石灰窯水庫土壩壩體灌漿優(yōu)化設(shè)計與施工技術(shù)

潘選明 陳文晉

（曲靖市水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司 云南曲靖 655000）

引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水利建設(shè)的速度也越來越快，小型水庫的除險加固工程也越來越多。石灰窯水庫除險加固工程中，針對土壩壩體灌漿設(shè)計，筆者根據(jù)土壩的特點，結(jié)合以往施工的多項工程的經(jīng)驗，提出了優(yōu)化土壩壩體灌漿設(shè)計方案，實施后灌漿效果非常好。近年來，大壩壩體防滲采用塑性混凝土防滲墻與壩基帷幕灌漿相結(jié)合的方案取得了較好的防滲效果。但是，由于受資金、地質(zhì)及施工條件等的影響，多數(shù)小型水庫對壩體的防滲還是采用帷幕灌漿的處理辦法。因此，為了確保土壩壩體灌漿的效果，避免工程造成浪費，本文結(jié)合石灰窯水庫土壩壩體灌漿，對土壩壩體灌漿的設(shè)計理念和施工技術(shù)進(jìn)行了深入探討，對施工中遇到的一些問題提出了解決的辦法，可為其它類似土壩工程壩體灌漿施工提供參考。

1 工程概況

石灰窯水庫是一座以灌溉為主、兼以防洪調(diào)節(jié)的?。ㄒ唬┬退こ?。水庫集雨面積4.7km2，總庫容161.5萬m3，始建于1958年。大壩為均質(zhì)壩，壩頂寬3m，壩長55.6m，最大壩高21.6m。存在的主要問題之一是壩體、壩基滲透系數(shù)達(dá)不到規(guī)范的要求。正常蓄水位情況下，下游壩坡出現(xiàn)大面積滲漏潮濕區(qū)（散浸），面積達(dá)440m2；下游壩坡中部右側(cè)靠近山體處有一集中漏水點，滲漏量為 0.14m3/s；壩腳排水棱體后滲漏量為1.63m3/s。水庫大壩除險加固采用土壩壩體灌漿防滲，壩體與壩基接觸帶、壩基實施了帷幕灌漿，從而實現(xiàn)整體帷幕的防滲效果。工程于 2009年1月開工，2009年6月完工。

2 土壩壩體灌漿的機理和特點

長期以來，土壩壩體灌漿僅被理解為滲透和充填兩種機理。把對地基灌漿的認(rèn)識和工藝用于土壩壩體灌漿，雖然也取得了一定效果，但由于未抓住土壩的特點而達(dá)不到理想的目的。其實土壩壩體作為被灌體，它與地基有本質(zhì)上的區(qū)別。土壩壩體是人工堆筑成的長條形土料（含粒黏土或粉質(zhì)黏土）建筑物，為梯形斷面。從力學(xué)方面分析，大壩任一單元體均受到三向應(yīng)力的作用。一組為壩體上下游方向的最大主應(yīng)力σ1；另一組為自重即垂直方向的中間主應(yīng)力σ2；第三組為左右方向的最小主應(yīng)力σ3。顯然三向應(yīng)力其大小為σ1＞σ2＞σ3。因此，壩體在壩軸線附近有一個弱應(yīng)力面(見圖1)。土壩壩體灌漿應(yīng)與地基灌漿有所不同，土壩的特點必然反映在灌漿方法中。

