赤泥庫大壩滲漏分析及灌漿處理技術(shù)

黃全海，趙尊亭，王利芳

(1．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南 洛陽471023;2．河南省巖土工程有限公司，河南洛陽471023)

0 引言

滲水是水工建筑物運行中難以避免但也不能忽視的現(xiàn)象，滲漏嚴重時選取適宜的處理措施是確保壩體安全的關(guān)鍵。在洛陽市境內(nèi)的某赤泥庫，由于企業(yè)在赤泥庫壩體工程未全面完工時就開始投入試運行，試運行中發(fā)生大面積滲漏及管涌，嚴重威脅著大壩的安全，經(jīng)過滲漏原因分析及現(xiàn)場試驗，采用“上游堵截滲水來源，下游增加排滲措施”的方法進行搶險加固，取得了較好的防滲堵漏效果。

1 工程概況

發(fā)生壩體滲漏的赤泥庫屬山谷型赤泥堆積庫，庫址三面環(huán)山，一面筑壩，庫底及壩基地層為互層狀灰白色、暗紅色強風(fēng)化及中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和泥巖。該赤泥庫設(shè)計壩頂高程490 m，壩底高程440 m，壩高50 m，壩軸線長470 m，壩頂寬6．2 m，內(nèi)坡比為1∶2．0，外坡設(shè)置3條馬道，平均外坡比1∶3，壩體內(nèi)坡面鋪設(shè)土工膜(兩布一膜)進行防滲，土工膜下鋪設(shè)垂直于壩坡1200 mm厚的砂礫排滲帶。在壩體外坡430 m標高設(shè)置排水棱體，排水棱體頂部高程430 m，高5 m，頂寬2．0 m，內(nèi)坡比 1∶1．5，外坡比1∶2．0。在排水棱體與壩體接觸部位設(shè)置600 mm厚反濾層。

工程未全面完工情況下試運行，試運行中當庫內(nèi)水位達到475．1 m時，大壩外坡出現(xiàn)嚴重滲水，部分區(qū)域出現(xiàn)直徑10 mm左右的管涌，另外多處出現(xiàn)大面積沼澤化情況。據(jù)現(xiàn)場測量，壩體最高滲水點高程473 m，比庫內(nèi)水位低2．1 m，最低滲水點高程455 m，整個滲水區(qū)域面積約7200 m2。

2 滲漏原因分析

根據(jù)壩體施工日志及應(yīng)急勘探孔檢查情況，綜合分析后得出壩體滲漏主要有以下幾個方面原因。

(1)大壩施工質(zhì)量差，筑壩材料不符合設(shè)計要求。

壩體原設(shè)計為均質(zhì)土壩，筑壩材料選用當?shù)卣惩?，要求均質(zhì)壩的水平滲透系數(shù) ＜1×10－4cm/s。大壩施工中質(zhì)量未得到有效控制，施工材料選用的是現(xiàn)場風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖，其內(nèi)含有大量超徑石塊和砂礫巖，筑壩材料中最大塊石粒徑達500 mm，筑壩材料不均勻，石塊局部集中，造成粗料局部架空或孔隙很大，壓實度達不到設(shè)計要求;現(xiàn)場應(yīng)急勘察鉆進施工時泥漿漏失嚴重，局部地段出現(xiàn)孔口不返漿的現(xiàn)象;根據(jù)現(xiàn)場進行的分段鉆孔降水頭注水試驗情況分析，勘探孔深度范圍內(nèi)滲透系數(shù)均＞4×10－3cm/s，特別是在高程455～475 m，壩體滲透系數(shù)為3．2 ×10－2～8．5 ×10－2cm/s，具有強—中透水性。注水試驗成果見表1。

