段家峽水庫大壩劈裂灌漿除險加固技術(shù)的實踐

王志剛

（隴縣段家峽水庫灌溉管理處 陜西 隴縣 721200）

1 概述

段家峽水庫位于陜西關(guān)中西部黃河二級支流千河上游隴縣曹家灣鎮(zhèn)段家峽村，是一座以灌溉為主，兼防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合功能的中型水庫，水庫總庫容1832.4萬m3，控制流域面積634km2。大壩為均質(zhì)土壩，壩高43m，壩頂高程1090m，頂寬 12m，壩頂長 187.5m，底寬 262.5m，有效灌溉面積 4460hm2，電站 9座，裝機7380kW。

1970年7月動工，1972年 12月完工，屬“三邊工程”，存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患，曾出現(xiàn)過險情。

2 段家峽水庫病險處理情況

水庫1972年底，建成后蓄水不足百天，便出現(xiàn)重大險情。在大壩背水坡右岸發(fā)生了嚴(yán)重漏水，滲漏量為0.025m3/s，形成塌坑，有滑坡跡象，同時迎水坡出現(xiàn)裂縫。針對險情，采用挖除裂縫，重新夯實，鎖縫等方法處理。1974年至1977年對壩體進(jìn)行了加高培厚和帷幕灌漿，基本排除了險情，但對壩體內(nèi)部未采取專門措施處理。

3 段家峽水庫出現(xiàn)險情的原因分析

分析段家峽水庫大壩出現(xiàn)險情的原因：①土壩施工中清基不徹底，上壩土料和碾壓質(zhì)量較差；②壩肩與河床段沉陷差過大，壩體浸潤線變化異常；③壩肩段位移量小，中間段位移量大。1985年對壩體隱患進(jìn)行了電法勘探，根據(jù)電測結(jié)果分析右壩段巖壩結(jié)合部位壩體松軟，有裂縫；河床壩段有軟夾層；左岸背水坡壩段質(zhì)量較差；浸潤線較高。1986年在壩頂軸線附近打探井3眼，井內(nèi)各有4條～6條裂縫，縫寬為1mm～7mm。其中3號探井內(nèi)有一縱向裂縫，縫寬10mm～15mm；探井內(nèi)有軟弱夾層2處～5處，厚10cm～50cm。

4 劈裂灌漿設(shè)計與施工

為了根治大壩病患，1985年對大壩進(jìn)行劈裂灌漿設(shè)計，1986年獲得批準(zhǔn)。

4.1 設(shè)計技術(shù)要求

（1）設(shè)計要點：根據(jù)該壩整體質(zhì)量差，病患多的特點，決定實行劈裂灌漿，對局部變形和滲透穩(wěn)定問題，先進(jìn)行充填灌漿，然后沿壩軸線進(jìn)行劈裂灌漿。

（2）孔序：按先疏后密的原則，河床壩段分兩序施灌，岸坡段分三序施灌，充填孔在局部隱患處按梅花形布設(shè)。

（3）孔深與進(jìn)尺∶孔深鉆至壩基砂、卵層下，沿壩軸線鉆劈裂孔23個，總進(jìn)尺732m，增強孔210m，檢查孔4個，總進(jìn)尺166m。

（4）灌漿壓力和帷幕厚度：單孔最大設(shè)計壓力為 1kg/cm2～1.05kg/cm2，帷幕厚0.3m。

（5）灌漿土料物理力學(xué)性質(zhì)：漿液容重1.02g/cm2～1.6g/cm2，施灌時先稀后濃，粘粒含量20%～30%，粉粒含量不小于30%。

（6）施灌技術(shù)措施：劈裂孔單孔復(fù)灌5次～6次，間隔4天～5天，充填孔復(fù)灌2次～3次，間隔3天～4天。灌漿時把注漿管下至距孔底1m～2m處，每次復(fù)灌結(jié)束后注漿管提升高度不得大于10m，一次連續(xù)進(jìn)漿量控制在20m3,灌漿期間水位控制在1074m以下。

4.2 灌漿施工

大壩灌漿1986年開工，1988年完工。由千陽縣地下水承擔(dān)施工任務(wù)，寶雞市水管站負(fù)責(zé)技術(shù)，分三期實施，共鉆孔44個，鉆孔深1402.17m，灌入泥漿660.35m3。

