喻家河水庫大壩基礎處理施工方法

劉安宇，楊仕志

(1. 湖北大禹水利水電建設有限責任公司，湖北 武漢 430070；2. 湖北省水利水電規(guī)劃勘察設計院，湖北 武漢 430071)

喻家河水庫大壩位于湖北省恩施市龍鳳壩鎮(zhèn)清水河上。工程大壩為碾壓混凝土重力壩，由河床溢流壩段和兩岸非溢流壩段組成。壩頂高程為543.00 m，壩基建基面高程483.00 m，相應的最大壩高為60 m。壩頂寬度5 m，大壩總長270 m，從左至右分10個壩段，其中1～3號壩段在左岸。

1 特殊的工程地質條件

水庫工程壩區(qū)位于柏楊坪向斜西支北西翼地層，單斜地層結構。右岸壩段主要為吳家坪組薄層硅質巖，巖體較完整，上游段巖體完整性好于下游段巖體。下游段巖體局部裂隙夾泥。河床壩段主要為厚層灰?guī)r夾硅質巖互層，硬脆碎特征或厚層灰?guī)r夾硅質巖互層。左岸壩段主要為大隆組泥灰?guī)r夾頁巖，層間結合較差。結構面較發(fā)育-發(fā)育，不利于壩基穩(wěn)定。綜上河床壩段和右岸壩段采用常規(guī)處理措施即可滿足建基面要求，但左岸工程地質條件較差，明顯不滿足工程建基面要求，需要進行處理。

工程大壩于2015-04-28日正式開工建設，逐步揭示大壩河床及左岸銜接部位及左岸岸坡工程地質條件較復雜，現(xiàn)場重新補充勘探顯示2號壩段及3號壩段斜坡段巖體風化破碎現(xiàn)象十分突出，存在下伏緩傾角推覆斷層F，斷層之間有弱夾層，具有“上硬下軟”巖性結構特征，臨坡開挖邊坡強風化巖體厚度較厚。造成原岸坡地層弱風化下限劃分較淺，與原勘探不符，開挖建基面不滿足地基基礎設計要求。

大壩左岸開挖范圍地層屬推覆斷層F上盤地層，地層巖性由大隆組泥灰?guī)r夾頁巖、大冶組薄層夾中厚層白云質灰?guī)r組成，總體傾向左岸偏下游，近斷層影響帶巖層褶皺發(fā)育，臨坡卸荷裂隙及地下水溶慮作用形成強風化巖體。開挖邊坡為緩傾角逆向巖質邊坡，雖然整體結構屬于穩(wěn)定類型，但由于地層巖性結構差異風化特征，在左壩肩開挖過程中，出現(xiàn)臨坡巖體松弛變形、局部滑塌現(xiàn)象，根據(jù)施工期補充勘察，確認上部強風化巖體及崩塌堆積物。

2 設計、施工提出的處理措施

根據(jù)大壩基礎開挖揭露的建筑物地基地質條件及發(fā)現(xiàn)的工程地質問題，設計中突出解決兩大問題：一是左岸的地基處理問題，主要解決地基的滲漏和地基破碎問題，其措施是采取帷幕灌漿；二是左岸壩體的穩(wěn)定問題，如果按照與右岸相同的壩體斷面，其抗滑穩(wěn)定不能滿足要求，其解決措施是對左岸壩體采取“特殊措施”，即采取上下游拖板、深層固結灌漿、錨樁等綜合處理措施。對于喻家河水庫大壩左岸這種特殊地基，其灌漿方法還有其特殊性，本文根據(jù)筆者親身的經驗和體會，將帷幕灌漿和固結灌漿的基礎處理問題作粗淺的敘述。

2.1 前期工作

第一步是先導孔和試驗段工作。根據(jù)先導孔、試驗段和灌漿平洞地質資料，左岸灌漿帷幕分三個區(qū)：壩基段(包括1、2、3號壩段斜坡段壩基)、近壩岸坡段(左岸壩頭接灌漿平洞內50 m范圍)和遠壩段(灌漿平洞50～170 m范圍)。

根據(jù)前期勘察及先導孔巖性分布，左岸壩肩基礎中上部灰?guī)r段巖性為泥質灰?guī)r、白云質灰?guī)r，構成推覆斷層上盤地層，巖體結構破碎，透水性極強。岸坡段順河向卸荷裂隙帶構成近壩段上下游的巖溶裂隙滲漏通道，灌漿平洞內該段帷幕灌漿試驗段灌漿孔在高程480～500 m區(qū)間溶蝕裂隙細沙充填，屬于重點截滲區(qū)域。左岸壩肩基礎下部硅質巖巖性段構成推覆斷層下盤地層，巖體結構較完整，巖性相對不透水，構成左岸壩肩基礎及近壩段下部相對隔水層。

為了大壩滲流穩(wěn)定安全，防滲設計的總體思路是：壩基段和近壩岸坡段帷幕底部進入相對隔水層硅質巖巖性段，形成封閉帷幕，遠壩段由于相對隔水層較深，帷幕端點也沒有達到相對隔水層，擬采取懸掛式帷幕，帷幕底線參考地下水位并通過滲流分析合理確定。