表1 KC1孔注水實驗成果統(tǒng)計表

(2)土工膜防滲失效。

壩體防滲設(shè)計主要采取在內(nèi)坡面鋪設(shè)土工膜(兩布一膜)進行防滲，同時為了防止土工膜破損，在壩體與土工膜之間鋪設(shè)500 mm厚的粘土墊層加以保護。土工膜在施工時，施工工作面積過大，土工膜未按原設(shè)計要求預(yù)留余幅(1．5%)，焊縫搭接寬度及粘結(jié)強度不足，壩體及膜下墊層施工質(zhì)量差，在外部荷載作用下，出現(xiàn)土工膜的接縫局部撕裂現(xiàn)象，導(dǎo)致防水失效。

(3)部分安全設(shè)施未按進度完成。

圖1 帷幕灌漿設(shè)計立面圖

原設(shè)計在壩內(nèi)坡設(shè)置1200 mm厚的砂礫石斜臥排滲層，方便壩前堆積的赤泥內(nèi)的滲水通過此排滲層及庫底滲水導(dǎo)流管排到壩下游，加速壩內(nèi)沉積赤泥的排水固結(jié)，起到一定防滲降低浸潤線的作用。從施工日志上看，壩內(nèi)472～490 m標高段未按設(shè)計鋪設(shè)排滲層，且壩體下游坡原設(shè)計的排水棱體及回水池未施工，在滲水導(dǎo)流管封堵的情況下，排滲層不能工作，導(dǎo)致下游壩面浸潤線出逸較高。

3 搶險加固設(shè)計

3．1 設(shè)計理念

根據(jù)大壩滲漏情況及滲漏原因分析，擬定對大壩進行搶險加固。搶險加固的主要原則是“內(nèi)堵外排”，確保大壩安全。針對該赤泥庫的滲漏原因，采取的內(nèi)堵就是加強內(nèi)坡土工膜的防滲，并在壩體中間增設(shè)一道防滲墻，截斷滲漏通道;外排就是在壩的下游坡采用導(dǎo)滲和濾水措施，使?jié)B水在不帶走土顆粒的前提下，迅速安全排出，以達到滲透安全穩(wěn)定。具體措施就是沿壩頂軸線灌漿，形成一道防滲墻;加固上游土工布防滲，完善下游壩坡導(dǎo)滲溝設(shè)置及下游壩腳處排水棱體。

3．2 壩體防滲墻設(shè)計

防滲墻采用灌漿處理形成，防滲墻處理范圍為從大壩樁號0+000～471 m全壩段，處理深度為壩頂至壩底基巖下5．0 m，處理后即可在壩體中軸線上游形成一道厚度≮2．0 m的水泥防滲墻，阻止壩體上游的滲水，如圖1所示。灌漿孔初步采用2排布孔設(shè)計，排距1．5 m，孔距1．0 m，呈梅花型布置，其中下排孔位于壩軸線處;灌漿時先施工下游再施工上游，每排孔均按Ⅲ序孔施工，施工順序見圖2;灌漿材料采用42．5硅酸鹽水泥加適當用量粘土與水拌勻，灌漿方法采用孔口壓塞、自上而下、孔內(nèi)循環(huán)的方法，灌注最大壓力暫定為1．5 MPa，根據(jù)現(xiàn)場試驗情況進行調(diào)整;灌漿處理后形成的防滲墻滲透系數(shù)應(yīng) ＜1 ×10－5cm/s。

圖2 灌漿施工分序圖

3．3 施工前灌漿試驗

由于壩體施工質(zhì)量較差、滲漏嚴重，且壩體下游有村民居住，事故處理專家組建議先通過現(xiàn)場灌漿試驗來驗證采用帷幕灌漿在技術(shù)上的可行性、效果上的可靠性以及經(jīng)濟上的合理性，并要求對擬采用的灌漿施工工藝、灌漿漿液的類別配比和灌漿壓力等技術(shù)參數(shù)的適宜性進行檢驗。帷幕灌漿試驗選擇在壩軸線中部左側(cè)區(qū)域進行，共施工試驗孔3個，檢測孔1個，完成鉆探進尺142．7 m。

