灌漿防滲在新沖坑水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

莫海春，陳 勇

（廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610）

新沖坑水庫(kù)位于廣東省羅定市蘋塘鎮(zhèn)良官管理區(qū)，距蘋塘鎮(zhèn)東南約4 km，屬西江流域羅定江一級(jí)支流圍底河的白石河支流。水庫(kù)于1972 年10 月動(dòng)工興建，1974 年10 月建成蓄水投入運(yùn)行。水庫(kù)壩頂高程為190 m，最大壩高25 m，壩頂長(zhǎng)度75 m，壩頂寬度5 m，如圖1 所示。壩址以上控制集雨面積2.42 km2；水庫(kù)正常蓄水位為187.20 m，相應(yīng)庫(kù)容為48.61 萬m3；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a 一遇，設(shè)計(jì)洪水位為189.11 m，相應(yīng)庫(kù)容59.60 萬m3；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a 一遇，校核洪水位189.74 m，總庫(kù)容63.39 萬m3，工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模屬?。?）型。

圖1 水庫(kù)大壩平面圖（高程：m。尺寸：mm。）

新沖坑水庫(kù)樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物組成，本工程擋水建筑物、泄水建筑物及取水建筑物為5 級(jí)建筑物，次要建筑物為5 級(jí)建筑物，臨時(shí)建筑物級(jí)別為5 級(jí)。

經(jīng)地勘檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，大壩填土層主要由粉粘粒組成，含砂礫石。由顆粒分析成果可得：填土粉粘粒含量平均為66.9%，砂粒含量平均為11.2%，礫石平均含量21.9%。大壩填土層天然含水率19.7%～32.7%，天然密度1.74～1.92 g/cm3，干密度平均值為1.47 g/cm3，孔隙比為0.752～1.052，呈可塑～堅(jiān)硬狀。壩體填土標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果一般3～19 擊，平均值8.2 擊，大部分填土的密實(shí)度均勻性差，平均壓實(shí)度為87.0%，壓實(shí)度不滿足SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中大壩填土壓實(shí)度95%～97%的要求，大壩填土填筑質(zhì)量較差。根據(jù)地質(zhì)鉆孔結(jié)果表明，大壩壩基為強(qiáng)風(fēng)化巖體，壩體與壩基的滲透系數(shù)都較大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)注水實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壩體內(nèi)滲漏量較大，滲漏通道應(yīng)為壩體裂縫，鉆探過程中壩體前立面發(fā)生了較大面積的滲水。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)長(zhǎng)年處于低水位運(yùn)行，始終無法正常蓄水，壩后坡腳下游也存在滲漏現(xiàn)象。因此，大壩存在嚴(yán)重的滲漏問題，壩體與壩基的結(jié)合部位存在接觸滲漏問題，影響水庫(kù)安全運(yùn)行。

1 壩體加固方案比選

1.1 方案一：壩體塑性砼防滲墻+壩基帷幕灌漿

塑性混凝土是不同于普通混凝土的一種新型防滲材料，水泥用量較低，摻加了較多的黏土等材料，具有低強(qiáng)度和大應(yīng)變等特性，對(duì)于改善墻體的應(yīng)力狀態(tài)具有重要意義[1]。要使該防滲墻保持塑性砼的物理力學(xué)性質(zhì)和防滲功能，主要在于合理控制水泥和黏土的用量，并且要充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆?。原材料和配合比適當(dāng)?shù)乃苄曰炷聊軌蚣骖櫫W(xué)性能和抗?jié)B的要求，避免墻體裂縫，達(dá)到最佳的整體防滲效果[2]。

