水利工程堤壩滲漏成因及防滲加固技術(shù)研究

王 成

（瑪納斯縣塔西河流域管理處，新疆 昌吉 831100）

1 工程概況

某水庫右岸庫區(qū)帷幕灌漿工程位于咪哩河庫尾右岸的羅世鲊村附近，防滲線路沿地形成折線布置，總長2 699.339 m，防滲面積20.18萬m2，樁號MKG1+520.769—MKG2+699.339，帷幕軸線長1 178.57 m。庫區(qū)帷幕灌漿區(qū)段位于大壩樞紐區(qū)南面約7 km 的羅世鲊村旁。

水庫工程約70%～80 %地表面積為碳酸鹽巖所覆蓋，碳酸鹽巖中的純灰?guī)r巖溶強烈發(fā)育，壩址區(qū)及庫區(qū)巖溶滲漏問題是工程的難點及重點。庫區(qū)除近壩庫岸（壩址區(qū)兩岸）外，存在向鄰谷滲漏條件的德厚河與嫁依河河間地塊、咪哩河與盤龍河河間地塊。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，沿分水嶺走向的文麻斷裂帶具有阻水性，不存在向嫁依河方向滲漏的問題。咪哩河庫尾羅世鲊村附近長約2.8 km的庫岸及河間地塊出露地層為個舊組上段（T2g）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，該地下灰?guī)r巖溶發(fā)育，存在向盤龍河方向的滲漏問題，滲漏形式為管道—溶穴型，需進行防滲處理。

2 堤壩防滲關(guān)鍵技術(shù)與標準

2.1 壩址區(qū)防滲工程設(shè)計

2.1.1 壩址區(qū)防滲工程布置

壩址區(qū)防滲線路左岸端點接文麻斷裂帶，右岸端點接玄武巖地層，帷幕底界以進入強巖溶帶下限以下10 m 控制；壩址區(qū)帷幕灌漿總進尺17.06 萬m，防滲面積24.70 萬㎡，帷幕最大深度約176.5 m，平均深度約123.6 m。兩岸帷幕灌漿主要在平洞內(nèi)進行。

2.1.2 壩基防滲設(shè)計

在兩岸灌漿平洞高程以下黏土心墻建基面下設(shè)置嵌入式壩基灌漿檢修廊道。壩基帷幕灌漿在廊道內(nèi)及混凝土蓋板上進行，采用微膨脹的C25 鋼筋混凝土襯砌。壩基巖溶發(fā)育，防滲底界較深，岸坡段帷幕深度在78～172 m。

2.1.3 壩址區(qū)左右岸防滲設(shè)計

“你們自己心里面清楚，實惠你們是占了，對不對，玩了兩天你們交的那點團款根本不夠，說實話也就靠你二次消費補貼點你的團款。”○11金導游，大理。

壩址區(qū)左右岸防滲帷幕線路均長1 196.5 m，其中近壩灰?guī)r段長約1 110 m，起點為壩肩，端點進入文麻斷裂帶相對隔水層內(nèi)約50 m。根據(jù)地形地質(zhì)條件，近壩端長1 072 m 的帷幕灌漿在平洞內(nèi)進行，靠文麻斷裂帶長95 m 的帷幕灌漿在地面進行。帷幕灌漿頂界為正常蓄水位1 377.5 m，底界進入強巖溶帶下限以下10 m，灰?guī)r段帷幕深度120～176 m。為保證灌漿質(zhì)量及方便施工，設(shè)置2層灌漿平洞，上層平洞長1 108 m，進口底板高程同壩頂高程1 380.9 m，底坡i=0.5‰；下層平洞長1 217.8 m，進口底板高程1 325.0 m，底坡i=1‰。在壩肩近壩100 m 范圍內(nèi)的防滲帷幕為雙排孔，孔距2 m，排距1.2 m。

2.2 咪哩河庫區(qū)防滲工程設(shè)計

庫區(qū)防滲線路位于咪哩河庫尾右岸的羅世鲊村附近，沿地形成折線布置，總長2 699.339 m，帷幕進尺11.1萬m，防滲面積20.18萬m2，帷幕灌漿均在地面進行。帷幕灌漿頂界為正常蓄水位1 377.5 m，底界進入強巖溶帶下限以下10 m，平均深度74 m，最大深度122.7 m。本段巖溶發(fā)育程度低于壩址區(qū)，滲漏形式為管道—溶穴型，鉆孔揭露的溶洞規(guī)模較小，帷幕灌漿按單排孔布置，孔距2 m。