試驗鉆孔采用硬質(zhì)合金鉆頭泥漿護壁回轉(zhuǎn)鉆進，鉆孔直徑110 mm，灌漿方法采用自上而下分段、孔口壓塞、孔內(nèi)循環(huán)法，檢測孔布置在3個灌漿孔中心部位，鉆孔降水頭注水試驗在灌漿結(jié)束后14天進行，鉆孔注水試驗分3段進行。通過帷幕灌漿試驗，得出如下結(jié)淪:

(1)硬質(zhì)合金鉆頭泥漿護壁回轉(zhuǎn)鉆進方法，在碎石含量較高的區(qū)域及底部基巖部位施工技術(shù)上是可行的;

(2)段長劃分采用第一段2 m，第二段3 m，第三段3 m，第四段及其以下各段均為5 m比較合適;

(3)以水泥粘土漿為主要灌注漿材，粘土摻量為水泥質(zhì)量的30%，灌漿漿液由稀至濃逐級變換，漿液水灰比采用3、2、1、0．6 等 4 個比級，技術(shù)上可行，經(jīng)濟上合理;

(4)注漿壓力第一段選用0．3 MPa，向下每段增加0．2 MPa，最大注漿壓力為1．5 MPa時，注漿效果能夠滿足設(shè)計要求;

(5)采用孔口壓塞、自上而下、孔內(nèi)循環(huán)的灌漿方法，平均單位耗灰量 238．27～514．08 kg/m，且單位耗灰量根據(jù)注漿孔施工循序由前到后逐漸減少，整體上灌漿效果比較理想;

(6)注水試驗證明，地層滲透系數(shù)為35．74×10－6～1．13 ×10－5cm/s，基本能達到設(shè)計要求的防滲效果。

4 帷幕灌漿施工

根據(jù)設(shè)計圖紙，赤泥庫初期壩壩軸線長471 m，設(shè)計2排注漿孔，共設(shè)計鉆孔943個，梅花型布置，孔深5～51．7 m(根據(jù)實際壩體高度進行調(diào)整，以孔底超過壩基以下基巖5 m為準)。鉆孔施工時采用硬質(zhì)合金鉆頭泥漿護壁回轉(zhuǎn)鉆進，鉆孔直徑110 mm，灌漿方法采用自上而下分段、孔口壓塞、孔內(nèi)循環(huán)法。由于工程量較大，施工時分成10個單元進行管理。

4．1 施工工藝流程

帷幕灌漿施工的工藝流程為:測放孔位→埋設(shè)孔口管→鉆孔→鉆孔沖洗→灌漿→待凝→鉆下段(循環(huán))→封孔→搬遷至下一孔。

4．2 灌漿時漿液濃度變換原則

(1)每段灌漿前使用灌漿漿液置換孔內(nèi)泥漿;

(2)當水灰比3的漿液灌注400 L以上，而漿液注入率和壓力均無明顯變化時變濃一級;

(3)其它水灰比的漿液灌注600 L以上，而漿液注入率和壓力均無明顯變化時變濃一級;

(4)當漿液注入率＞40 L/min，灌注800 L以上時，可越一級變濃;

(5)鉆孔時孔口長時間不返泥漿的，可直接灌注最濃一級漿液;

(6)當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比。

4．3 灌漿結(jié)束標準及封孔

在該段設(shè)計壓力下，當漿液注入率≯1 L/min時，繼續(xù)灌注60 min結(jié)束灌漿。封孔采用“全孔壓力灌漿封孔法”，即全孔灌漿完畢后，先不提射漿管，用射漿管將孔內(nèi)余漿全部置換成水灰比為0.6的濃漿，然后提出射漿管、將孔口封閉，繼續(xù)使用濃漿進行純壓灌漿封孔時間≮1 h。