4.2.1 施工工序

（1）鉆孔：采用改進(jìn)型雙導(dǎo)管，250kg吊錘打孔鉆機造孔。遇到鉆進(jìn)困難時加少量水一次成孔，充填孔位于壩軸線上游0.5m處。岸坡段按梅花形布孔，河槽和右岸坡段鉆至砂卵石層與基礎(chǔ)相接，深入基土2m～13m。

（2）灌漿：①下置護壁套管∶鉆孔成型后立即在孔下安裝1.5m～4.0m長的孔口護壁套管。②下灌漿管：用無縫鋼管，外徑42mm，下至距孔底1m～3m處，實行孔底注漿，孔口加封，全封閉灌注。③土料選擇：選擇與原壩相同的土料，粘粒含量31%，粉粒含量64.6%，砂粒含量5%。④灌漿性能∶初灌時用稀漿開路，容重1.3g/cm2，隨著復(fù)灌次數(shù)的增加，濃度加至1.4g/cm2～1.5g/cm2。⑤灌漿壓力控制：單孔最大設(shè)計壓力為1kg/cm2～1.5kg/cm2。⑥灌漿量控制：按少灌多復(fù)的原則，一次連續(xù)進(jìn)漿量控制在20m3，但總進(jìn)漿量不限制。⑦裂縫控制：灌漿時嚴(yán)密監(jiān)測壩頂及壩坡裂縫，寬度控制在1cm～2cm，不允許裂至壩肩。壩坡一旦發(fā)生裂縫停灌。⑧位移控制：壩頂布設(shè)20個施工變形觀測點，每輪灌一次，觀測一次，壩肩最大位移控制在2cm～3cm。⑨復(fù)灌次數(shù)及復(fù)灌時間間隔，一序孔復(fù)灌3次～4次，間隔3天～7天；二序孔復(fù)灌6次～7次，間隔5天～12天；三序孔及檢查孔復(fù)灌7次，間隔5天。

（3）封孔：直觀上以飽滿密實為終灌標(biāo)準(zhǔn)，封孔時拔出注漿管，向孔內(nèi)注滿容重大于1.55g/cm3的濃泥漿。待漿體濃縮后，及時加滿，反復(fù)幾次，直到不再下降為止。待7天～10天后用干土在孔口夯實。

4.2.2 施工中遇到的問題及處理結(jié)果

劈裂灌漿設(shè)計所用數(shù)據(jù)多采用外地經(jīng)驗，與段家峽水庫大壩灌漿有不適合之處，在灌漿施工中遇到一些問題，需要對部分方案變更。

（1）一序孔孔位確定：原設(shè)計主排孔沿壩軸線單排布設(shè)，在主排孔施鉆前，經(jīng)市、縣有關(guān)技術(shù)人員分析決定，一序主排孔向上游移動0.5m。

（2）灌漿壓力的確定：設(shè)計灌漿壓力1.0g/cm2～1.5g/cm2，施工中有些孔口未加封，各孔吃漿量均未達(dá)到設(shè)計要求，如不適當(dāng)增大灌漿壓力，會影響灌漿效果。所以在后期施工中，通過試驗確定，允許單孔最大壓力2.5kg/cm2，效果較好。

（3）裂縫控制：根據(jù)外地經(jīng)驗“內(nèi)劈外不劈”，提出要嚴(yán)格控制壩面裂縫，如壩面出現(xiàn)裂縫時立即停灌。但段家峽水庫由于該壩填筑質(zhì)量差，變形裂縫多，雖然在灌漿中采取了下護壁套管和阻漿蓋等措施，但仍不能阻止壩頂裂縫擴展。所以，在二序后灌漿時不允許壩肩處開裂，而允許壩頂開裂，寬度在2cm范圍內(nèi)，每次停灌后能回彈閉合，效果較好。

（4）高水位期灌漿問題：按設(shè)計要求，灌漿期水庫水位應(yīng)控制在1074m高程以下或空庫運行。但由于多方原因，整個施工期庫水位都高于1074m，壩體內(nèi)孔隙水壓力較大，灌漿效果受到一定影響，所以高水位運行時不利于對土壩灌漿。

5 灌漿效果分析

段家峽水庫土壩劈裂灌漿不僅使壩體內(nèi)部形成防滲帷幕，提高了防滲能力，而且使壩體內(nèi)部的應(yīng)力再分配，達(dá)到平衡，使壩體穩(wěn)定，效果顯著?，F(xiàn)對灌漿效果作如下分析。

