開灌水灰比（重量比）根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范3.5.4條確定在5∶1左右，灌注漿液由稀到稠，逐級變換，帷幕灌漿水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1等7個比級，逐級定量灌注（每級初定為300L）。當(dāng)?shù)侥骋凰冶龋夜酀{壓力不變的情況下，漿液注入率持續(xù)減少時，或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時，即保持該水灰比繼續(xù)灌漿壓力和注入率改變不顯著時，應(yīng)改變一級濃度；當(dāng)注入率大于30L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃，直至注入率不大于0.4L/min時，再注漿60min，即可結(jié)束灌漿。

其次，為了保證灌漿質(zhì)量，整個灌漿過程應(yīng)在設(shè)計壓力下進(jìn)行，但當(dāng)遇大的孔洞或裂隙發(fā)育段，注入率大（大于30～40L/min）時，為了避免漿液串流浪費(fèi)，則應(yīng)采用低壓、濃漿、限流法分級升壓灌注。設(shè)計灌漿壓力表層孔段灌漿壓力0.5MPa，底部孔段1MPa，灌漿壓力從上至下逐漸增大，灌獎壓力表上的值上部孔段0.3MPa，下部孔段0.6MPa。以上述灌漿壓力做為依據(jù)，實際施工時灌漿壓力，在灌漿過程中根據(jù)實際鉆孔灌漿試驗對其進(jìn)行校核、修正。施工時灌漿壓力不允許超過臨界破壞壓力，以免影響藻漿效果。

最后采用“分段壓力灌漿封孔法”自下而上灌注水灰比0.5∶1的濃漿封孔。封孔灌漿壓力同該段灌漿壓力，當(dāng)注入率不大于1L/min，延續(xù)30min停止，灌注結(jié)束后閉漿24h。如采取孔口封閉灌漿法施工，按《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》3.7條規(guī)定的要求施工。

灌漿前后都應(yīng)作壓水試驗，以此檢驗灌漿效果。帷幕灌漿結(jié)束后檢查孔數(shù)不少于灌漿孔總數(shù)的10%，即不少于5孔，檢查孔壓水試驗按《輾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》第5.2.8條透水率q＞5Lu（呂容單位）的孔段，應(yīng)采取補(bǔ)灌措施，最后檢查孔應(yīng)按技術(shù)要求進(jìn)行灌漿和封孔。

2.3 泄洪洞除險加固工程

2.3.1 根據(jù)初設(shè)選定方案

泄洪隧洞除險加固工程采用如下措施，沿泄洪洞全長進(jìn)行鋼筋混凝土內(nèi)襯，內(nèi)襯前先將隧洞進(jìn)口段原內(nèi)襯混凝土鑿除15cm原出口段原有內(nèi)襯混凝土表面鑿毛（鑿毛深度5mm左右），再澆筑新的鋼筋混凝土內(nèi)襯，以確保新老混凝土結(jié)合良好。隧洞圍巖采取固結(jié)灌漿加固，內(nèi)襯與圍巖之間進(jìn)行回填灌漿或灌注混凝土以增強(qiáng)內(nèi)襯與圍巖間的整體性，改善受力條件。另外更換進(jìn)口鋼閘門及全套啟閉設(shè)備，以保證泄洪閘門能正常進(jìn)行。

鋼筋混凝土內(nèi)襯采用C20混凝土澆筑，內(nèi)襯沿整個洞長進(jìn)行，總長119m。內(nèi)襯混凝土內(nèi)配單層鋼筋；伸縮縫按照原襯砌伸縮縫分縫，縫寬2cm，縫內(nèi)嵌柏油杉板，采用寬22cm、厚1.2mm的紫銅片止水。

2.3.2 固結(jié)及回填灌漿施工

灌漿施工依據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》要求，嚴(yán)格控制工程質(zhì)量。

（1）灌漿孔的布置。灌漿孔排距3m，孔距2m，出口段每排布孔4個，進(jìn)口段每排布孔3個，洞內(nèi)造孔；灌漿深度2m，灌漿長度119m，回填灌漿1121.6m2。

（2）造孔。采用風(fēng)鉆鉆孔，鉆孔孔徑不小于38mm，孔深為（1.25～1.4）m，深入基巖1.0m。

（3）埋管。灌漿埋管采用鋼管，鋼管尺寸由灌漿器械而定，初擬Φ=35m。埋管深度不少于30cm，埋管外露（10～15）cm，以便與注漿管連接。鋼管與內(nèi)襯管壁之間的空隙，用水泥砂漿或環(huán)氧砂漿封堵，保證其承壓強(qiáng)度。

（4）沖洗和壓水試驗。用0.3MPa的壓力水進(jìn)行裂隙沖洗，沖洗時間不少于30min，直至鉆孔回水變清。灌漿前每個孔都應(yīng)作簡易壓水試驗，以了解吸水率和確定灌漿水灰比。

（5）灌漿次序。灌漿應(yīng)按先回填灌漿（回填襯砌與圍巖之間的空隙）后固結(jié)灌獎的順序進(jìn)行。環(huán)間鉆灌按Ⅰ序孔進(jìn)行，Ⅰ序孔間距4m，ⅠⅠ序孔間距2m，同一排灌漿孔應(yīng)在水泥初凝之前全部灌完，且1d內(nèi)不得對鄰孔進(jìn)行灌漿。灌漿由出口向進(jìn)口推進(jìn)。

（6）漿液配合比與漿液調(diào)換。

水泥灌漿應(yīng)遵循先稀后深、逐級加濃的原則進(jìn)行。漿液水灰比按6∶1、4∶1、2∶1、1∶1等4個配比進(jìn)行。當(dāng)水泥漿注入量大于400L，而吸漿量及灌漿壓力無明顯變化時，改變一級漿液，對吸漿量大于200L/min的孔位，一次轉(zhuǎn)入濃漿灌漿或采用灌注水泥砂漿，在設(shè)計壓力下，吸漿量不大于0.4L/min，持續(xù)半小時，即可停灌。

（7）封孔。灌漿結(jié)束后可能出現(xiàn)返漿，因此灌漿后應(yīng)閉漿待凝。封孔用水泥、砂、膨脹劑，配合比為1∶1∶0.6的膨脹水泥砂漿封孔抹平管壁，封孔前必須將鋼管外露部分鋸掉。

（8）檢查標(biāo)準(zhǔn)。檢查孔數(shù)按灌漿孔數(shù)的10%考慮，在設(shè)計壓力下不吸漿或在10分鐘內(nèi)注入水灰比4∶1～2∶1的漿液不超過10L即為合格。檢查孔可利用部分灌漿孔，專門設(shè)計的檢查孔必須按灌漿要求進(jìn)行封孔。