芻議水工建筑施工中帷幕灌漿技術(shù)

肖華虎

（貴州省六盤水市六枝特區(qū)水務(wù)局，貴州 六盤水 553400）

0 引言

水工建筑項(xiàng)目所處地質(zhì)環(huán)境以及后期面臨的工況都比較復(fù)雜，不僅在建設(shè)期間可能由于某些客觀條件、人工操作等出現(xiàn)滲漏，建筑工程還在日后長(zhǎng)期使用中逐漸顯現(xiàn)出滲漏病害。

1 水工建筑項(xiàng)目概況

納麻水庫壩址以上的集水面積有2.3km2，對(duì)應(yīng)主河道全長(zhǎng)是2.15km。本項(xiàng)目擬設(shè)主要功能是灌溉，還兼顧防洪與供水等用途。該水庫容量超過71 萬m3，預(yù)計(jì)灌溉1800 畝田地。此水庫大壩都是均質(zhì)土壩，其頂部是混凝土路面，高度能達(dá)到21.55m，頂部寬度、長(zhǎng)度及高程分別是4.7m、99.5m、1322.55m。另外，該大壩的上下游坡比分別是1:2.3、1:2.626。

2 大壩防滲帷幕灌漿施工處理

2.1 水庫滲漏情況

按照2020 年對(duì)下游的測(cè)試調(diào)查結(jié)果，當(dāng)庫水位超過1320m，而三角堰的水位有7cm 高，實(shí)際滲流量達(dá)到1.83L/s。通過AntoBank 軟件完成計(jì)算，得出不同工況下，分析斷面的表現(xiàn)略有差別：工況一，蓄水位正常，且下游有水，該種狀態(tài)下的穩(wěn)定滲流，在滲流是0，高度為18.5m 時(shí)，斷面流速矢量圖如圖1 所示，允許流量為1.23m3/d。工況二，設(shè)計(jì)洪水位加之下游有水形成滲流，水位高度是19.88m，允許流量為1.37m3/d。工況三，校核供水為以及下游有水狀態(tài)下的穩(wěn)定滲流，水位高度是20.34m，允許流量是1.38m3/d。

圖1 工況一：有限元網(wǎng)格

結(jié)合實(shí)地勘察與數(shù)年蓄水檢驗(yàn)顯示，不存在庫盆滲漏的情況，滲漏具體發(fā)生在壩基，實(shí)際滲漏表現(xiàn)為：水位在1316m 時(shí)，排水棱體后面溝渠存在積水，經(jīng)過測(cè)量，對(duì)應(yīng)下游三角堰水位達(dá)到4cm，由此確認(rèn)滲流量是0.454L/s。在后續(xù)的巡視中，水位達(dá)到1320.05m，此時(shí)三角堰水位處于7cm。并在庫內(nèi)水位高度達(dá)到1320.5m后，三角堰水位直接上升到11cm。為提升加固設(shè)計(jì)的合理性與可行性，對(duì)水庫大壩原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果顯示大壩高程超過當(dāng)?shù)財(cái)?shù)百年一遇的校核洪水高度，同時(shí)防浪墻高程也超過預(yù)計(jì)數(shù)值，原本的結(jié)構(gòu)就符合防洪需要。

結(jié)合安全鑒定，該水庫原壩體有滲漏問題，要實(shí)施防滲處理。此次壩體選擇土工膜與截流墻組織模式，其中上游壩坡是1:2.3，和原結(jié)構(gòu)相同，表面鋪設(shè)預(yù)制塊進(jìn)行護(hù)坡，所以應(yīng)拆掉既有結(jié)構(gòu)。下游壩坡總體比較完善，沒有出現(xiàn)隆起與塌方等情況。但考慮到下游原本未建設(shè)人行踏步，所以在該次防滲施工中額外增加此類設(shè)施。踏步區(qū)域選擇漿砌塊石，尺寸是2m 寬、0.57m厚，每階踏步是0.3m，直接順著壩坡分布。