巖體裂隙充填物允許坡降的確定：左岸壩基壩肩為裂隙巖體，屬破碎和較破碎，巖性為中厚層塊狀白云質灰?guī)r夾頁巖，頁巖夾薄層狀灰?guī)r、泥灰?guī)r或灰?guī)r，泥灰?guī)r夾頁巖，互層結構，沿壩肩卸荷裂隙發(fā)育，并有強風化帶分布，容易形成滲漏通道。滲透變形主要是裂隙充填物的顆粒位移和掏空，屬機械管涌。根據(jù)野外和平洞調查，本工程巖體裂隙充填物為巖屑和粘土，局部裂隙張開，充填較密實。裂隙充填物的滲透坡降參考經驗值。根據(jù)資料并結合本工程巖體特點，裂隙充填物的滲透臨界坡降取值2.3，允許坡降為臨界坡降為1.5。

左岸岸坡地質結構以F斷層為界分為兩個地質單元：F斷層下盤為吳家坪組硅質巖夾灰?guī)r，巖體相對較完整，屬相對隔水巖組。F斷層以上(高程489～470 m)受構造影響，巖體破碎，呈碎塊狀結構，左岸巖體處在F斷層上盤，地層巖性自上而下為薄層白云質灰?guī)r、泥灰?guī)r夾頁巖、薄層硅質巖夾灰?guī)r。地層產狀傾向80°～90°傾角18°～20°。層間褶皺發(fā)育，舒緩波狀，巖體破碎，松散，裂隙張開充填泥質和巖屑，局部發(fā)育陡傾順河向卸荷裂隙。

2.2 左岸基礎帷幕設計

1、2、3號壩段和左岸灌漿洞進口50 m范圍內帷幕灌漿為3排，排距0.75 m，間距2.0 m；左岸灌漿洞內其他帷幕灌漿為2排，帷幕灌漿孔距2.00 m，孔深根據(jù)先導孔成果確定，按深入相對不透水層(q≤5 Lu)以下5.00 m控制。基于固結灌漿施工中耗灰量巨大，為查明左岸帷幕灌漿底線以及為大面積帷幕灌漿提供經驗，現(xiàn)場進行了帷幕灌漿試驗，并以此成果調整帷幕底線。帷幕灌漿施工順序為：下游排、上游排、中間排。

2.2.1 左岸帷幕灌漿試驗

喻家河水庫左岸壩肩及壩頂灌漿平洞巖體屬于極強透水巖體，前期壩肩固結灌漿出現(xiàn)吸漿量過大，注漿孔持續(xù)不起壓不回漿現(xiàn)象。為保證有效防滲，在左岸帷幕灌漿施工前進行專項帷幕灌漿先導孔及帷幕灌漿生產性試驗研究[1]。帷幕灌漿先導孔選取設計左岸帷幕線17個Ⅰ序孔進行，試驗段選取灌漿平洞內41.5～49.5 m的8 m段長進行三序孔生產性灌漿試驗，施工順序為：下游排、上游排、中間排。圖1為左岸試驗段帷幕灌漿孔及檢查孔孔位布置圖。

圖1 左岸試驗段帷幕灌漿孔及檢查孔位布置圖

帷幕灌漿試驗段檢查孔有5段小于5 Lu，其余均在5～10 Lu之間，雖然試驗段透水率不滿足規(guī)范和設計要求，但從總體來看，能將大部分孔段透水率大于100 Lu的試驗段灌到小于10 Lu，說明試驗段總體達到了試驗目的,工藝可用于指導左岸大面積帷幕灌漿施工，對于局部檢查孔透水率大于5 Lu部位采用補灌的方式使其達到規(guī)范和設計要求。根據(jù)帷幕灌漿先導孔成果，設計部分加深了壩肩至洞內50 m的三排帷幕灌漿底線。其他洞內帷幕灌漿按照懸掛帷幕的要求，經滲流穩(wěn)定計算滿足要求后適當提高了帷幕底線，未完全深入相對不透水層。

2.2.2 左岸帷幕灌漿后滲流穩(wěn)定計算

左岸帷幕灌漿形成后的滲流穩(wěn)定計算工況：上游水位取校核洪水位，下游取最低水位。

經過計算分析表明，左岸滲流穩(wěn)定滿足地質專業(yè)提出的允許坡降1.5的要求，其中灌漿洞內由于上下游山體雄厚，故滲流坡降很小。1號壩段由于壩底面較窄，滲透坡降最大，達到了1.29，2號壩段次之，但也達到了0.70。設計也計劃在左岸增加滲流觀測設施等[2]。確保大壩滲流穩(wěn)定。