3 防滲帷幕灌漿加固技術(shù)與分析

3.1 生產(chǎn)性試驗區(qū)位置選定及相鄰先導孔施工

根據(jù)庫區(qū)二標帷幕線地質(zhì)情況，結(jié)合庫區(qū)帷幕灌漿工程前期試驗性灌漿及標段劃分情況布設(shè)AⅡ、BⅡ2 個試驗區(qū)。試驗期間存在單位注入量較大、冒漿嚴重、工效極低等特點，按照前期試驗灌漿指導意見及施工措施無法滿足本次施工需求。為此，增加6個生產(chǎn)性帷幕灌漿試驗區(qū)，并在其中1個試驗區(qū)開展隨鉆技術(shù)DPM、跨孔電阻率CT 及單孔聲波等物探技術(shù)運用。

本標段實際完成8 個生產(chǎn)性帷幕灌漿試驗區(qū)，其中AⅡ、BⅡ區(qū)為第一階段，采取常規(guī)灌漿與摻砂灌注的施工工藝；CⅡ、DⅡ區(qū)為第二階段，在調(diào)整后壓力條件下，施工工藝與AⅡ、BⅡ區(qū)相同，在AⅡ、BⅡ區(qū)施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進一步復核、驗證該工藝的適用性及局限性；EⅡ區(qū)為第三階段，在AⅡ、BⅡ、CⅡ、DⅡ區(qū)施工期間，存在單位注入量較大、工效較低等特點，按上述4個試驗區(qū)施工工藝及灌漿材料無法指導后續(xù)生產(chǎn)，結(jié)合咨詢意見確定增加EⅡ膏漿試驗區(qū)，在紅黏土、機制砂等當?shù)夭牧蟽?nèi)摻入一定比例水泥攪拌形成膏狀漿液，采用先進設(shè)備脈動高壓灌漿泵灌注低擴展度漿液，漿液擴散半徑可控，有效解決了覆蓋層、軟弱破碎帶等大空隙、強漏失等特殊地層漿液擴散不均一、材料成本高、難以形成有效帷幕等技術(shù)難題；GⅡ、HⅡ、IⅡ區(qū)為第四階段，為進一步復核膏漿灌注在庫區(qū)二標特殊地質(zhì)段應用的可行性及必要性。

3.1.1 灌漿材料與施工流程

本標段工程建設(shè)所涉及的自密實混凝土、水泥砂漿、膏漿等配合比均按設(shè)計要求參數(shù)控制，同時委托檢測公司完成配合比試驗及報告，并經(jīng)現(xiàn)場拌制復核。在土料場取優(yōu)質(zhì)合格土料，運至施工現(xiàn)場，經(jīng)黏土制漿機加水破碎攪拌均勻后保存至泥漿池充分攪拌，再抽取至制漿桶配制水泥黏土膏漿。

根據(jù)設(shè)計圖紙及試驗區(qū)孔位對應里程位置用GPS進行測量放線布孔，用鋼筋樁標記。沖孔、洗孔至孔口回水清凈為準（覆蓋層區(qū)域不進行沖孔、洗孔），并且孔內(nèi)沉砂厚度小于20 cm。先導孔灌前采用分段卡塞式壓水，并按相關(guān)規(guī)范計算灌前透水率。其余孔段按孔口封閉法進行簡易壓水，終孔段10 m范圍若出現(xiàn)灌前透水率＞10 Lu的情況，則采用分段卡塞式壓水。試驗鉆孔有覆蓋層鉆孔和巖石層鉆孔，在覆蓋層每鉆進8 m 進行1 次注水試驗，然后進行覆蓋層灌漿；基巖段按2、3、5 m 進行鉆進并做壓水試驗。鉆孔流程，如圖1所示。

圖1 灌漿孔鉆孔流程

地下水位測定，如圖2 所示。其具體步驟為：①將電接點式水位計與顯示儀表連接，入水測試正常；②將電接點式水位計下入孔內(nèi)；③水位計電極接觸地下水時，儀表顯示電路接通；④記錄水位穩(wěn)定時的水位計下入孔內(nèi)長度作為地下水位值。