圖1 壩體單元三向應(yīng)力分布狀態(tài)圖

土壩壩體灌漿的實踐證明，壩土極易產(chǎn)生劈裂，土壩壩體灌漿的機理主要為劈裂式，其中包括了充填。若壩土中無裂縫、空洞，即使細(xì)小顆粒的水泥黏土混合漿也難滲入或充填到壩體土粒孔隙中。要在滲漏的黏性土壩壩體中建立防滲帷幕，除了靠漿液自重以外，還必須施加一定的壓力，這樣，漿液必然首先沿壩體弱應(yīng)力面劈裂壩土產(chǎn)生裂縫，而后充填之。灌漿時，壩體河槽段壩頂橫向受拉，易出現(xiàn)縱向劈裂縫；岸坡段壩頂縱向受拉，常出現(xiàn)橫向劈裂縫。通過灌漿時的“漿壓壩”、停灌后的“壩壓漿”的多次循環(huán)反復(fù)。因勢利導(dǎo)地把土壩壩體壩軸線附近的弱應(yīng)力面和劈裂灌漿有機的結(jié)合起來，以在壩體中形成一道近于垂直連續(xù)、保有一定厚度的漿體防滲帷幕，解決土壩壩體滲漏的問題。

3 土壩壩體灌漿的設(shè)計要求及優(yōu)化設(shè)計方案

3.1 原設(shè)計及要求

石灰窯水庫大壩壩體、壩基與基巖結(jié)合部、基巖設(shè)計進(jìn)行垂直帷幕灌漿防滲處理。大壩帷幕灌漿孔沿老壩軸線偏下游2.82m處布置，建立帷幕灌漿長80m，單排孔，孔距2.0m。布置灌漿孔41個，布置質(zhì)量檢查孔4個，共計45孔。帷幕灌漿孔分三序施工,帷幕底界原則上應(yīng)進(jìn)入弱透水層 5m（q＜10Lu）。

（1）采用純壓式灌漿法自上而下分段充填灌漿的方法和方式進(jìn)行施工；

（2）帷幕灌漿采用強度等級 PO.42.5普通硅酸鹽水泥；

（3）帷幕灌漿段長度一般為 5～6m，特殊情況下適當(dāng)縮短或加長，但不得大于10m；結(jié)合部段長控制為2.5m,其中巖石長度1.5m,壩土段長1m；

（4）壩土段灌漿待凝時間為24小時，基巖待凝時間為8小時；

（5）各灌漿孔段，不論透水率大小均應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行灌漿；

（6）漿液配合比及漿液濃度的選用：壩體采用水泥:黏土=1:2的水泥黏土漿灌注；壩體及基巖結(jié)合部采用水泥:黏土=1:1的水泥黏土漿灌注；基巖采用純水泥漿灌注；

（7）防滲標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)灌漿后使防滲帷幕內(nèi)壩身土體滲透系數(shù)K＜1×10-4cm/s；結(jié)合部及基巖內(nèi)的透水率q＜10Lu。

3.2 優(yōu)化后的土壩壩體灌漿設(shè)計及要求

針對石灰窯水庫土壩壩體灌漿設(shè)計，筆者根據(jù)土壩的特點，結(jié)合以往施工的多項工程的經(jīng)驗，提出了如下優(yōu)化土壩壩體灌漿部位設(shè)計方案：

（1）土壩壩體部位灌漿不宜采用原設(shè)計的“自上而下分段充填灌漿的方法”即地基灌漿的方法進(jìn)行施工。而應(yīng)采用“自下而上分段劈裂式灌漿的方法”進(jìn)行。亦即按先施灌結(jié)合部段，然后依次施灌壩基段，最后進(jìn)行土壩壩體段劈裂式灌漿。

（2）根據(jù)黏性土壩的特征，土壩壩體劈裂式灌漿不能單純的按規(guī)范要求的“全孔孔底自流式灌注的方法灌漿”，采用自下而上分段（段長≯10m）止?jié){，分段逐漸向上劈裂直至壩頂?shù)墓酀{方法，且應(yīng)采用一定的灌漿壓力。

（3）終灌標(biāo)準(zhǔn)。不按地基灌漿的終灌標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，而是按土壩壩體劈裂式灌漿的終灌標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，即當(dāng)漿液升到孔口或壩頂連續(xù)劈裂冒漿3次以上時即可認(rèn)為灌漿已達(dá)飽、滿、實要求，可以終灌。