2.2 防滲處理設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目最初建設(shè)中沒有選擇帷幕灌漿技術(shù)，多年前進(jìn)行一次復(fù)建，預(yù)計(jì)在壩體和基巖部分段進(jìn)行灌漿，其中壩體區(qū)域選擇劈裂式工藝，而基巖則是帷幕灌漿。工程開發(fā)中，因?yàn)榻ㄔO(shè)資金都來源于財(cái)政自籌，造價(jià)會(huì)有所限制，最終部分帷幕沒有封閉。此次防滲處理設(shè)計(jì)中，主要在兩個(gè)方案中選擇，即壩基帷幕灌漿與壩體填充灌漿。沿截流墻進(jìn)行帷幕灌漿，組合壩體土工膜防滲[1]。二者比較來看，前者施工造價(jià)更低，而且建設(shè)組織也比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)機(jī)械化水平更加良好，建設(shè)周期短，不會(huì)水位有太多干擾。但考慮到多年來壩體滲漏的處理操作，灌漿防滲處理質(zhì)量并不高，同時(shí)灌漿壓力難以把控，導(dǎo)致建設(shè)成果無法完全控制，滲漏病癥容易復(fù)發(fā)。而在復(fù)合土工膜工藝逐漸成熟中，實(shí)際投入量明顯下降，使其可用性不斷提升，處理后的壩體質(zhì)量較好。并且利用混凝土截流墻可以有效處理壩體和壩基兩類滲漏結(jié)構(gòu)的病害，再加上帷幕灌漿，使修復(fù)后的結(jié)構(gòu)更加完整，達(dá)到完全根治的效果。

在復(fù)合土工膜的處理設(shè)計(jì)中，壩體迎水面選擇該種防滲方法，順著壩腳和壩體附近挖出梯形槽，清理已經(jīng)出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化表現(xiàn)的基巖，隨后在相應(yīng)位置上澆筑混凝土截水墻，底部與頂部的寬度分別是2m、2.5m，高度是2m。該截水墻施工中，需留出嵌固面，在灌漿完成后鋪上土工膜。在本項(xiàng)目中，土工膜選用0.8mm 厚的規(guī)格?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，壩體頂部需設(shè)置固埋溝用于鋪設(shè)土工膜，壩坡上游中部挖出防滑齒槽通過嵌固的方式處理土工膜[2]。在鋪設(shè)土工膜之前，施工人員需把壩坡區(qū)域內(nèi)碎石層與護(hù)坡塊石全部清理干凈，還要處理壩體表層的各類尖石與碎石等雜物，保障作業(yè)表面平整。隨后鋪設(shè)細(xì)砂土墊層，單層厚度控制在10cm，在該層上面鋪土工膜。同時(shí)為確保土工膜完整性，需在繼續(xù)鋪上砂墊層，厚度和細(xì)砂土墊層相同，并在該層之上增設(shè)預(yù)制混凝土，板塊厚度為8cm，這樣處理不僅能夠當(dāng)成土工膜壓重，還能保護(hù)壩坡。另外，對(duì)于河壩淤積問題，既有建基高程經(jīng)過數(shù)年使用后，淤泥層已經(jīng)有2.2m 后。出于對(duì)工程造價(jià)的考量，截流墻選擇在死水位施工，將壩體當(dāng)成持力層，隨后在建成的截流墻上實(shí)行灌漿處理，把大壩完全封閉。

2.3 壩基帷幕灌漿

2.3.1 方案設(shè)計(jì)

本工程中在壩基處進(jìn)行帷幕灌漿處理，基巖灌漿施工要求截流墻砌筑高度為1.5m。項(xiàng)目總體采用接地式的帷幕灌漿方法，基巖借此實(shí)現(xiàn)防滲處理。水庫大壩范圍內(nèi)，有砂巖與粉砂巖、泥頁巖，在河道兩岸地下水都處于不斷抬高中，所以帷幕設(shè)計(jì)直接將地下水位當(dāng)成施工邊界，整體灌漿線的程度是192m。順著截水墻，帷幕采取單排孔分布，孔距和排距僅是2m，總共有97處孔洞。本工程的壩基出露地層屬于相對(duì)透水層，以0.7 倍的水頭高度為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置灌漿孔深度下限，而灌漿上限則在截水墻底部，同時(shí)兩岸延伸施工部分的灌漿上限是按照水庫正常高水位設(shè)計(jì)。實(shí)地施工期間對(duì)先導(dǎo)孔進(jìn)行一系列的試驗(yàn)分析，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

在壩基帷幕施工中，灌漿孔分成3 次作業(yè)，不斷加密布置。施工人員可先設(shè)置兩端與重點(diǎn)區(qū)域的灌漿孔，當(dāng)成先導(dǎo)孔實(shí)施灌漿與壓水試驗(yàn)，繼而測(cè)出鉆孔實(shí)際地下水位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)獲取到的數(shù)據(jù)，施工方需立即把形成的資料反饋到監(jiān)理方與設(shè)計(jì)方，確保參建單位能及時(shí)了解大壩情況，基于此深化設(shè)計(jì)方案，調(diào)節(jié)帷幕邊界范圍與下限，給其他兩個(gè)批次的灌漿孔施工提供適宜技術(shù)參數(shù)[3]。