圖2 地下水位測定

3.1.2 裂隙沖洗

施工中，實行高壓噴射沖洗。讓具有較高壓力的水從噴嘴中噴出，對準所要處理的軟夾層或者充填溶洞作高速噴射，對充填物實行切割，被切割下來的較細小顆粒與水攪混在一起，被帶出地面；剩下的較大顆粒（巖塊），由于改變了級配，孔隙度增大，可被后來的灌漿固結(jié)起來。一般使用的壓力越大，噴射的時間越長，則其所作用的范圍也就越大。

3.2 巖石層帷幕灌漿

孔口管埋設(shè)，如圖3 所示?；鶐r完整的孔首段灌漿完畢，待凝72 h；基巖完整性差的孔根據(jù)巖層，確定孔口管安裝深度。根據(jù)試驗區(qū)開展情況，孔口管最大安裝深度為29 m。

孔口管上端焊橫向擋筋，以防孔口管下落；在下端焊3根長10 cm、直徑6.5 mm鋼筋作為對中架。下入孔口管，使其對中并用水平尺校正。在施工中由于反復劈裂冒漿，除HⅡ試驗區(qū)外，套管安裝深度基本為20～30 m，采取擴孔二次安裝套管隔離上部破碎基巖、雙層套管等施工措施。生產(chǎn)性帷幕灌漿試驗設(shè)計初擬定灌漿壓力，詳見表1。

圖3 孔口管埋設(shè)示意

在試驗施工期間存在復灌次數(shù)多、冒漿、反復劈裂、難以達到設(shè)計初擬壓力等情況，Ⅰ序孔灌漿需要多次摻砂灌注，壓力達到1.2～1.5 MPa 反復劈裂冒漿，冒漿點隨孔深加深后距孔位越來越遠，采取濃漿、間歇、限流、待凝掃孔復灌等措施均無效果，單段最多復灌22 次。通過數(shù)次灌漿專題會及專家咨詢后，針對庫區(qū)二標存在的實際情況采用復合可控膏漿改良地質(zhì)灌注及調(diào)整灌漿壓力等措施，調(diào)整后灌漿壓力詳見表2。

表1 初擬定帷幕灌漿壓力

表2 調(diào)整后帷幕灌漿壓力

3.3 AⅡ試驗區(qū)灌漿成果資料

各次序孔單位注入量統(tǒng)計，詳見表3。

由表3 可以看出，各次序孔的單位注灰量隨灌漿次序的增進而迅速遞減，而且遞減量很大，符合灌漿一般規(guī)律。經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ序孔數(shù)量占整個試驗區(qū)的1/3，即使在對大耗灰量特殊孔段采取摻砂灌注減少水泥用量處理措施后，水泥用量仍占整個試驗區(qū)的76.7%。結(jié)合灌漿期間的變化規(guī)律和孔內(nèi)成像圖片，可以判斷出：Ⅰ序孔灌漿主要進行了地層內(nèi)寬大裂隙、溶溝溶槽等回填、擠密灌注，地層內(nèi)大量的陡傾狀寬大裂隙、溶溝溶槽和溶洞是造成水泥注入量較大的主要原因。

表3 各次序孔單位注入量統(tǒng)計

Ⅰ序孔單位注入量大于500 kg/m 的孔段占91%；Ⅱ、Ⅲ序孔單位注入量大于500 kg/m 的孔段占43.5%；Ⅰ序孔單位注入量大于10 kg/m小于500 kg/m的孔段占10%；Ⅱ序孔單位注入量大于10 kg/m 小于500 kg/m 的孔段占47.2%；Ⅲ序孔單位注入量大于10 kg/m小于500 kg/m的孔段占38.9%。