5.1 灌漿壓力、進(jìn)漿量與壩體穩(wěn)定的關(guān)系分析

土壩劈裂灌漿的內(nèi)容之一，就是在允許的范圍內(nèi)，盡量增大灌漿壓力，加大進(jìn)漿量使原壩內(nèi)部土體更加密實，因此本次劈裂灌漿自二序后施加了較大的灌漿壓力。其中，13個孔灌漿瞬時壓力達(dá)到2kg/cm2～2.5kg/cm2，5 個 孔達(dá)到 3kg/cm2～4kg/cm2，由于較高的灌漿壓力對壩體的擠壓、劈裂穿透作用，使壩體土密實度增大。

由于灌漿時壩體土處于彈性平衡狀態(tài)，因此，通過對壩體施加較大的灌漿壓力和土的濕化變形，使壩體土充分壓縮，壩體內(nèi)應(yīng)力不足土區(qū)得到灌漿壓力補充，壩體內(nèi)部應(yīng)力趨向均衡，加速了泥漿排水固結(jié)，提高了漿體強度，達(dá)到了防滲穩(wěn)定的目的。

5.2 壩體變形與穩(wěn)定的關(guān)系分析

為了監(jiān)測壩體在施工期變形，保證施工安全，施灌前在壩頂增設(shè)了20個變形觀測點配合原有的24個觀測標(biāo)點對壩體進(jìn)行全面觀測，現(xiàn)根據(jù)觀測結(jié)果進(jìn)行分析：

（1）沉降：灌漿前沉陷量為2.9cm～9.1cm，各點平均為5.7cm，年平均為1.2cm。灌漿期間沉陷量為3.8cm～9.5cm，各點平均為6.3cm，年平均為3.8cm，灌漿期間大壩沉陷速率為灌漿前的3.17倍?？梢娡ㄟ^劈裂灌漿加速了壩體沉陷固結(jié)，使壩體向密實穩(wěn)定發(fā)展。

（2）位移：通過灌漿期間實測位移資料分析，漿體在壩體內(nèi)不是把壩體體積擴大變?yōu)槲灰屏?，而是使壩體更加密實。

（3）裂縫：灌漿期間壩體共產(chǎn)生裂縫61條，最大縫寬20mm，長35m，多為倒“八字形”的斜向縫。這些裂縫極限于平衡狀態(tài)，可見灌漿壓力和壩體土的濕化變形，產(chǎn)生大量裂縫，釋放出變形能，使原來處于極限平衡狀態(tài)的受拉區(qū)變?yōu)槭軌簠^(qū)，使內(nèi)部應(yīng)力得到調(diào)整，出現(xiàn)新的平衡和穩(wěn)定。

（4）滲漏：庫水位在1073.0m至1075.0m時，灌前測得壩下游滲漏量為1.5kg/s～115kg/s，灌后滲漏量為 30kg/s～40kg/s，較灌前減少68%，水色清晰透明。

（5）灌后電測發(fā)現(xiàn)，浸潤線在帷幕灌漿處有明顯降落，證明灌漿基本解決了滲漏問題。

5.3 灌漿后探井檢查

（1）灌漿使壩體形成了防滲帷幕，消除了壩體隱患。

灌后在壩頂沿布孔軸線打探井3眼，井內(nèi)均未見裂縫，發(fā)現(xiàn)2條～3條漿脈，最大脈寬9.6cm，走向基本平行于壩軸線，呈密實的塊體產(chǎn)狀，可見壩體段沿布孔軸線已被泥漿壓力劈裂，形成防滲帷幕。壩內(nèi)原有裂縫和松軟夾層孔隙已被泥漿充填密實而閉合。

（2）漿脈密度達(dá)到設(shè)計要求，漿脈附近的壩體密度增加。

灌前三探井共取樣13個，測得平均濕容重為 2.13g/cm2，干容重 1.237g/cm2，灌漿后共取樣20個，測得平均濕容重2.257g/cm2，平均干容重1.726g/cm2。灌后比灌前壩體土容重增加，說明漿體附近壩體質(zhì)量提高，已經(jīng)基本解決了壩體的滲透和變形穩(wěn)定。陜西水利