繞壩滲漏—粘土固化劑防滲灌漿設(shè)計(jì)與施工

陳 燦

（永州市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，湖南 永州 425000）

1 引言

金鉤掛水庫位于金鉤村境內(nèi)的冷水河上，于2014年動(dòng)工興建，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、村鎮(zhèn)供水等綜合利用的水利工程。水庫正常水位261.38 m，總庫容988.60 m3。大壩、溢洪道及放水設(shè)施等共同組成水庫樞紐工程。水庫大壩為粘土均質(zhì)壩，壩頂軸線長178.00 m，最大壩高38.60 m，壩頂高程264.60 m。

壩址河谷地形為 “U”型，冷水河由NE流向SW，兩岸山體厚實(shí)對稱，河床中基巖基本上裸露。壩區(qū)地層主要為白堊系下統(tǒng)地層，巖性為中厚層淺灰色、紫紅色礫巖、砂礫巖，夾有粉質(zhì)頁巖、粉砂巖，局部為泥質(zhì)膠結(jié)、鈣質(zhì)膠結(jié)。砂礫巖，礫石多為灰?guī)r，粒徑2～4 cm，約占30%左右，分布于整個(gè)壩址區(qū)。

壩區(qū)地表由于覆蓋層較厚，基巖地層年代較新，地表地質(zhì)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造。松散堆積層孔隙潛水、基巖裂隙水為其地下水主要類型，水文地質(zhì)條件簡單。

基礎(chǔ)處理。在壩頂軸線設(shè)置截水槽，其斷面形式采用梯形，槽深1.5～3m，槽底寬3～6m，邊坡為1∶1。同時(shí)，對基巖進(jìn)行帷幕灌漿防滲，帷幕灌漿孔沿截水槽軸線布置一排，溶洞處另增設(shè)一排，帷幕孔距、排距均為2 m，帷幕深入基巖深度按透水率10 Lu值控制?？紤]兩岸覆蓋層較厚，其滲透系數(shù)不大于1×10-4cm/s，為節(jié)約工程投資，施工時(shí)未對兩岸殘坡積覆蓋層進(jìn)行防滲灌漿處理。

水庫運(yùn)行過程中，當(dāng)庫水位高于245.00 m高程時(shí)，大壩右岸下游側(cè)與山體接合部位有少量滲水及坡面散浸現(xiàn)象，且滲水量、坡面散浸面積隨庫水位的上升而增大。經(jīng)實(shí)地踏勘，結(jié)合地質(zhì)、施工、檢測、監(jiān)理及現(xiàn)場調(diào)查等資料對比分析，確認(rèn)大壩滲漏屬繞壩滲漏，壩肩殘坡積覆蓋層存在滲漏通道。

2 防滲處理方案

2.1 滲漏原因

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，壩址區(qū)地層巖性主要為白堊系下統(tǒng)地層中厚層砂礫巖、礫巖，夾粉質(zhì)頁巖、粉砂巖，礫巖屬泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，其水溶性大，在地下水作用下，易溶蝕，巖石中溶蝕、溶溝發(fā)育。基巖上部殘坡積覆蓋層本身也是由礫巖經(jīng)過水的侵蝕、風(fēng)化慢慢形成的，溶溝、溶槽同樣發(fā)育，因此，右壩肩山坡殘坡積覆蓋層中存在滲漏通道，是形成繞壩滲漏的主要原因。

2.2 防滲處理方案比選

針對水庫大壩右壩肩存在的繞壩滲漏問題，選取了套井沖抓回填、水泥灌漿、粘土固化劑漿液灌漿3個(gè)防滲方案進(jìn)行比選，比選過程如下。

方案1：套井沖抓回填。根據(jù)大壩壩基開挖施工后的地質(zhì)資料得知，因礫巖溶蝕嚴(yán)重，壩基開挖后，發(fā)現(xiàn)壩基基巖面凹凸不平，呈山峰狀。因巖性相同，由此可以推斷，右壩肩基巖面也一樣呈山峰狀凹凸不平，若采用套井沖抓回填防滲，則沖抓非常困難，不但施工質(zhì)量沒有保障，而且施工工期長。同時(shí)，沖抓回填施工受沖抓深度、水位、天氣、施工場地制約。粘土需要量大，對粘土質(zhì)量要求高，需占用耕地，取土困難，成本大。

方案2：水泥灌漿。漿液以水泥為主，水泥用量大，成本高。需要經(jīng)過先導(dǎo)孔試驗(yàn)，才能確定灌漿深度、灌漿壓力、灌漿濃度等，試驗(yàn)期長，工期長。水泥與粘土不相容，水泥漿夜對地表水、地下水的污染較大，不環(huán)保。