本方案采用塑性砼防滲墻對(duì)壩體進(jìn)行防滲處理，總長(zhǎng)90 m，塑性砼防滲墻采用配合比指標(biāo)為：最大成墻深29.3 m，墻底伸入巖層2.0 m，墻厚0.4 m。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料揭露，壩基粉質(zhì)黏土層與壩體填筑土結(jié)合部滲透系數(shù)均大于1.0×10-4cm/s，壩基巖土滲透性不滿足規(guī)范要求，擬對(duì)壩基進(jìn)行帷幕灌漿處理，帷幕灌漿孔單排布置，孔距2.0 m，通過防滲墻內(nèi)預(yù)埋Φ110 mm 鋼管，管底封堵，帷幕灌漿底邊線按照10 Lu 線以下3.0 m 控制。

1.2 方案二：高噴墻壩體防滲+壩基帷幕灌漿

高壓噴射灌漿技術(shù)是通過在地層中的鉆孔內(nèi)裝入噴射管，用高速射流（水、漿液或空氣）直接沖擊、切割、破壞和剝蝕原地基材料，受到破壞、擾動(dòng)后的土石料與同時(shí)灌注的水泥漿或其他漿液發(fā)生充分的摻攪混合、充填擠壓，至凝結(jié)硬化，成為結(jié)構(gòu)較密實(shí)、強(qiáng)度較高和有足夠防滲性能的構(gòu)筑物，以滿足工程需要的一種技術(shù)措施。施工前需進(jìn)行高噴灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以確定有效樁徑、漿液性能要求、適宜的孔距和墻體防滲性能等[3]。施工過程中操作起來比較簡(jiǎn)單，既可以降低現(xiàn)場(chǎng)施工人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)還可以節(jié)省勞動(dòng)時(shí)間。因此，高壓噴射灌漿技術(shù)是一項(xiàng)非常高效的施工技術(shù)，對(duì)水利水電行業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用[4]。

高噴防滲墻采用兩排套接的結(jié)構(gòu)布置形式，單管法施工，一般樁徑為0.5～0.9 m，為確保壩體內(nèi)形成連續(xù)的防滲墻結(jié)構(gòu)，本次按照梅花型布置孔距0.8 m，排距0.6 m。壩基進(jìn)行帷幕灌漿處理，帷幕灌漿孔單排布置，孔距2.0 m，同方案一。

1.3 方案三：壩體劈裂灌漿+壩基帷幕灌漿

劈裂灌漿是利用水力劈裂原理，對(duì)質(zhì)量不好和存在隱患的土壩在壩軸線上鉆孔、加壓灌注泥漿形成新的防滲墻體的加固方法，堤壩體沿壩軸線劈裂灌漿后，在泥漿自重和漿、壩互壓的作用下，形成與壩體牢固結(jié)合的防滲墻體，從而對(duì)大壩起到防滲和加固的作用[5]。劈裂灌漿技術(shù)在我國(guó)工程加固中應(yīng)用時(shí)間較早，隨著科技不斷創(chuàng)新，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。劈裂灌漿會(huì)針對(duì)壩體滲漏或其他質(zhì)量問題而發(fā)揮作用，并不是單純地加強(qiáng)壩體局部或者整體的質(zhì)量[6]。

本方案大壩防滲采用自下而上進(jìn)行的灌漿方式，先對(duì)壩基進(jìn)行帷幕灌漿，帷幕灌漿孔采用單排，孔距2m，同方案一。壩體采用劈裂灌漿，劈裂灌漿孔采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在壩頂鉆孔（孔徑Φ89 mm），布置為雙排梅花形，排距1.2 m，泥漿護(hù)壁，孔距2.0 m，分兩序進(jìn)行，如圖2 所示。注漿鉆孔時(shí)埋設(shè)孔口管，以防止孔口塌落及孔口返漿。

圖2 方案三壩體加固剖面圖（高程：m。尺寸：mm。）

上述3 種方案的優(yōu)缺點(diǎn)及投資對(duì)比見表1。

表1 壩體加固方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

經(jīng)綜合比較，本次設(shè)計(jì)選取防滲效果較好、施工設(shè)備簡(jiǎn)單、工程效果明顯且投資相對(duì)經(jīng)濟(jì)的劈裂灌漿防滲墻作為壩體加固推薦方案。