4．4 灌漿觀測工作

為保證壩體灌漿質(zhì)量和壩體安全，檢驗灌漿效果，在灌漿期間進行壩體觀測，項目包括:表面變形、壩體位移、壩頂裂縫、壩體冒漿、滲流等。在灌漿過程中，設(shè)有專職觀測人員負責(zé)觀測工作，全面控制灌漿質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)和解決施工中出現(xiàn)的問題;對于位移觀測(包括沉降觀測和位移觀測)，根據(jù)選定的觀測斷面，對布設(shè)的觀測混凝土樁，在灌漿期間每天觀測2～4次，非灌漿期間每5天觀測1次;其它觀測內(nèi)容每天觀測2次。

4．5 灌漿施工過程中特殊情況的處理

4．5．1 塌孔

鉆孔經(jīng)過碎石含量較高的部位時，由于地層相對松散，孔壁不穩(wěn)，易發(fā)生掉塊及塌孔的現(xiàn)象，此時采用在循環(huán)泥漿中加入2%～3%的廣譜類護壁劑，用小泵量循環(huán)快速通過，當孔壁不穩(wěn)定地段較厚時，采用下入套管護壁的方式進行施工。

4．5．2 灌漿中斷

由于機械設(shè)備、輸漿管等發(fā)生故障或因地質(zhì)因素的影響而發(fā)生灌漿中斷時，必須迅速處理，以使灌漿連續(xù)進行。短時間內(nèi)恢復(fù)的，若吸漿量與灌注前相同或相近，可采用中斷前的比級續(xù)灌，若吸漿量較灌前大幅減少，則改用最稀一級配比灌注。當中斷時間超過初凝時間時，應(yīng)重新下鉆掃孔和沖洗鉆孔，用起始水灰比進行復(fù)灌;復(fù)灌后若吸漿量大幅減少且在極短時間內(nèi)停止吸漿，則該孔段灌注無效，應(yīng)采取其它補求措施。

4．5．3 串漿

由于施工質(zhì)量較差，部分地段大面積存在碎石架空現(xiàn)象，在灌漿過程中往往發(fā)生串漿現(xiàn)象，此時采取如下措施:

(1)串漿孔與灌漿孔同時施灌;

(2)在串漿孔內(nèi)漏漿段以上部位安設(shè)止水塞，嚴密封堵，灌漿孔按要求正常灌注，待灌漿孔灌漿結(jié)束后，再對串漿孔進行掃孔、沖洗、而后繼續(xù)進行鉆進或灌漿;

(3)適當增大相鄰兩個次序孔先后施工的間隔時間。

4．5．4 地表冒漿

由于部分地段的灌漿孔段與地表有垂直方向的連通孔隙，在灌漿壓力較大而灌漿段的位置又較淺時，常易發(fā)生地表冒漿現(xiàn)象。這種情況下可采取調(diào)濃漿液、摻速凝劑、加粗骨料、降低泵壓、限制吸漿量等方法進行處理，或用間歇法(間歇10 min灌注30 min)以及停灌待凝48 h然后掃孔、沖孔、復(fù)灌加以處理。

4．5．5 地層嚴重漏漿

由于筑壩施工過程中碎石局部較集中，碎石架空現(xiàn)象明顯，灌漿過程中常常發(fā)生嚴重漏漿的現(xiàn)象，處理時一般按下述原則進行。

(1)降低灌注壓力:用低壓或自流式灌漿，待孔隙逐漸充滿漿液并降低流動性后再逐漸升高壓力，按正常程序進行灌注;

(2)限制進漿量:將進漿量限制在30 L/min以下，使用濃漿進行灌注，待進漿量明顯減少時，將壓力逐漸升高，如此反復(fù)進行;

(3)增大漿液濃度:使用濃度大的漿液灌注，必要時可摻加砂(粘土)料配制濃漿，并適當降低壓力，待單位吸漿量降低后再用純水泥漿并逐漸升高壓力施灌;