方案3：粘土固化劑漿液灌漿。漿液材料以粘土為主，固化劑和水泥為輔。漿液無毒、易清洗，水泥消耗量小，成本低，對環(huán)境土壤、地表水和地下水的水質(zhì)無污染。粘土固化劑漿液不析水、可泵性、穩(wěn)定性好，凝結(jié)時(shí)間可控。結(jié)石體強(qiáng)度高，抗?jié)B、抗侵蝕、抗震能力強(qiáng)。施工方便，受場地、氣候等方面的影響較少。

經(jīng)比選，方案3較優(yōu)，施工簡單方便，水泥用量小，防滲效果佳，灌漿成本低。既達(dá)到了防滲的目的，又節(jié)約了資源，保護(hù)了環(huán)境，選擇方案3作為推薦方案。

3 灌漿設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔布置

根據(jù)水庫大壩滲漏部位、滲漏流量大小、壩肩地質(zhì)條件、漿液擴(kuò)散半徑、防滲帷幕厚度等因素確定鉆孔布置。在右壩段至右岸山體間共布置3排帷幕灌漿孔，其中中間排孔沿壩頂軸線位置布置，在距壩軸線1.0 m處的上游側(cè)和上游側(cè)，分別布置上游排孔和下游一排孔，兩排灌漿孔軸線均與壩軸線平行。灌漿孔孔距1.5 m，排距1.0 m，鉆孔呈梅花形布置，灌漿孔漿液擴(kuò)散半徑不小于0.80 m。灌漿范圍為樁號(hào)H0+000～H0+124，詳見壩肩灌漿平面布置圖（圖1）和壩肩固化灌漿剖面圖（圖2）。

圖1 壩肩灌漿平面布置圖

圖2 壩肩固化灌漿剖面圖

3.2 帷幕厚度

根據(jù)SL 274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，灌漿帷幕厚度T按公式T=H/J計(jì)算，式中:H為最大設(shè)計(jì)水頭（m），通過滲流分析計(jì)算確定；J為帷幕允許滲透坡降，其取值為：水泥粘土，可取3～4；粘土為6～8。

由滲流分析計(jì)算可得本例最大設(shè)計(jì)水頭H=14 m，灌漿材料為粘土固化劑漿液，借鑒同類工程經(jīng)驗(yàn)取值，取J=7，代入公式得帷幕厚度不小于2 m。

3.3 帷幕深度

本工程為?、逍停畲髩胃?8.60 m，屬中壩，灌漿深度按透水率10 Lu值控制?？紤]壩肩基巖部分已做帷幕灌漿防滲處理，本次繞壩滲流灌漿設(shè)計(jì)僅對基巖上部未灌漿部位（即殘坡積覆蓋層）采取防滲灌漿措施。由大壩地質(zhì)剖面圖和滲透剖面圖，確定灌漿深度為壩頂或地面至壩肩基巖面間的進(jìn)尺，其最大進(jìn)尺或最大鉆孔深度為44.7 m。粘土固化劑灌漿孔應(yīng)深入原帷幕灌漿線內(nèi)，搭接長度不小于1.0 m，詳見壩肩固化灌漿剖面圖（圖2）。

3.4 灌漿壓力

壩肩所灌漿部位為第四系覆蓋層殘坡積土，為避免因灌漿壓力過大而導(dǎo)致土體產(chǎn)生劈裂破壞，土體灌漿初始壓力控制在0.1～0.2 MPa之間，并隨著灌漿孔的增深，由上到下，灌漿深度每增深5 m，灌漿壓力按0.05 MPa遞增控制。當(dāng)然，如果灌漿壓力太小，同樣會(huì)影響灌漿質(zhì)量。注漿壓力太小，則漿液擴(kuò)散半徑不夠，結(jié)合部位的帷幕厚度不滿足設(shè)計(jì)厚度的要求，不僅會(huì)降低防滲效果，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致防滲失效。為防止出現(xiàn)此種情況，灌漿前，可在現(xiàn)場進(jìn)行先導(dǎo)孔注漿試驗(yàn)，根據(jù)先導(dǎo)孔試驗(yàn)成果，來確定合理的灌漿壓力。

3.5 灌漿材料

3.5.1 粘土固化劑

粘土固化劑為粉沫狀固體，呈灰白色，無毒無味，由多種天然礦物材料通過高溫活化處理，經(jīng)研磨、混配、拌合而成。密度2.8 g/cm3～3.15 g/cm3，細(xì)度0.08 mm，篩余量小于或等于8%，含水率控制在2%內(nèi)，比表面積不小于500 m2/kg。

3.5.2 粘土固化劑漿液

粘土固化劑漿液是由粘土、水泥、粘土固化劑三種材料加水，按一定重量百分比混合拌制而成，與水泥漿液、水泥粘土漿液、化學(xué)漿液等傳統(tǒng)漿液相比，擁有下列不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