經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，AⅡ試驗區(qū)水泥單位注入量較大的主要因素有3個方面：其一，巖層的節(jié)理裂隙并不都是沿著帷幕線方向延伸的，大部分的節(jié)理裂隙發(fā)展的方向是垂直或者與帷幕線大角度相交，灌漿沿軸線方向擴散半徑有限，從而使得Ⅰ序孔灌完后還有大部分的溶穴、裂隙并沒有被漿液充填；其二，地層內(nèi)存在大量的軟弱破碎帶、泥質(zhì)夾層是造成Ⅱ、Ⅲ序孔灌前透水率小、復灌次數(shù)多、水泥單位注入量較大的原因，在Ⅰ序孔灌漿過程中通過多次復灌達到設(shè)計壓力，水泥漿液在地層內(nèi)擴散不均勻，往往沿著最薄弱的部位單方向擴散，待凝后復灌漿液在新的壓力下再劈裂其他軟弱部位，需要多次復灌才能達到結(jié)束標準；其三，3 個孔序灌漿壓力逐級遞增，調(diào)整后的灌漿壓力Ⅲ序孔最大壓力為2.3～2.5 MPa，相鄰兩序孔灌漿壓力提升0.5 MPa，Ⅲ序孔比Ⅰ序孔灌漿壓力提高1.0 MPa，逐級遞增的灌漿壓力超過極限壓力，不斷對前序孔灌漿形成的帷幕體進行劈裂。

4 灌漿材料耗量大的影響因素

4.1 地質(zhì)條件影響

BⅡ、EⅡ、IⅡ3 個試驗區(qū)上部8～15 m 灌段為覆蓋層區(qū)域，屬于強漏失地層。灌注水泥漿冒漿嚴重，待凝72 h 復灌均無法解決頻繁冒漿問題；灌注膏漿0.5 MPa 以內(nèi)壓力便產(chǎn)生抬動、劈裂造成冒漿，需要2～3 次灌注膏漿在小壓力條件下擠密灌漿孔周邊土層，待凝72 h后灌注水泥漿才能達到結(jié)束標準。

15～45 m 灌段部位為土石混雜區(qū)域，是整個灌漿孔的重難點，存在成孔困難、灌漿材料用量大、隨灌漿壓力逐漸增大、冒漿嚴重等特點。灌注水泥漿待凝后掃孔復灌壓力基本無任何變化，甚至復灌開始就冒漿，單段最多灌漿22 次；灌注膏漿需要限量復灌才能達到預期壓力。

覆蓋層及土石混雜區(qū)域由于灌漿介質(zhì)差異大，土遇水或水泥漿容易“惡化”形成通道，水泥漿液沿通道單方向擴散，待凝后復灌漿液仍沿最薄弱部位擴散，難以形成連續(xù)有效的帷幕體，需要多次待凝復灌才能達到結(jié)束標準，漿液擴散不可控是造成單位注入量大的主要原因。采用膏漿灌注覆蓋層及土石混雜區(qū)域漿液擴散半徑可控，灌漿材料耗量大幅減少，仍然高于合同內(nèi)約定，屬于地質(zhì)原因造成的。

4.2 泥夾層、軟弱破碎帶區(qū)域

泥夾層、軟弱破碎帶區(qū)域，裂隙較為發(fā)育，且裂隙內(nèi)泥質(zhì)充填但密實性差、強度較低，泥質(zhì)充填物多與表土連通。灌漿期間漿液擊穿裂隙內(nèi)泥質(zhì)充填物造成冒漿，待凝后掃孔復灌漿液擊穿裂隙內(nèi)充填物開辟新通道反復出現(xiàn)冒漿。水泥漿、摻砂灌注對寬大泥夾層等特殊地層效果不理想，灌漿期間漿液往往會擊穿最薄弱部位進行滲透，需要多次復灌對軟弱夾層擠密、置換達到一定強度后才能達到結(jié)束條件。采用水泥漿、摻砂灌注材料成本高，漿液擴散不可控，單位注入量大。

泥夾層、軟弱破碎帶區(qū)域采用膏漿進行控制性灌漿，漿液擴散半徑可控，并采取限壓限量控制膏漿擴散半徑。與常規(guī)灌漿比較，單位注入量大幅減少，但由于地質(zhì)原因單位注入量仍高于合同內(nèi)約定。膏漿灌注仍超出的部分屬于不可避免的，是無法通過技術(shù)、設(shè)備等措施削弱或消除的。

5 結(jié)論

為了促進社會經(jīng)濟發(fā)展、為人民提供服務，充分發(fā)揮水利工程的綜合效益，需保證堤壩的防滲性、耐久性、使用壽命，避免產(chǎn)生病害等問題。因此，必須掌握堤壩的主要病害及其產(chǎn)生原因，并科學選擇防滲加固技術(shù)，以綜合防滲施工方案為主，整體提升堤壩的防滲性能，保持堤壩長期平穩(wěn)運行。