4 土壩壩體灌漿施工

土壩壩體灌漿施工次序：灌漿軸線確定及布孔→灌漿試驗→Ⅰ序孔灌漿→Ⅱ序孔灌漿→Ⅲ序孔灌漿→等待→灌漿質(zhì)量檢查孔施工。

具體施工程序如下所述。

4.1 場地規(guī)劃及施工準(zhǔn)備

進(jìn)行灌漿施工前，先根據(jù)施工場地的地形及招標(biāo)文件的要求，對場地進(jìn)行合理的布置。由于石灰窯水庫大壩壩頂寬 3m，壩長 55.6m，制漿站、配漿站及灌漿系統(tǒng)布置在左壩肩的壩軸線下游側(cè)。

施工前準(zhǔn)備主要有黏土堆料場、水泥庫房、黏土制漿站、配漿站及灌漿系統(tǒng)的準(zhǔn)備，施工平臺、鉆孔機具設(shè)備、供水供電等準(zhǔn)備工作。堆料場、水泥庫房占地面積為80m2，制漿站、配漿站及灌漿系統(tǒng)占地約為60m2。配備的設(shè)備有黏土制漿機 2臺、灰漿攪拌機 2臺、3SNS型灌漿機 2臺、水泵2臺、地質(zhì)鉆機4臺、測斜儀1臺等。

4.2 灌漿試驗

在灌漿設(shè)計之前，必須進(jìn)行灌漿試驗，以論證劈裂灌漿的可行性、可灌性及灌漿設(shè)計的各種技術(shù)參數(shù)，如壩體土的物理力學(xué)性質(zhì)、灌漿孔排數(shù)、孔距、灌漿壓力等。

4.3 鉆孔

灌漿孔為垂直孔，開孔口徑為130～110mm，終孔為 91～75mm，壩土體采用無泵或少許清水鉆進(jìn)成孔，孔斜控制在規(guī)范要求偏差之內(nèi)。

4.4 灌漿材料、制漿及配比控制

壩土灌漿用黏土采用庫區(qū)附近泥巖風(fēng)化的紅黏土，水泥用強度等級PO.42.5普通硅酸鹽水泥。

黏土原漿采用機械、濕法制漿，漿液稠度（密度）為1.1～1.45，以備調(diào)用。

石灰窯水庫壩體灌漿采用水泥:黏土=1:2的水泥黏土混合漿灌注，混合漿比重級為：1.19、1.28、1.35、1.4、1.5共5個級別。

4.5 灌漿的綜合控制

壩體灌漿孔單孔施工工序為：鉆機定位→開孔→下入Ⅰ級套管→鉆進(jìn)→壩土注水試驗→下入Ⅱ級套管→鉆進(jìn)→壩土注水試驗→下入Ⅲ級套管（距結(jié)合部 0.5～1.0m）→鉆穿結(jié)合部進(jìn)入壩基→結(jié)合部壓水試驗、灌漿→待凝鉆進(jìn)下一段→壓水試驗、灌漿→依此循環(huán)直至終孔→壩基、結(jié)合部段封孔→壩體段自下而上劈裂式灌漿，灌完一段起拔一級套管直至壩頂→壩體段封孔、結(jié)束。

石灰窯水庫壩體止?jié){采用多級套管止?jié){，每級套管均用100kg重錘打下0.5～1.0m以確保止?jié){效果。

壩體劈裂式灌漿自下而上分段灌漿段長度控制在不大于10m。

這種自下而上分段、多級套管止?jié){、逐漸（級）劈裂灌注漿液至壩頂?shù)氖┕し椒ǎ梢源_保壩體內(nèi)形成帷幕厚度從下到上（壩頂）的均勻性，達(dá)到較好的防滲效果。

