沙壩碾壓混凝土雙曲拱壩漏水問題的防滲處理研究

龔高武

（湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司長沙市410007）

1 沙壩碾壓混凝土壩體漏水概況

沙壩水電站大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩高86 m，壩頂寬6 m，壩底寬26 m，壩頂軸線長146 m，于2006年底建成開始蓄水試運行。隨著庫水位升高，壩體內(nèi)混凝土溫度出現(xiàn)異常，初始階段，各高程內(nèi)溫度出現(xiàn)突然升降變化，先是一次驟降（8～13）℃，后又在4天內(nèi)驟升8℃左右，壩體后漏水明顯，部分呈射流狀外泄，且隨水位升高，壩體背水面漏水明顯加劇，相繼出現(xiàn)20余處較大的漏水點，且伴隨大量濕潤面出現(xiàn)，嚴重影響大壩安全運行。壩體漏水處理工程于2008年元月開始進行。

2 壩體漏水的主要途徑及原因

水庫蓄水后，由于滲漏問題的出現(xiàn)，先后對壩體混凝土進行了鉆孔取芯、壓水試驗、物探聲波測試等；綜合檢測、監(jiān)測資料分析發(fā)現(xiàn)，壩體漏水途徑及原因為：

（1）上游面常態(tài)、變態(tài)混凝土（防滲層）存在不同形式的漏水通道；

（2）局部碾壓混凝土層間結(jié)合不良；

（3）局部碾壓混凝土離析，粗細料分離，含漿量不夠，注漿不足，形成架空；

（4）局部倉面澆筑時間過長，又未能及時處理，形成冷縫；

（5）局部混凝土存在欠碾，不泛漿及膠結(jié)不良現(xiàn)象；

（6）變態(tài)混凝土施工時，加漿時間與加漿量控制不夠嚴格，影響了局部混凝土的密實性；

（7）兩壩肩混凝土與基巖接觸面雖進行了接觸灌漿，但仍存在漏水現(xiàn)象。

3 壩體防滲補漏灌漿方案研究

在了解碾壓混凝土拱壩壩體自身結(jié)構(gòu)、漏水途徑、孔隙分布特征的基礎上，結(jié)合灌漿補強要素，探索碾壓混凝土壩體漏水特例的綜合處理方案。

3.1 漏水處理基本方案的建立

（1）截斷上游壩面的進水通道，采用放空庫水，在迎水面上涂涮防滲層。

（2）修復壩體內(nèi)防滲功能，在壩體內(nèi)靠前變態(tài)混凝土層內(nèi)進行防滲帷幕灌漿，截斷向碾壓混凝土內(nèi)的滲漏途徑。

（3）結(jié)合防滲，對碾壓混凝土進行固結(jié)灌漿補強處理。（4）對局部混凝土裂縫進行修補，增強壩體混凝土自身的完整性。

3.2 壩體漏水防滲灌漿試驗

在建立基本方案的基礎上，迎水面涂涮防滲層由于庫水只能通過▽570高程沖沙孔放水，▽571以下尚有30余米無法進行水下作業(yè)施工，根本上不能起到整體防滲作用，故將壩體防滲的重點放在防滲帷幕的設置上。

（1）防滲帷幕灌漿試驗。

試驗鉆孔布置：帷幕線緊貼變態(tài)混凝土布置，采用雙排鉆孔，孔距2.0 m，排距（0.2～2.5）m，鉆孔角度隨拱壩迎水面曲面角度變化改變，按85.5°～88°控制，呈梅花型布置，分Ⅲ序施工，分別選定右岸非溢流壩段及下部廊道內(nèi)4＃溢流壩段各10孔進行試驗灌漿；

試驗灌漿壓力：區(qū)別不同部位、不同孔深選擇。壩頂上游排孔（0.5～18.5）m 0.2 MPa；往下逐漸變?yōu)椋?.1～0.05）MPa；以防壩前迎水面出現(xiàn)擊穿破壞，后施工的下游排孔孔口至孔底由0.2 MPa逐步提高至0.6 MPa；下部帷幕先施工的上游排自孔口至孔底采用（0.3～0.6）MPa，后施工的下游排采用（0.4～0.8）MPa；