(4)間歇灌漿:在長時間內(nèi)地層一直大量吸漿并且基本不起壓力的情況下使用。

5 加固及完善其它安全設(shè)施

5．1 壩上游土工膜防滲加固

鑒于庫內(nèi)沉積赤泥已接近472 m標高，對472 m標高以下的土工膜進行加固防滲已不現(xiàn)實。故僅對標高472 m以上的土工膜進行加固。并在壩上游土工膜外新加一道2000 mm厚粘土防滲層，粘土防滲層選用粘土，迎水面拍打密實平整。同時在粘土防滲層上，復(fù)鋪一層厚度為2 mm的HDPE土工膜，土工膜拼接時選用熱熔焊法，焊縫搭接寬300 mm。其底部必須與前次鋪設(shè)土工膜焊接可靠，構(gòu)成完全封閉體系。

5．2 增加導(dǎo)滲溝

壩體下游出現(xiàn)大面積滲水及明流，滲水逸出點較高。為了保護下游坡滲透穩(wěn)定，采用導(dǎo)滲處理是一種有效的處理方法。沿壩軸線每隔10～15 m布置一條縱向?qū)B溝，為了達到較好的排滲效果，分別在480、470、460 m馬道下游處，結(jié)合縱向?qū)B溝，布置三道“W”形支導(dǎo)滲溝，滲水匯集到縱向?qū)B溝后排至下游排水溝，再由排水溝匯集至回水池。

5．3 增設(shè)貼坡排水體

鑒于大壩下游浸潤線逸出點高，原設(shè)計排水棱體未及時施工，影響大壩下游坡的安全?，F(xiàn)按原圖施工會影響大壩安全，故在下游坡腳設(shè)貼坡排水棱體，加大棱體厚度和高度。設(shè)計棱體頂面高程440 m，頂部寬10．0 m，外坡坡比1∶3．0，內(nèi)坡同壩外坡，壩腳清基至422．9 m標高，清基底寬10．0 m，基坑邊坡1∶1．0，貼坡采用干砌石結(jié)構(gòu)。排水體與壩體之間設(shè)反濾層，保護壩體滲透穩(wěn)定。反濾層采用3層貼近壩體第一層為粒徑0．25～1 mm的砂，厚300 mm;中間層為粒徑1～5 mm的礫石，厚300 mm;外層為粒徑5～20 mm的碎石或卵石，厚300 mm。壩腳處設(shè)排水溝匯集濾水。

6 搶險加固效果

6．1 帷幕灌漿質(zhì)量檢查

帷幕灌漿質(zhì)量檢查以鉆孔取心觀察和檢查孔降水頭注水試驗為主，注水試驗在壩段灌漿結(jié)束14天后進行。本工程質(zhì)量檢查孔均由監(jiān)理單位、設(shè)計單位布置，共在10個單元中布置注水試驗孔20個，每個單元2個孔，均位于2排灌漿孔中間，完成注水試驗72段，測得各試驗段的綜合滲透系數(shù)為2．3×10－6～8．9 ×10－6cm/s，均 ＜1 ×10－5cm/s，合格率 100%。

6．2 運行效果評價

搶險加固工程結(jié)束后壩體外坡已沒有滲出點出現(xiàn)，經(jīng)過3個月的尾礦排放試運行后通過了主管部門的竣工驗收，目前該赤泥庫已經(jīng)堆積至最終設(shè)計標高，進入到閉庫程序，壩外坡未再出現(xiàn)滲漏情況，導(dǎo)滲管排滲正常，赤泥庫整體運行良好。

7 結(jié)語

從壩體搶險加固后的鉆孔取心、注水試驗和運行情況看，針對該赤泥庫滲漏采取的“內(nèi)堵外排”措施是行之有效的，尤其是灌漿施工前的試驗工作，為該工程的鉆孔施工工藝、灌漿壓力、段長的劃分及漿液水灰比的比級選取等參數(shù)的適宜性提供了直接的依據(jù)，尤其是在碎石較集中區(qū)域的鉆探施工及灌漿參數(shù)的選取，得出了較為可貴的經(jīng)驗，值得在類似地層中推廣應(yīng)用。

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