4.5.1 壩體灌漿量的控制

石灰窯水庫壩體灌漿采用水泥:黏土=1:2的水泥黏土混合漿灌注，以先灌稀漿劈裂后逐漸變?yōu)槌涮顫鉂{為原則，一般每一比級灌注 300～400L后即加濃一級直至 1.5比重級終灌。單孔每次灌漿量以“少灌多復(fù)”為原則，停灌后壩頂沉陷量不能太大，而且能很快產(chǎn)生回彈。一般每次單位灌漿量在0.5～1.0m3/m，但對單孔總灌入漿量不控制。復(fù)灌次數(shù)為5～10次，灌漿間隔時間3～5天。

4.5.2 灌漿壓力控制

灌漿壓力以不大于試驗孔確定的劈裂壓力為準(zhǔn)，岸坡段則采用此壓力值的80%來控制，即能達(dá)到“內(nèi)劈外不劈”的效果。灌漿壓力△P（孔口最大允許劈裂壓力）用下式計算：

式中：σ3為作用在鉆孔平面上劈裂點處的最小主應(yīng)力；σ2為沿鉆孔平面劈裂點處三向應(yīng)力狀態(tài)的中間主應(yīng)力，在河曹段σ2=μ（σ1+σ3）；μ為泊松比，一般取 0.35～0.40；σ1為三向應(yīng)力狀態(tài)的最大主應(yīng)力，近似取0.9倍土柱重；α為圓孔應(yīng)力集中系數(shù)，可取2.2～2.5；h為全孔灌漿時注漿管高度；y為漿液容重。

4.5.3 灌漿劈裂縫控制

縱裂（順壩軸方向）控制在停灌后壩面裂縫能自然閉合，其裂縫寬度≯3cm；橫裂一旦發(fā)現(xiàn)立即停灌，分析原因并作處理。

4.5.4 灌漿位移控制

壩頂上、下游兩壩肩處橫向水平位移≯3cm，并在停灌后能基本復(fù)原。

4.6 終灌標(biāo)準(zhǔn)及封孔

終灌標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)漿液升到孔口或壩頂連續(xù)劈裂冒漿3次以上時即可認(rèn)為灌漿已達(dá)飽、滿、實要求，可以終灌；封孔：每孔灌漿完成后，將注漿管拔出，注滿密度＞1.5的稠（濃）漿，并直至漿液不再下沉為止。

5 土壩壩體灌漿施工中遇到的問題及處理辦法

在灌漿施工中，遇到以下幾個問題，其處理的方法如下:

（1）裂縫。分順壩軸方向縱向裂縫和垂直壩軸方向的橫向裂縫?？v向裂縫有劈裂縫和濕陷縫?？v向裂縫劈裂縫處理方法是每次灌漿只要把其裂寬控制在規(guī)定范圍內(nèi)，使之自然閉合；縱向濕陷縫寬度只要控制在規(guī)定范圍內(nèi)，施工中一般也可不予考慮，但要防止水流灌入；橫（斜）向裂縫需要特別重視，多發(fā)生在壩頭、弧形壩段或壩下涵洞的位置，其產(chǎn)生原因是該部位的小主應(yīng)力方向發(fā)生了變化。一旦出現(xiàn)橫（斜）向裂縫，立即停止灌漿孔的灌漿，對裂縫進(jìn)行開挖、回填夯實處理。

（2）冒漿。壩頂冒漿采取停灌處理即可；壩坡冒漿的處理方法是停灌、開挖，用黏土回填夯實冒漿部位；孔口周圍冒漿，采用壓砂封堵，減緩灌漿速度繼續(xù)灌注；壩下放水砌石涵洞冒漿，對冒漿點用棉絮或碎布條塞堵，減緩灌漿速度，加濃灌注漿液并間歇灌注或停灌再多灌幾次。

（3）串漿。灌漿過程中，若鄰孔出現(xiàn)串漿，堵住串漿孔，繼續(xù)灌注。

（4）單孔吃漿量過大，其原因一般有灌漿工藝不當(dāng)；放水涵洞側(cè)墻與壩土存在接觸沖刷有空洞或不密實；壩體存在局部疏松部位等。這些部位往往會出現(xiàn)吃漿量過大的情形，一旦出現(xiàn)，應(yīng)引起重視，具體分析原因，采用控制每次灌漿量，加濃灌注漿液，多灌幾次等方法處理。