2.3.2 材料選擇

壩基巖層和接觸帶都是用水泥漿，開灌水灰比是5:1，注入漿液的濃度需會(huì)不斷提高。此處用到的水泥原料是超細(xì)硅酸鹽水泥，強(qiáng)度達(dá)到32.5MPa。按照大壩灌漿施工需求，漿液內(nèi)可以適量添加速凝劑以及摻和料。前者建議選擇水玻璃，后者則是按照實(shí)際條件，從粗砂與細(xì)砂、粉煤灰中挑選，還能適當(dāng)加入鋸末與紙屑等。在制漿中要使用專門的機(jī)具，灌漿機(jī)則可采用多缸柱塞泵。

2.3.3 施工方法

本工程壩體選擇強(qiáng)補(bǔ)灌漿技術(shù)，通常需等到低水位以及旱季施工，這樣有利于保障灌漿作業(yè)期間大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及施工質(zhì)量。在灌漿中采取全孔灌注處理，剛開始要注入稀漿，持續(xù)大約3～5min 之后，緩慢提高泥漿濃度。假設(shè)在此過程中發(fā)生孔口壓力降低，甚至出現(xiàn)負(fù)壓，需繼續(xù)提高泥漿稠度，單孔要灌漿5～10 次，相鄰兩次施工作業(yè)至少要間隔5d，平均孔洞每米單次要灌漿0.3～0.5m3。在地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，且消耗泥漿較多的區(qū)域，需適當(dāng)提高灌漿的次數(shù)，如果是現(xiàn)場(chǎng)需要，也可以重新掃孔處理，隨后根據(jù)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行灌漿處理[4]。

在基巖部分的灌漿施工需從上到下分段灌漿，將作業(yè)壓力控制在0.3MPa～0.5MPa。此施工段的長(zhǎng)度應(yīng)把控在5～6m，個(gè)別情形下也能適度延長(zhǎng)或縮短，但要控制在10m 以內(nèi)。基巖和壩體之間的接觸帶需額外進(jìn)行灌注施工與待凝，并且在基巖內(nèi)的長(zhǎng)度要在2m 以內(nèi)。另外，應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，灌漿施工期間的全部資料都保障詳細(xì)，包括施工原始記錄、大壩某些結(jié)構(gòu)異常點(diǎn)等。

鉆取灌漿孔中，現(xiàn)場(chǎng)孔位必須根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙位置布設(shè)，實(shí)際偏差應(yīng)在10cm 以內(nèi)。鉆機(jī)需保持穩(wěn)定與水平，避免其發(fā)生位移，影響鉆孔質(zhì)量。本項(xiàng)目基巖部分施工能選擇φ73～φ89 規(guī)格鉆具，鉆頭材質(zhì)可以是金剛石、硬質(zhì)合金，并采用清水循環(huán)作業(yè)形式，切忌出現(xiàn)少鉆與漏鉆的問題。

2.3.4 鉆孔沖洗

基巖部位進(jìn)行灌漿施工以前，需安排沖洗孔洞裂隙，此處需選擇壓力水，按照灌漿壓力值的80%調(diào)節(jié)沖水壓力，直到回水清凈。按照帷幕灌漿作業(yè)要求，孔洞中沉積層厚度需控制在0.2m 以內(nèi)。假設(shè)屬于巖溶與大裂隙、斷層等不良地質(zhì)，沖洗操作如何開展都要按照灌漿試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)。而壓水試驗(yàn)中，從基巖部位由上至下，逐段完成試驗(yàn)分析[5]。此外，該試驗(yàn)需在沖洗處理結(jié)束后開展，選擇單點(diǎn)方法，其他基巖段孔洞則要在灌漿時(shí)事先完成簡(jiǎn)易壓水，這項(xiàng)操作能與沖洗裂縫作業(yè)一同開展，這樣有利于加快建設(shè)進(jìn)度，縮短項(xiàng)目工期。