灌漿材料：主要灌漿材料采用PO42.5級普硅水泥，當遇到灌段出現(xiàn)失水回濃或透水率達5 Lu以上，而注入量又小于20 L/m時，改用超細水泥灌注；

灌漿段長：孔口段3 m，其他段長一律采用5 m；

漿液水灰比：普硅水泥漿液選定為1∶1、0.8∶1、0.5∶1，超細水泥漿液1∶1。兩種水泥漿液內(nèi)均摻加0.5%的高效減水劑；

灌漿方法：分別選用孔口封閉法、自上而下分段灌漿法、自下而上分段灌漿法進行試驗比較，選定適合漏水處理工期、灌漿效果要求的施工方法；

試驗效果檢驗：在試驗地段每組均布置2孔進行壓水試驗和聲波檢測。

（2）灌漿試驗成果分析。

采用選定的試驗方法、工藝參數(shù)、材料進行灌漿試驗，兩組灌漿試驗成果分析表明：

壩體混凝土孔隙率大，可灌性強，上、下部單位注入量分別達到140 kg/m、100 kg/m以上；

單排序次上單位注入量無明顯差別，先灌段上游排較后灌段下游排大20%左右，表明混凝土孔隙沿水流方向連通性好于沿壩軸線方向；

檢查孔鉆進時回水基本正常，巖芯上孔隙分布較多的段次，見到了明顯的水泥結(jié)石，但在細砂分布的部位，采取率仍較低，多呈巖粉狀從孔口回水中返出，透水率較灌前I序孔減少了10～100倍；但上部試驗區(qū)大于10 Lu的段次達到68%，30%的段次為（5～10）Lu，僅2%的段次小于5 Lu；下部有40%的段次大于10 Lu，29%的段次為（5～10）Lu，僅31%的段次小于5 Lu，遠遠不能滿足壩體設計防滲要求；

灌漿前后同孔位、同斷面聲波值提高了11%～36%，平均聲波速度達到了3 750 m/s以上，但低于3 000 m/s的測點仍占5%左右，主要為單孔聲波中混凝土內(nèi)相鄰層面間。單孔聲波值較跨孔聲波值稍低，低值點分布較分散。

試驗結(jié)論：通過選定的參數(shù)灌漿后，壩體混凝土完整性、透水性改善明顯，但透水率離設計要求相差太大，需對參數(shù)進行調(diào)整，并進一步結(jié)合生產(chǎn)性試驗確定。

（3）生產(chǎn)性試驗。

參數(shù)調(diào)整：上、下部各選擇5孔進行生產(chǎn)性試驗，采用孔口封閉自上而下分段孔內(nèi)循環(huán)法施工，段長3 m，若遇鉆孔回水減少明顯或消失，立即灌漿；上部帷幕灌漿壓力上游排增加到（0.3～0.4）MPa，下游排調(diào)整為（0.4～0.8）MPa，下部帷幕上游排調(diào)整（0.5～0.6）MPa，下游排（0.5～1.2）MPa；漿液水灰比改為2∶1開灌；最后序次孔采用超細水泥灌注。灌后3天進行壓水試驗檢查，以盡快確定施工參數(shù)。

試驗結(jié)果：參數(shù)調(diào)整后，壩體混凝土灌段上部帷幕仍有22%的段次大于10 Lu，78%的段次在（5～10）Lu之間，下部帷幕有38%的段次大于10 Lu，38%的段次（5～10）Lu，小于5 Lu占24%；透水率仍然滿足不了設計要求。

3.3 防滲帷幕施工方案的確定

綜合分析試驗資料后認為：壩體碾壓混凝土的透水性主要受其孔隙分布的不均一性和連通性程度制約?？紤]到工程的安全性，方案的經(jīng)濟性及可實施性，確定帷幕施工方案如下：

防滲帷幕線緊靠壩前原變態(tài)混凝土層（原防滲層）布置，通過灌漿處理，恢復防滲層功能；

防滲帷幕灌漿鉆孔采用單排布置，孔距初定1.0 m，若處理效果仍不理想，不排除加密到0.5 m的可能性；

灌漿施工采用孔口封閉自上而下分段孔內(nèi)循環(huán)法；灌漿段長3.0 m，若遇鉆進無回水，立即進行灌漿；

灌漿壓力按部位分別確定，盡可能采用較高的灌漿壓力，但必須確保不破壞原混凝土。依此原則，上部帷幕采用（0.4～1.0）MPa,下部帷幕（0.5～1.2）MPa；

灌漿材料：以PO42.5級普硅水泥為主；上部帷幕混凝土透水率小于10 Lu時和下部帷幕混凝土小于5 Lu采用超細水泥灌注；

漿液水灰比：采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1，當漿液濃度達1∶1以上和采用超細水泥時，須加入適量高效減水劑，有效降低漿液粘滯度；

