沙坡頭水利樞紐復(fù)雜地質(zhì)條件下的帷幕缺陷處理經(jīng)驗分析

(寧夏沙坡頭水利樞紐有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001)

1 工程概述

沙坡頭水利樞紐位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)縣境內(nèi)的黃河干流上，距自治區(qū)首府銀川市200km，是一座以灌溉、發(fā)電為主的大(2)型綜合性水利工程，水庫總庫容0.26億m2，灌溉面積87.7萬畝，總裝機(jī)容量120.3MW，最大壩高37.8m。樞紐建筑物從左至右依次為土石副壩、北干渠渠首電站、河床機(jī)組電站、隔墩壩、泄洪閘、南干渠渠首電站。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，相應(yīng)流量6550m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇，相應(yīng)流量7480m3/s。

2 泄洪閘及南干電站壩段地質(zhì)構(gòu)造

6號泄洪閘壩段和南干電站位于樞紐右側(cè)樁號(壩右0+119.0～壩右0+175.75m)段，基礎(chǔ)巖體主要由砂巖、炭質(zhì)頁巖和少量泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖等組成，并夾有石膏、鐵明礬集中帶。

6號泄洪閘及南干電站壩段靖遠(yuǎn)組的粉砂質(zhì)泥巖、砂巖裂隙中，裂隙填充型石膏發(fā)育較普遍，厚度多在1～3mm。砂巖與泥巖接觸帶處，有質(zhì)地純的石膏發(fā)育，最大厚度可達(dá)10～30mm。另外，在巖體中零星分布有團(tuán)塊狀原生石膏，最大塊徑10～40mm。

南干電站南側(cè)邊坡有易溶于水、集中分布的鐵明礬條帶，呈順層發(fā)育特征，沿壩軸線分布于樁號壩右0+178m附近，高程1240.00～1241.00m處。鐵明礬的溶蝕，一方面會破壞巖體結(jié)構(gòu)降低巖體密度和強(qiáng)度，另一方面溶蝕形成滲漏通道會產(chǎn)生強(qiáng)化化學(xué)潛蝕作用。

3 泄洪閘及南干電站壩段帷幕缺陷問題的出現(xiàn)

6號泄洪閘及南干電站壩段位于樞紐右岸，壩基上游基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)設(shè)有防滲帷幕和排水孔。2003年11月樞紐泄洪閘壩段壩基防滲帷幕和排水孔施工過程中，發(fā)現(xiàn)已鉆排水管孔口有涌水。2003年12月26日，圍堰破堰基坑充水過流后，隨過閘水位上升局部排水孔排水量迅速增加，且?guī)в写罅课龀鑫?，排水量大的排水孔主要集中?號泄洪閘、南干電站壩位置，總排水量192.6L/min。

4 歷次帷幕灌漿處理措施及處理情況

4.1 第一次帷幕缺陷處理(普通硅酸鹽水泥灌漿)

4.1.1 帷幕處理措施

處理時間為2004年2月—2004年4月。

在涌水量大的部位，沿原主帷幕軸線增加7個間距2m的補(bǔ)強(qiáng)灌漿孔；下游6個副帷幕孔重新進(jìn)行掃孔、灌漿補(bǔ)強(qiáng)；灌漿區(qū)域的9個排水孔進(jìn)行封堵、重造，孔深入基巖8～10m。

工程量：灌漿段長274.5m，注入量15.06t，單位注入量54.85kg/m。

4.1.2 施工時出現(xiàn)的特殊情況

部分灌漿孔與其他灌漿孔、排水孔出現(xiàn)串漿情況；個別孔涌水較大，采用屏漿、閉漿和待凝等辦法完成灌漿。

4.1.3 帷幕處理效果

a.排水量變化情況。副帷幕灌漿結(jié)束后，該壩段排水孔排水量降至63.8L/min，流量明顯減少，但相鄰兩側(cè)的排水孔均表現(xiàn)出流量增大的變化趨勢。主帷幕灌漿結(jié)束后，該區(qū)域僅有3個排水孔出水，排水孔總排水量69L/min。至2004年9月月底隨著水庫水位的升高，出水排水孔逐漸增多，該壩段總排水量達(dá)到137L/min。

4.1.4 灌漿結(jié)論

庫水位尚未蓄至設(shè)計水位，壩基排水部位相對集中，且副帷幕與排水孔之間、排水孔與排水孔之間相互貫通。庫水位蓄至1239.38m后，排水影響范圍向兩側(cè)擴(kuò)散、排水量增大。從水質(zhì)分析結(jié)果看，右岸地下水呈酸性、SO42-含量較高、礦化度含量較高，對混凝土存在腐蝕性，基巖中已有可溶鹽已開始溶出。