為保障灌漿施工過程的質(zhì)量，需要進(jìn)行位移觀測(cè)，順著壩體軸線，按照10～20m 的間隔距離均勻布置觀測(cè)組，單組中需要在壩體頂部、壩肩分別設(shè)置一處標(biāo)點(diǎn)，可以選擇混凝土樁、木樁作為標(biāo)記，每次灌漿時(shí)都要到觀測(cè)兩次以上，而且在整個(gè)灌漿施工階段需進(jìn)行常態(tài)化觀測(cè)，其他加固施工期間也要至少每5d 組織一次觀測(cè)。

2.3.5 封孔處理

按照帷幕灌漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于設(shè)計(jì)壓力數(shù)值，在注入率每分鐘不超過0.4L 后，再連續(xù)灌漿一個(gè)小時(shí)，待每分鐘注入漿液不超過1L 時(shí)，再繼續(xù)注入一個(gè)半小時(shí)，便可停止灌注。對(duì)于帷幕灌漿工藝的封孔處理，可選擇分段壓力灌漿技術(shù)。在封孔前需要檢查行灌漿質(zhì)量，通過分段壓水試驗(yàn)檢測(cè)。根據(jù)該項(xiàng)試驗(yàn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，壩體和基巖接觸位置與下一段達(dá)標(biāo)率需是100%，其余每段合格率要超過90%，同時(shí)不達(dá)標(biāo)區(qū)域透水率應(yīng)在設(shè)計(jì)參數(shù)100%以下，而且位置要分散，如此才能判斷灌漿施工整體質(zhì)量達(dá)標(biāo)，反之需各個(gè)參建方立即商定解決方案。在經(jīng)過壓水試驗(yàn)并合格后，根據(jù)工藝標(biāo)準(zhǔn)，利用專業(yè)膨脹塞實(shí)施封孔處理。結(jié)束后應(yīng)抽樣檢查密封效果。

圖2 帷幕灌漿膨脹塞

2.4 加固后滲漏復(fù)核

納麻水庫防滲加固施工后，上游壩面是預(yù)制塊護(hù)坡，搭配土工膜防滲技術(shù)，而下壩面是用草皮護(hù)坡，在壩腳處配置排水溝與三角堰。針對(duì)壩體加固施工后的滲漏情況進(jìn)行分析，選擇前文提到的計(jì)算軟件。同樣是3種工況，工況一條件下，加固后大壩流量約為0.95m3/d，對(duì)應(yīng)流速矢量圖如下；工況二，加固施工后，流量約是1.02m3/d；工況三下加固后大壩流量是1.04m3/d 左右。對(duì)比前文所列允許流量數(shù)值，經(jīng)過防滲施工后的大壩結(jié)構(gòu)，流量明顯下降。

從水體流量表現(xiàn)上，本項(xiàng)目的施工效果較好。另外，還需對(duì)加固大壩進(jìn)行穩(wěn)定分析，此處選擇簡(jiǎn)易畢肖普法，其是針對(duì)土條之間的作用力加以判斷，以極限平衡為內(nèi)在機(jī)制，將滑裂土體當(dāng)成剛體繞中心旋轉(zhuǎn)，通過算出結(jié)構(gòu)滑動(dòng)力以及抗滑力，判斷大壩安全程度。對(duì)于孔隙壓力則使用相似方式計(jì)算，得出不同工況下壩坡最低的安全系數(shù)。本項(xiàng)目中把大壩按照1m 寬分成若干土條，系統(tǒng)搜索半徑范圍設(shè)定成0.5m。經(jīng)過計(jì)算得到該次施工項(xiàng)目后的大壩穩(wěn)定狀態(tài)，按照正常與非正常兩種使用工況，分別為正常工況中上下游壩坡、上游水位處于壩底上方1/3 壩高位置的壩坡。水庫是校核洪水狀態(tài)時(shí)的上下游壩坡，針對(duì)以上項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。通過對(duì)比加固前的狀態(tài)，上下游壩坡的安全系數(shù)都有明顯提升，并且都達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，壩基經(jīng)過截流墻灌漿施工，構(gòu)成封閉微米，有效消除壩基部分滲流的病害。

3 結(jié)語

水工建筑采取帷幕灌漿進(jìn)行加固處理，可以有較好防水表現(xiàn)。施工項(xiàng)目中按照原建筑滲漏情況以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，綜合經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性的考慮，對(duì)建筑各個(gè)部位選用適宜的方法，納麻水庫項(xiàng)目中使用帷幕灌漿與土工膜的搭配方案，便取得良好的加固效果，值得類型工程借鑒。