孔斜控制：鉆孔斜度嚴格控制在1%以內(nèi)，嚴禁偏出壩體以外；

其它要求執(zhí)行《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》DL/T 5418-2001。

檢查孔按灌漿孔10%進行壓水試驗試驗，取芯檢查，并進行28天后的單孔聲波檢測；希望透水率85%以上段次小于3 Lu，其余段次不大于5 Lu，平均波速達到3 750 m/s以上，小于3 000 m/s測點數(shù)不超過3%，且不集中。

4 壩體防滲帷幕灌漿的特征規(guī)律

壩體各部位均按擬定要求完成了單排孔距1 m的灌漿施工，累計完成混凝土鉆孔12 530.17 m，灌入水泥1 452.5 t，檢查孔1 318.3 m，壓水試驗407段，聲波檢測1 572.24 m。

4.1 壩體各部位防滲帷幕水泥單位注入量與灌后透水率、聲波改變情況

（1）上部帷幕。

右岸非溢流壩段：單排方案前灌漿孔單位注入量190.2 kg/m,單排I序孔117.1 kg/m，Ⅱ序孔114.1 kg/m，Ⅲ序孔93.0 kg/m；灌后透水率＜3 Lu者15.5%，（3～5）Lu者占24.2%，（5～10）Lu占44.8%，仍有15.5%的段次大于10 Lu，最大值為19.6 Lu；灌后平均波速達到3 910 m/s以上，小于3 000 m/s的測點為0.5%；壩后仍有多處漏水點存在。

左岸非溢流壩段：單排方案前施工孔單位注入量174.1 kg/m,單排I序孔150.5 kg/m，Ⅱ序孔162.1 kg/m，Ⅲ序孔161.7 kg/m；灌后透水率＜3 Lu的12.3%，（3～5）Lu的占29.8%，（5～10）Lu占52.8%，大于10 Lu占5.3%，壩后漏水點基本消失；灌后平均波速達到3 970 m/s以上，小于3 000 m/s的測點為2.1%。

溢流壩段（仰孔施工）：單排方案前施工孔單位注入量264.9 kg/m,單排I序孔240.6 kg/m，Ⅱ序孔169.3 kg/m，Ⅲ序孔81.3 kg/m；灌后透水率＜3 Lu的66.7%，（3～5）Lu的占33.3%，壩后漏水點基本消失。

（2）下部帷幕（▽561高程以下）。

單排方案前施工孔單位注入量83.2 kg/m,單排I序孔87.2 kg/m，Ⅱ序孔89.3 kg/m，Ⅲ序孔68.8 kg/m；灌后透水率＜3 Lu的73.6%，（3～5）Lu的占13.2%，（5～10）Lu占11%，大于10 Lu占2.2%；灌后平均波速達到4 380 m/s以上，小于3 000 m/s的測點基本消失,壩后漏水點基本消失。

4.2 壩體碾壓混凝土內(nèi)孔隙分布及透水性特征

碾壓混凝土由于進倉前的粗細骨料分離，粗料集中處形成架空，無法搌搗密實，根本上造成了大量孔隙的存在，給壩體漏水提供了大小各異、分布毫無規(guī)律的滲漏途徑。

（1）壩體碾壓混凝土內(nèi)孔隙率大，透水性強烈。

根據(jù)漏水處理的試驗初期鉆孔壓水試驗和灌入水泥量分析，壩體內(nèi)平均孔隙至少達到1.5%以上，局部形成架空，鉆孔時，回水消失，物探孔亦無法用水注滿孔口，灌漿在壩前壩后未出現(xiàn)冒漿情況下，回漿消失，3 m鉆孔灌段內(nèi)一次性灌入水泥7.2 t，漿量為6 000 L之多，方才慢慢出現(xiàn)回漿和升壓等。

（2）各部位混凝土內(nèi)孔隙分布與透水性具明顯的不均一性特征，相鄰部位差異性大。鉆孔中相鄰孔段及同孔內(nèi)上、下段次內(nèi)透水性、孔隙連通性和混凝土完整性各不相同?；炷羶?nèi)孔隙大小、多少、連通程度、透水性與混凝土澆筑質(zhì)量、離析程度直接相關，離析程度高、碾壓欠密實的部位孔隙率高、連通性好、透水性亦愈強烈。

（3）壩體混凝土透水性、可灌性受孔隙連通性程度制約，局部孔段內(nèi)壓水試驗時，隨時間延長，吸水量減少較多，甚至鉆孔回水出現(xiàn)時斷時續(xù)現(xiàn)象。