3 帷幕灌漿施工

由于該施工部位地質條件特殊，在此前相同地質條件下各灌漿孔段注入量均超大，對該部位灌漿主要采用先回填或充填灌漿，再進行壓力固結灌漿，最后按相應壓力灌漿達到防滲效果。根據(jù)之前灌漿情況總結分析，該灌漿部位均采用少灌多復，結合濃漿間歇，灌入一定數(shù)量后停灌待凝，并根據(jù)累計注入量情況摻入砂漿或添加速凝劑等灌注方式。

具體操作如下：①對于鉆孔無回水孔段，上下首次送漿采用1∶1純水泥漿按1.6 t/m灌注，若注入量無變化，則摻入砂漿灌注，砂漿應充分攪拌，保證其和易性。砂漿累計注入量亦按1.6 t/m控制，若注入量仍無明顯變化，則添加速凝劑灌注，直至灌滿孔段頂部以上漿液不下降為止。②中間排用純水泥漿灌注，采用少灌多復的原則，開灌水灰比按規(guī)范和設計要求控制，累計注入量達2.0 t時，則停灌待凝24 h以上再掃孔復灌。直到滿足設計灌漿壓力和灌漿結束標準方可進行下一段鉆灌施工。③灌注水泥砂漿時，水泥砂漿的重量比為水∶水泥∶砂=0.1∶1∶0.5，砂的用量可以根據(jù)試驗注入效果適當調整。④采用速凝劑(水玻璃)灌注時，水泥與水玻璃的重量比為水泥∶水玻璃=100∶(5～10)，初凝時間為50～60 s，水玻璃的用量根據(jù)現(xiàn)場試驗調整確定[3]。

灌漿壓力根據(jù)設計技術要求如下：

1)帷幕灌漿試驗孔及先導孔灌漿壓力從0.6～1.0 MPa逐漸達到2.0 MPa，在施工中控制接觸段及其第二段的灌漿壓力，并進行嚴格的抬動觀測孔安設和觀測，必要時灌漿壓力可作適當調整。

2)灌漿應盡快達到設計壓力，但對于注入率較大或易于抬動的部位應分級升壓。

3)壓力表必須安裝保護裝置，保證讀數(shù)正確。壓力值宜讀取壓力表指針擺動的中值。對于無回漿無壓力孔段，先采用濃漿灌注，待有回漿時則采用分級升壓法灌注，最后采用設計壓力灌注至結束[4]。

4 左岸基礎固結灌漿設計與施工

1)固結灌漿設計。2號和3號壩段505.00 m以下固結灌漿、間排距3.0 m；平均每孔鉆混凝土約11 m，鉆基巖約15 m，均按照孔口封閉法，自上而下灌漿工藝灌漿。

1號和2號壩段505.00 m以上固結灌漿底部高程由476.0 m逐步上抬至534.4 m，入巖深度28.02 m逐步遞減到8.0 m。間排距3.0 m。

2)固結灌漿施工。左岸1、2、3號壩段固結灌漿過程中，發(fā)現(xiàn)部分孔無法起壓，對于此類孔，采取了濃漿、待凝、掃孔復灌等措施，需要消耗更多水泥用量。

3)固結灌漿質量檢查。在左岸壩段的壩體上下游底部作了拖板延長與地基的接觸面積并進行深層固結灌漿。鉆灌過程采用自上而下分段造孔灌漿。該區(qū)域固結灌漿后后續(xù)檢查孔回水明顯從孔口翻出，鉆孔中水位穩(wěn)定，具備聲波測試及壓水試驗條件。隨后對其進行了6個孔的聲波測試及壓水試驗。

結合聲波測試成果，根據(jù)《水利水電工程勘察規(guī)范》(GB50487-2008)，固結灌漿后壩基巖體的完整性略有提高，由破碎級提高至較破碎級。1、2號壩基的固結灌漿檢查孔S9～S12的完整性明顯提高，由較破碎級提高至較完整級。

根據(jù)固結灌漿檢查孔試驗要求進行了分段阻塞，分段壓水試驗結果表明，經過固結灌漿壩基巖體抗?jié)B提高明顯，從漏水到不透水，檢查孔壓水試驗滿足要求小于10 Lu占比75%，還有15%由于止水部位障礙做簡易全孔壓水試驗，換算值也小于10 Lu；可以視作90%的壓水試驗指標滿足固結灌漿檢查孔的設計要求[5]。

5 灌漿效果

根據(jù)左岸地層帷幕灌漿先導孔和灌漿試驗揭露的水文工程地質條件，左岸壩基及近壩庫岸下伏硅質巖作為相對隔水層調整左岸帷幕灌漿底線。根據(jù)灌漿試驗確定以待凝復灌循環(huán)水泥灌漿工藝為主。壩肩50 m以外，根據(jù)地下水位觀測孔復核的地下水位及滲流穩(wěn)定計算確定采用懸掛帷幕。既能保證工程安全，也減少了不必要的工程投資。經現(xiàn)場施工后質量檢查和蓄水驗證，證明固結灌漿、帷幕灌漿工藝選擇合適，灌漿質量可靠。后期還要加強滲流觀測，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。