（1）漿液無析水性，灌漿范圍內(nèi)的地層空隙基本上能全部充滿。粘土固化劑漿液是一種具有良好的流動(dòng)性、穩(wěn)定性、可灌性、保水性、粘聚性等性能的混合型漿液，顆粒漿材均勻、穩(wěn)定地分布于漿液中，漿液既難分層離析，也難泌水逸出。當(dāng)水料比小于2∶1時(shí)，漿液的析水率均小于5%，漿液中沒有多余的水分逸出，經(jīng)過灌漿處理后的地層，很難留下未被充填的空隙。

（2）容易控制漿液的初凝和膠凝時(shí)間。通過調(diào)節(jié)漿液配制參數(shù)（漿液的水料比、粘土固化劑的用量），來實(shí)現(xiàn)對粘土固化劑漿液的初凝時(shí)間和凝膠時(shí)間的控制，保障漿液在注漿管內(nèi)輸送和在地層中達(dá)到設(shè)計(jì)擴(kuò)散半徑所需要的時(shí)間?？刂凭仍趲资胫翈仔r(shí)之間。

（3）粘土固化漿液膠凝后體積膨脹明顯，水中抗軟化性能好，形成的結(jié)石體抗?jié)B性能好，滲透系數(shù)可達(dá)到1×10-9cm/s。

（4）粘土為粘土固化劑漿液的主要材料，重量比占80%以上，價(jià)格低廉，就地取材方便。既可節(jié)約材料的購買成本，又能降低材料的運(yùn)輸費(fèi)用。

（5）粘土固化漿液灌漿非常環(huán)保，對周邊環(huán)境的影響很少，不會(huì)對地表水和地下水水質(zhì)及環(huán)境土壤、空氣等造成污染。

3.5.3 粘土固化劑漿液配置

工程注漿采用的粘土固化漿液由粘土、水泥、粘土固化劑三種材料加水混合拌制而成，其漿液材料配置方案見表1。

表1 粘土固化劑漿液材料配置方案表

水泥：采用標(biāo)號(hào)32.5或42.5普通硅酸鹽水泥。

粘土：土料要干凈，不得含樹根、雜草、腐蝕土等雜物。土粒為黏粒，砂粒含量小。就地取土，可挖取天然粘土、粉質(zhì)粘土、紅粘土、黃土及膨潤土等。或購買商業(yè)粘土。

水：配制漿液用水可直接使用生活飲用水、灌溉用水或未受無化學(xué)污染的河水、泉水、井水及溪水等。

本工程灌漿漿液材料配比方案為：水泥20%，采用42.5普通硅酸鹽水泥。粘土固化劑用量取水泥用量的15%。根據(jù)土工試驗(yàn)成果，土料場粘粒含量為35%，含砂量0.2%，滲透系數(shù)K=2.53x 10-6cm/s，儲(chǔ)量3萬m3，擊實(shí)試驗(yàn)后土的最大干密度為1. 62 g/ cm3，滿足設(shè)計(jì)要求，粘土就地挖取，重量比80%。水料比采用1.5∶1.0。

4 施工工藝

4.1 施工順序

灌漿采用自上而下分段注漿法施工，按照先周邊孔，后中間孔，分序逐漸加密的原則進(jìn)行。本程灌漿施工順序?yàn)椋合裙嘧屋S線下游側(cè)排孔，后灌注壩軸線上游側(cè)排孔，最后進(jìn)行中間排孔的灌漿。每排孔分序、分段施工，其中上、下游側(cè)兩排孔按三序孔施工，中間排孔可按二序孔或三序孔施灌。灌漿工藝流程圖見圖3：

圖3 灌漿工藝流程圖

4.2 施工及測量設(shè)備

為滿足粘土固化劑漿液灌漿施工要求，需要購置相應(yīng)的施工設(shè)備和測量設(shè)備。有關(guān)設(shè)備配置情況分別見表2和表3。

表2 施工主要設(shè)備配置表

表3 測量主要設(shè)備配置表

4.3 制漿

利用當(dāng)?shù)靥烊徽惩亮现茲{，可以按下列步驟進(jìn)行：

（1）準(zhǔn)備容積2～4 m3粘土粗漿池，漿池可購買同容積的容器，也可在施工現(xiàn)場混凝土澆筑、砌體砌筑或開挖而成。

（2）將合格的水和粘土按適當(dāng)比例同時(shí)輸入粉碎機(jī)，利用粉碎機(jī)制成粘土粗漿，并導(dǎo)入粗漿池。

（3）利用粗漿池析出粗漿中多余水，析水后，要求池中粗漿水料比不大于0.8∶1的。

（4）通過泥漿泵將粗漿池中的粘土粗漿送到高速攪拌桶中，高速攪拌約2 min后，用量杯取一杯，分別測定粗漿中土和水的含量。根據(jù)前面測定成果、粘土固化劑漿液水料比及灌漿段漿液配比，計(jì)算、量取所需水量，將其加入粘土粗漿中，攪拌2 min左右，粘土原漿制漿完成。