（4）▽561高程上、下壩體混凝土透水性存在明顯差異。灌漿施工過程中，鉆孔取芯、壓水試驗、單位注入量、聲波檢測、壩后漏水點分布均反映出這一特征。

4.3 拱壩碾壓混凝土壩體灌漿的特征規(guī)律

通過按部位分序統(tǒng)計，結(jié)合灌漿過程中的各種情況綜合分析，沙壩碾壓混凝土拱壩壩體防滲帷幕灌漿具以下特征規(guī)律：

（1）壩體各部位可灌性強，水泥單位注入量多，同時反映出離析后的混凝土填筑碾壓欠密實，孔隙率高。

（2）壩體各部位混凝土單位注入量、透水率改變情況及聲波值、漏水點分布存在明顯差別。

（3）壩體內(nèi)相同部位不同高程、相同高程不同部位混凝土內(nèi)孔隙分布、透水性差異明顯，表現(xiàn)出強烈的不均一性。小部分鉆孔內(nèi)結(jié)束上段灌漿，注入量較小，再鉆下段時，則出現(xiàn)鉆孔回水消失；此外，相鄰鉆孔同一高程內(nèi)前序孔注入量較小，而緊鄰后序孔仍出現(xiàn)回水消失，更有甚者個別檢查孔仍出現(xiàn)回水明顯減少現(xiàn)象。

（4）壩體碾壓混凝土內(nèi)孔隙連通性具有一定的方向性，沿水流方向的貫通性好于壩軸線方向，可能受壩體漏水影響所致。灌漿試驗期間，兩排Ⅲ序施工，先灌的上游排孔灌漿壓力明顯低于下游排的情況下，上游排單位注入量仍較下游排高出近30%，而同一排上相鄰序次孔則改變不明顯。

（5）離析后的碾壓混凝土漏水處理難度大，單排孔距1 m，普硅水泥結(jié)合超細水泥灌注，仍難于達到碾壓混凝土標準的防滲要求，壩體防滲帷幕灌漿結(jié)束后，檢查孔壓水試驗透水率離要求相差較遠。左、右岸非溢流壩段為提高拱端壩體的完整性，帷幕灌漿后又實施兩排孔的固結(jié)灌漿，完成后混凝土波速滿足要求；考慮到壩體經(jīng)過固結(jié)補強，透水率會進一步改善，再次實施帷幕壓水檢查，其結(jié)果透水率＜3 Lu占57.9%，（3～5）Lu的占32.9%，（5～8）Lu占9.2%，雖對混凝土內(nèi)透水率有了較大改善，亦僅僅滿足壩體透水率＜5 Lu達到85%，其余段次不超過8 Lu的特定要求。

（6）相同段次內(nèi)壓水試驗透水率與注水試驗透水率存在差異，表明混凝土孔隙透水率隨壓力變化而不同。在后續(xù)檢查孔中，相同段次分別進行了壓水試驗與注水試驗，按各自壓力與流量值計算得出的透水率相差2～3倍，這一現(xiàn)象在灌漿試驗期間也得到了印證，即同一試段因不同壓力試驗時計算其值不盡相同，說明混凝土孔隙內(nèi)壓水試驗時，孔隙處于擴張狀態(tài)。

5 幾點體會

（1）選擇碾壓混凝土拱壩漏水處理方案，需綜合考慮壩身結(jié)構(gòu)、漏水途徑、漏水量大小及原因、混凝土內(nèi)孔隙的分布規(guī)律、透水性與連通性、可灌性、注漿材料、施工方法、工藝參數(shù)及要達到的工程防滲標準等因素，力求方案可行、經(jīng)濟、安全。

（2）類似沙壩碾壓混凝土拱壩壩體漏水問題，采用水泥材料進行灌注，受其不均一性和連通性影響，能取得一定的防滲效果，但很難滿足高標準的防滲要求。

（3）壩體漏水問題對工程安全的影響程度與處理關系重大，直接與安全性、經(jīng)濟性相關。就沙壩而言，拱壩壩體穩(wěn)定，依靠拱圈的整體有效地將大壩承受的水的作用力傳遞到兩岸拱端，因此，即使壩體混凝土內(nèi)存在一定的孔隙，只要不集中，應該仍能滿足力的傳遞要求，暫不會影響壩體整體穩(wěn)定。但若對漏水不處理或處理不當，長期大量的滲漏水作用，滲漏水流不斷地溶蝕帶走混凝土中的氫氧化鈣，勢必給工程安全帶來嚴重影響，隨著時間推移，安全性會持續(xù)降低，不能小視，應加強對大壩的各種監(jiān)測工作。