4.2 第二次帷幕缺陷處理(普通硅酸鹽水泥灌漿)

4.2.1 帷幕處理措施

處理時間為2004年9月—20004年3月。

沿該壩段下游排副帷幕軸線，以南干電站左側(cè)為中心，向兩側(cè)延伸各共布置15個副帷幕加密孔，間隔2m，孔深入基巖20m；灌漿區(qū)域的12個排水孔進(jìn)行封堵、重造，孔深入基巖8～10m。

工程量：灌漿段長300m，注入量18.5t，單位注入量61.67kg/m。

4.2.2 施工中出現(xiàn)的特殊狀況

副帷幕個別孔在灌漿過程中與其鄰近灌漿孔、排水孔、揚壓力孔相互串漿；施工中個別孔16.1m～22.1m段在灌注過程中長時間不能結(jié)束，吸漿量大。

4.2.3 帷幕處理效果

a.壩基排水量。灌漿前帷幕缺陷壩段排水孔排水量約130L/min左右，第二次灌漿結(jié)束后，該壩段排水孔排水量降至60～70L/min區(qū)間。雖然排水總量減小明顯，但與砂巖段對應(yīng)位置的排水孔較灌漿前流量增大明顯。

b.水質(zhì)分析。第二次灌漿補(bǔ)強(qiáng)結(jié)束后，硫酸鹽離子含量下降不明顯，仍維持在766～2660mg/L腐蝕性區(qū)間；盡管pH值有所上升，但右岸壩基中仍存在可溶巖成分以及pH值為4～5的酸性水，對混凝土存在腐蝕作用；礦化度含量有所降低。

c.壩基揚壓力。灌漿期間該壩的揚壓力基本穩(wěn)定，無明顯規(guī)律性變化，各孔揚壓力基本都維持在0.01～0.025MPa區(qū)間。第二次灌漿處理結(jié)束后，6號泄洪閘左側(cè)(U2-6)揚壓力值呈持續(xù)上升發(fā)展，并超過了設(shè)計控制值。

d.壩基排水析出物監(jiān)測。析出水水質(zhì)化學(xué)成分、析出不溶顆粒物的主要化學(xué)成分，與砂巖巖體夾層內(nèi)存在的易溶巖和中溶巖石膏、鐵明礬、硫酸亞鐵的化學(xué)成分基本一致。

4.2.4 灌漿結(jié)論

第二次灌漿結(jié)束后，壩基排水孔排水量得到了有效控制，但仍有部分排水孔涌水量大且有固體顆粒析出，析出物成分與基巖中石膏、鐵明礬的化學(xué)成分基本一致，說明壩基巖體內(nèi)的可溶性物質(zhì)仍然受滲漏水的溶蝕并被帶出。6號泄洪閘右側(cè)(U2-6)揚壓力值持續(xù)上升至0.168MPa，超過設(shè)計0.146MPa控制值。

4.3 第三次帷幕缺陷處理(普通硅酸鹽水泥灌漿)

4.3.1 帷幕處理措施

處理時間為2009年3月—2009年6月。

帷幕缺陷壩段的排水孔進(jìn)行重造(共33孔)，為改善可溶性物質(zhì)被滲漏水溶蝕帶出的狀況，排水孔孔深調(diào)整為入巖4～6m；揚壓力觀測孔封堵、重造，同時在6號泄洪閘、南干電站壩段分別增設(shè)1個人工揚壓觀測孔；壩右0+123.75～0+175.0壩段的上游側(cè)主帷幕重新灌注，共計26孔(主帷幕孔入基巖深15～42.6m)；壩右0+123.75～0+175.0壩段的下游側(cè)副帷幕重新灌注，共計24孔(副帷幕孔入基巖深10～26m)。

工程量：主帷幕灌漿段長657.69m，注入量165.27t，單位注入量88.55kg/m，單孔最大灌漿注入量38.68t；副帷幕灌漿段長444.4m，注入量39.35t，單位注入量61.67kg/m，單孔最大灌漿注入量10.85t。

4.3.2 施工中遇到的特殊情況

淺層4～10m施灌時，個別透水率大的孔吸漿量極小，至10m以下位置灌漿量逐漸趨于正常； 6號泄洪閘最右側(cè)位置鉆孔至10m，涌水量達(dá)到100L/min，涌水壓力0.15MPa，但最終注灰量僅為1.809t；南干檢修門庫壩段出現(xiàn)特大吸漿量，且在造孔時頻繁出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象；灌漿壩段壩頂出現(xiàn)異常抬升變化。