（5）縮孔卡鉆。其原因是灌漿施工使壩體含水量過高，孔壁不能自立所致。淺孔抱鉆時，采用倒打重錘強力起拔；深孔抱鉆，主要靠預(yù)防，一旦出現(xiàn)用倒打重錘強力起拔無效時，可采用掏空、邊強力活動邊倒打重錘強力起拔等方法。

（6）止?jié){套管難以起拔。常用倒打重錘強力起拔的方法，有時會出現(xiàn)難以起拔的情形。我們采取的方法是，正常灌漿待壩體被劈裂后尚未回彈時立即倒打重錘強力起拔，非常有效。

6 結(jié)束語

（1）石灰窯水庫土壩壩體灌漿，經(jīng)過對原土壩壩體灌漿的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，對施工技術(shù)進(jìn)行了一些深入探討，對施工中遇到的一些問題進(jìn)行了大膽的嘗試。由于采取科學(xué)的設(shè)計處理方案，正確的施工工藝，達(dá)到了比預(yù)期更好的效果。經(jīng)正常蓄水位檢驗，下游壩坡原 440m2滲漏潮濕區(qū)（散浸）全部消失；下游壩坡中部右側(cè)靠近山體處集中漏水點（滲漏量0.14m3/s）也干涸并消失；壩腳排水棱體后滲漏量從灌前的 1.63m3/s減少為 0.002m3/s，減少率為 99.9%。半年后壩頂探坑（3m）檢測帷幕厚度為9～10cm，完全滿足防滲要求。質(zhì)量檢查孔注水試驗結(jié)果，壩體滲透系K從 2.1×10-3cm/s減少為 2.7×10-5cm/s，完全達(dá)到設(shè)計要求防滲標(biāo)準(zhǔn)K＜1×10-4cm/s的要求。

（2）多個水庫土壩壩體灌漿的實踐證明：根據(jù)土壩的特點，壩土極易產(chǎn)生劈裂，其灌漿的機理主要為劈裂式，其中包括了充填。土壩壩體灌漿應(yīng)與地基灌漿加以區(qū)別，土壩的特點必然應(yīng)反映在灌漿方法中。灌漿前必須通過灌漿試驗，建立科學(xué)、合理的設(shè)計理念和制定可行的設(shè)計方案，施工應(yīng)采取合理的施工工藝，做好土壩壩體劈裂式灌漿中幾個指標(biāo)的綜合控制。比如不能單純的按規(guī)范要求的“全孔孔底自流式灌注的方法灌漿”，而應(yīng)采用自下而上分段（段長≯10m）止?jié){、分段逐漸（級）向上劈裂直至壩頂?shù)墓酀{方法，且應(yīng)施加一定的灌漿壓力。這樣，可以確保壩體內(nèi)從下到上（壩頂）形成的帷幕厚度比較均勻，取得較好的防滲效果。

（3）近年來，小型水庫的除險加固工程較多。但由于受資金、地質(zhì)及施工條件等的影響，多數(shù)小型水庫對壩體的防滲還是采用帷幕灌漿的處理辦法。因此，為了確保土壩壩體灌漿的效果，避免工程造成浪費。我們對土壩壩體灌漿的設(shè)計理念和施工技術(shù)進(jìn)行了深化探討、及時總結(jié)，對施工中遇到的一些問題提出了解決的辦法?？傊?，掌握其施工方法及質(zhì)量控制措施對保證工程施工質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。同時，也可推廣應(yīng)用于其它類似土壩壩體灌漿的施工中。

1 白永年，劉憲奎等， 土壩壩體和堤防灌漿， 水利電力出版社

2 SD266—88 土壩壩體灌漿技術(shù)規(guī)范.