2 大壩加固設(shè)計(jì)

2.1 壩基帷幕灌漿

壩基采用帷幕灌漿，帷幕灌漿中心線沿壩軸中心線向上游偏移1.2 m，孔距2.0 m 布置，灌漿深度深入10 Lu 線以下3.0 m。防滲邊界線依據(jù)地勘提供的地質(zhì)剖面，伸入相對(duì)不透水層，最大鉆孔深度為45.3 m。

2.2 壩體劈裂灌漿

2.2.1 灌漿孔布置

在壩頂距壩軸線兩側(cè)0.6 m 處利用鉆機(jī)鉆孔，布置為雙排梅花形，排距1.2 m，泥漿護(hù)壁，孔距2.0 m，分兩序進(jìn)行，先上游排一序，再二序；后下游排一序，再二序。注漿鉆孔時(shí)埋設(shè)孔口管，防止孔口塌落及孔口返漿，鉆孔的有效深度應(yīng)穿過待注漿壩身并深入壩基層2.0 m，劈裂灌漿總長(zhǎng)度1 300 m。

2.2.2 黏土灌漿設(shè)計(jì)指標(biāo)

（1）灌漿后壩體滲透系數(shù)：K≤5×10-6cm/s。

（2）泥漿的設(shè)計(jì)干容重為1.4～1.6 t/m3（灌漿1 a以后）。

（3）灌漿工藝：孔底注漿，全孔灌注。

（4）灌漿壓力：起始劈裂壓力，孔口壓力控制50～100 kPa；單孔最大壓力，在孔底注漿條件下，按1.5倍左右起始劈裂壓力控制；屈服壓力，在壩體大部分被劈裂以后，采用自重灌漿方式。

（5）泥漿濃度：泥漿容重為1.3～1.6 t/m3。

（6）主要建材要求：造黏粘土要求塑性指數(shù)大于8～15，黏粒含量20%～30%，粉粒含量30%～50%，砂粒含量10%～30%，可溶鹽含量小于8%，有機(jī)質(zhì)含量小于2%。

2.3 大壩滲流及穩(wěn)定計(jì)算

采用有限元方法對(duì)新沖坑水庫(kù)大壩進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算，擬定最大壩高處（壩中）為計(jì)算典型斷面。大壩各土層物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 壩體各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

2.3.1 滲流分析

采用河海大學(xué)Autobank7.7 水工設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算，工況如下。

工況一：上游正常蓄水位與下游相應(yīng)水位，即上游水位為187.20 m，相應(yīng)下游無水。

工況二：上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)水位，即上游水位為189.11 m，相應(yīng)下游無水。

工況三：水庫(kù)水位從正常蓄水位187.20 m 降至死水位169.5 m 降落期的情況。

工況四：上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位，即上游水位為189.74 m，相應(yīng)下游無水。

工況五：水庫(kù)水位從校核洪水位189.74 m 降至正常水位187.20 m 降落期情況。

經(jīng)計(jì)算，大壩采用灌漿防滲加固處理后日均滲漏總量滿足規(guī)范一般要求。此外，大壩滲流出逸點(diǎn)均處于壩腳排水棱體范圍內(nèi)，大壩各工況最大滲透坡降均小于規(guī)范允許值，見表3，滲透變形滿足規(guī)范要求。

表3 滲流計(jì)算成果表

2.3.2 穩(wěn)定分析

計(jì)算工況同上，采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算，大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，見表4。

表4 邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

經(jīng)復(fù)核，壩基采用帷幕灌漿以及壩體采用劈裂灌漿防滲加固后，大壩滲透變形滿足規(guī)范要求，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，大壩安全可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

灌漿防滲技術(shù)用于水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程，可以有效提高大壩的穩(wěn)定性，但不同的灌漿方式具有不一樣的優(yōu)劣勢(shì)，實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)工程特定情況科學(xué)選擇，以達(dá)到良好的防滲效果，并滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。參考文獻(xiàn)：

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