4.3.3 帷幕處理效果

a.壩基排水量。第三次灌漿前壩基排水總量基本維持在60L/min附近，2009年6月帷幕補(bǔ)強(qiáng)結(jié)束后，排水量降至36L/min，尤其是原排水量較大的幾個排水孔，水量減小明顯，并且呈持續(xù)的減小趨勢。

b.水質(zhì)分析。礦化度含量基本低于灌漿處理之前，并且均呈逐漸遞減的變化趨勢；pH值仍然維持在4.5～6.0區(qū)間變化；硫酸鹽含量除個別孔較之前有升高外，大部分水樣硫酸鹽含量均有明顯減少。

c.壩基揚壓力。第三次帷幕灌漿補(bǔ)強(qiáng)結(jié)束后最顯著的變化是壩段內(nèi)的3個揚壓力孔呈持續(xù)增大變化，6號泄洪閘右側(cè)(U2-6)持續(xù)升至0.212MPa；南干電站左側(cè)(U2-7)由0.01MPa升至0.186MPa；南干電站右側(cè)(U2-8)由0.007MPa升至0.013MPa。

d.壩體變形分析。該次帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿于2009年3月1日開始施工，隨著廊道排水孔封堵及灌漿壓力施加，3月22日施工區(qū)域壩頂出現(xiàn)抬升變化，壩頂最右側(cè)LA-01測站抬升值最大，由右至左抬升逐漸遞減，向左延伸至LA-07測站處，垂直位移變化區(qū)域正常。

4.3.4 灌漿結(jié)論

該次施工中出現(xiàn)“涌水量大、透水率高，而灌漿量低”的現(xiàn)象頻繁，說明目前的主要滲漏裂隙屬細(xì)密型，普通水泥漿液的灌入性差。排水孔入巖深度由8m變更為4m后排水量減小明顯，但壩基排水受到抑制，導(dǎo)致?lián)P壓力升高， 6號泄洪閘右、南干電站左甚至超過146.63kPa設(shè)計允許值，對壩體穩(wěn)定造成影響。

施工期間出現(xiàn)的壩體抬升變形要表現(xiàn)為南干電站右側(cè)壩段變形幅度最大，其次為南干電站左側(cè)壩段、6號泄洪閘壩段，分析主要是由于灌漿壓力以及灌漿施工期間封堵了排水孔的綜合作用所致，壩體位移變形受揚壓力影響明顯。

4.4 第四次帷幕缺陷處理(磨細(xì)水泥+丙烯酸鹽化學(xué)灌漿)

4.4.1 施工方案分析

處理時間為：2015年6月—2016年1月。

為徹底解決壩基帷幕缺陷問題，對該工程部位的地質(zhì)特征、灌漿材料選擇、灌漿施工中的問題等多方面進(jìn)行了反復(fù)分析。

a.地質(zhì)情況分析：該壩段基巖為粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，且填充型石膏發(fā)育、鐵明礬的集中條帶分布，地質(zhì)條件基本屬于易溶于水的軟基巖形態(tài)。

b.灌漿情況分析：第一次、第二次灌漿處理出現(xiàn)的主要問題是孔與孔之間相互串漿；第三次灌漿處理出現(xiàn)的主要問題是涌水量大、透水率高的孔注漿量低，甚至不吸漿，說明主要為細(xì)密型裂隙滲漏。

c.灌漿效果分析：揚壓力降低導(dǎo)致排水量、析出物增大，排水量降低導(dǎo)致?lián)P壓力超標(biāo)，甚至影響壩體穩(wěn)定的處理效果說明，要協(xié)調(diào)好“揚壓力、排水量、溶蝕析出”關(guān)系的最終辦法還是要實現(xiàn)對細(xì)密裂隙的封堵。

通過分析確定了 “磨細(xì)水泥漿液+化學(xué)漿液”的施工方案：?針對軟基巖透水性強(qiáng)的特征，采用“阻、排并重，以阻為主”的補(bǔ)強(qiáng)措施；?在上游排用磨細(xì)水泥+化學(xué)漿液對大滲漏裂隙及可能存在的溶蝕空腔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；?在下游排用化學(xué)漿液對細(xì)密滲漏裂隙進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；?排水孔封堵采取“邊灌漿邊封堵、隨串漿隨封堵”方式，同時排水孔入巖深度恢復(fù)至8～10m形成有效泄壓。

4.4.2 帷幕施工內(nèi)容

上游排主帷幕采用磨細(xì)水+丙烯酸鹽漿液重新灌漿；下游排副帷幕采用丙烯酸鹽化學(xué)漿液重新灌漿；重造排水孔，重造揚壓力觀測孔，并增設(shè)兩個人工揚壓力比測孔。