（5）根據(jù)粘土固化劑漿液設(shè)計(jì)配比要求，計(jì)算水泥和固化劑的各自用量，將它們混合在一起拌合均勻后，全部投入粘土原漿中，再經(jīng)過7～10 min的高速攪拌，粘土固化劑漿液的配制過程結(jié)束。

（6）最后一步，對已配制好的粘土固化劑漿液進(jìn)行過篩處理，篩去漿中雜物和粗顆粒，并將過篩后的漿液直接輸送到高速攪拌桶中攪拌，攪拌時(shí)間7～10 min后，儲(chǔ)存，待灌。

4.4 注意事項(xiàng)

（1）儲(chǔ)存期超過3個(gè)月、過期和受潮結(jié)塊的水泥禁止使用。

（2）不得使用質(zhì)量不合格的粘土。就地開挖取土，粘土料要求干凈、含砂量小，小于0.055 mm的黏粒粒徑含量應(yīng)大于25%，塑性指數(shù)大于或等于15。

（3）鉆孔：定位要精準(zhǔn)，與設(shè)計(jì)孔位的位置偏差不得大于0.10 m，孔深不小于設(shè)計(jì)孔深?？椎灼畈淮笥谝?guī)范允許值：孔深20 m，偏差≤0.25 m；孔深30 m，偏差≤0.50 m；孔深40m，偏差≤0.80 m。實(shí)際孔位、孔深要有記錄。

（4）粘土固化劑漿液水料比常設(shè)置2∶1、1.5∶1、1.2∶1、1∶1四檔，一般根據(jù)地質(zhì)情況、灌注對象、灌注階段按表4擬定水料比。

表4 粘土固化劑漿液水料比取值表

（5）防止劈裂破壞，灌漿壓力控制是關(guān)鍵。灌漿壓力偏小，漿液擴(kuò)散半徑偏小，形成的防滲帷幕厚度小于設(shè)計(jì)墻厚，達(dá)不到灌漿效果。灌漿壓力偏大，易造成劈裂破壞。因此，在灌漿施工過程中，如發(fā)現(xiàn)注漿壓力或注漿率異常增大，應(yīng)立即暫停灌注施工，尋找原因，及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施。

（6）做好準(zhǔn)備工作，特別是提前降低庫水位。考慮壩坡抗滑穩(wěn)定安全，庫水位降低需要一個(gè)過程，庫水位降落應(yīng)盡量避免驟降情況出現(xiàn)，可根據(jù)水庫泄流能力和施工進(jìn)度計(jì)劃，合理確定水庫提前放水時(shí)間。

5 結(jié)束語

作為新一代灌漿材料，粘土固化劑漿液與水泥粘土漿液、水泥漿液、化學(xué)漿液等傳統(tǒng)材料漿液相比，技術(shù)性能優(yōu)勢明顯：漿液無析水性，流動(dòng)性、初始

（4）定子安裝高程調(diào)整時(shí)，可以用鋼卷尺或用鋼管自制一根測量桿，直接測量定子法蘭面到支持蓋水導(dǎo)軸承安裝面的高差H，作為定子的控制尺寸。高差H計(jì)算：

H=定子上法蘭面高程-水輪機(jī)水導(dǎo)安裝面高程=20.364-14.965=5.399 m

4 結(jié)語

在立式機(jī)組安裝和檢修工程中，要避免常見的3種情況：一是機(jī)械地按照設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)注高程不加復(fù)核的施工；二是認(rèn)為定、轉(zhuǎn)子鐵心疊片高度為圖紙標(biāo)注尺寸，一般定、轉(zhuǎn)子鐵心疊片測量平均高度與標(biāo)注尺寸會(huì)有差異，安裝中需要考慮這個(gè)因素；三是以圖紙標(biāo)注的推力軸承鏡板高度尺寸控制轉(zhuǎn)動(dòng)部分高程，這三種情況都是沒有充分考慮“定子鐵心平均中心高程與轉(zhuǎn)子磁極平均中心高程一致” 的要求。

確定立式水輪發(fā)電機(jī)組定子及有關(guān)埋設(shè)的固定部分高程，需要滿足關(guān)于“定子鐵心平均中心高程與轉(zhuǎn)子磁極平均中心高程一致”的規(guī)定，一般應(yīng)根據(jù)相關(guān)部件測量實(shí)際尺寸，計(jì)算出相應(yīng)高程，以計(jì)算結(jié)果作為實(shí)際安裝控制高程，從而保證機(jī)組整體的安裝質(zhì)量，滿足技術(shù)規(guī)范的相應(yīng)要求。