主帷幕工程量：水泥灌漿段長833.23m，水泥注入量14.37t，水泥漿液單位注漿量17.24kg/m，臨時調(diào)整為丙烯酸鹽灌漿段長88.5m，丙烯酸鹽注入量6.2t，丙烯酸鹽單位注入量70.06kg/m。

副帷幕工程量：丙烯酸鹽灌漿段長671.3m，丙烯酸鹽注入量22.32t，丙烯酸鹽單位注入量33.2kg/m。

4.4.3 施工中遇到的特殊情況及處理措施

透水率大、漿量小的灌漿孔，采取“有機(jī)+無機(jī)材料混合性”灌漿或純化學(xué)材料灌漿，丙烯酸鹽細(xì)微裂隙填充取得了明顯的效果；涌水量大的灌漿孔采取“縮短灌漿段長以減小孔內(nèi)涌水，灌漿泵組合使用以增加灌入流量”的施工措施。

4.4.4 處理效果

a.壩基排水量。第四次帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿后該壩段區(qū)域內(nèi)的排水孔排水量維持在90～100L/min區(qū)間，與第一次灌漿處理后的排水總量相近，高于第三次帷幕處理后排水總量60L/min的主要原因是排水孔入巖深度恢復(fù)至8～10m。

b.壩基揚壓力。帷幕補(bǔ)強(qiáng)處理之后在經(jīng)歷一段時間的發(fā)展變化后，原壓力最大的南干電站左側(cè)(U2-6)位置壓力降至0.076MPa，6號泄洪閘右側(cè)(U2-5)降至0.028MPa，南干電站右側(cè)(U2-8)降至0.022MPa。

帷幕灌漿前后揚壓力值對比見下表。

帷幕灌漿前后揚壓力值對比表 (單位：kPa)

c.壩基水質(zhì)。硫酸根離子pH值基本仍維持在原區(qū)間，礦化度有小幅下降。Ca2+含量230～510mg/L，Na+含量73～285mg/L，Cl-含量70～260mg/L，Al3+含量0.14～12mg/L，與6號泄洪閘及南干電站壩段基巖內(nèi)石膏、鐵明礬等可溶鹽成分相符。只要排水孔長期排漏，可溶鹽的溶蝕作用必將一直存在，但經(jīng)過帷幕灌漿處理排水量下降后，排水溝內(nèi)析出物沉淀明顯減少。

5 結(jié) 論

5.1 灌漿前做好調(diào)查研究

為使灌漿更符合實際情況，在灌漿前要充分了解壩址區(qū)斷層、裂隙、破碎帶等地質(zhì)情況，分析軟弱夾層、填充物等各種不利的地質(zhì)條件。同時在設(shè)計或施工前，先進(jìn)行灌漿試驗，試驗所得成果結(jié)合地質(zhì)、勘探等資料為設(shè)計和施工提供參考。

5.2 針對不同基巖采取不同防滲方式

強(qiáng)透水性基巖，帷幕防滲宜 “以阻為主，結(jié)合排水”；弱透水性基巖，帷幕防滲宜“以排為主，結(jié)合少量帷幕灌漿”；而對于軟基巖、斷層、泥化夾層等特殊地質(zhì)條件，宜采取“阻排并重，結(jié)合排水，同時排水管采取專門防止細(xì)顆粒土流出”的措施。

5.3 針對不同基巖采取不同灌漿材料

普通硅酸鹽水泥粒徑多小于80μm，適用于基巖中寬度為0.25～0.4mm的裂隙；磨細(xì)水泥最大顆粒Dmax在35μm以下，適用于基巖中寬度小于0.2mm微細(xì)裂隙；對于巖體中微細(xì)裂隙或基巖中存在的軟基巖層、層間溶蝕帶等不良地質(zhì)條件部位，可采用磨細(xì)水泥+化學(xué)材料復(fù)合灌漿方法處理。

5.4 針對施工狀況及時調(diào)整施工方案

由于帷幕灌漿屬于隱蔽工程，漿液在壩基中的走向、填充情況都無法直觀了解，因此在帷幕灌漿的施工過程中，要隨時根據(jù)現(xiàn)場實際情況和已灌孔灌漿資料對孔序、孔深、段長等施工方案進(jìn)行及時調(diào)整。

5.5 施工中要加強(qiáng)大壩位移變形監(jiān)測

揚壓力是影響重力壩安全穩(wěn)定、抗滑性能的重要因素，大壩在靜水滲透壓力作用下，任何外加的荷載都可能對壩體穩(wěn)定造成影響，因此在進(jìn)行帷幕灌漿時，考慮排水泄壓的同時，要加強(qiáng)對壩體變形位移的監(jiān)測。