高壓旋噴灌漿在磨刀水庫防滲加固中的應(yīng)用

李燕芳，黃永俊

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530023；2.廣西珠委南寧勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，南寧 530007）

1 概況

磨刀水庫位于賓陽縣陳平鎮(zhèn)上峰村，壩址以上控制集雨面積13.53 km2。水庫原設(shè)計(jì)總庫容138.0萬m3，有效庫容93.17 萬m3，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的?。?）型水庫。磨刀水庫設(shè)計(jì)灌溉面積600畝，目前實(shí)際灌溉面積300畝。水庫樞紐主要建筑物由大壩、輸水設(shè)施和溢洪道等組成。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂長(zhǎng)87 m，壩頂高程為246.50 m，防浪墻頂高程247.10 m，最大壩高為26.57 m，壩頂寬3.5 m。本次實(shí)施方案復(fù)核磨刀水庫工程等別為Ⅳ等工程，大壩、溢洪道、放水設(shè)施等主要水工建筑物級(jí)別為4 級(jí)，洪水標(biāo)準(zhǔn)維持原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核，溢洪道消能防沖按20年一遇洪水設(shè)計(jì)。

磨刀水庫于1970年10月動(dòng)工興建，1974年4月竣工。2011年實(shí)施了除險(xiǎn)加固，水庫大壩于2014年9月16日發(fā)現(xiàn)滲漏，滲漏時(shí)水位241.72 m，滲漏點(diǎn)高程229.25 m 左右，外坡從左至右229.25 m 高程全線滲漏，滲水為清水，壩面填土呈泥狀，當(dāng)年進(jìn)行了補(bǔ)灌，但是由于當(dāng)時(shí)施工質(zhì)量較差，灌漿未按照規(guī)范要求進(jìn)行，達(dá)不到防滲的效果，后續(xù)經(jīng)2015年、2017年、2019 年對(duì)大壩進(jìn)行連續(xù)灌漿補(bǔ)漏，仍不能對(duì)滲漏處進(jìn)行封堵，2020 年繼續(xù)對(duì)大壩進(jìn)行防滲灌漿。2021年7月16日對(duì)大壩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)，檢查水位為231.97 m，在水庫下游距壩腳4 m 處發(fā)現(xiàn)滲漏情況，滲漏量較大，約為1.5 L/s，且根據(jù)管理人員反映，大壩在高水位運(yùn)行時(shí)，大壩下游高程227.86 m處排水棱體有細(xì)反濾料流失情況。根據(jù)勘察結(jié)果，認(rèn)為大壩雖然經(jīng)過多次灌漿，灌漿效果明顯，但是依然存在壩基滲漏和壩體滲漏。主要原因在于壩體填土礫石含量大，壓實(shí)度低，均勻性差，加上灌漿孔距偏大，灌漿效果未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。磨刀水庫大壩滲漏問題仍未徹底解決，水庫滲漏量較大，嚴(yán)重影響大壩的安全運(yùn)行，因此本次實(shí)施方案主要對(duì)磨刀水庫滲漏等主要問題進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2 磨刀水庫防滲加固方案研究

2.1 防滲加固方案的比選

根據(jù)地質(zhì)勘探成果，大壩壩體填土為含礫粉質(zhì)黏土，壩體填筑質(zhì)量較差，壓實(shí)度84.4%，滲透系數(shù)平均值為3.726×10-4cm/s，為中等透水性，當(dāng)水庫水位較高時(shí)，大壩外坡有散滲現(xiàn)象。壩體置于沖洪積土層上，兩壩肩置于殘積含礫粉質(zhì)黏土及泥巖夾粉砂巖層上。根據(jù)水庫運(yùn)行管理記錄，外坡壩腳長(zhǎng)年滲水，存在壩體、壩基及壩體與壩基接觸帶滲漏，但未發(fā)現(xiàn)繞壩滲漏現(xiàn)象。沖積粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)大于1.0×10-4cm/s，屬于中等透水性；強(qiáng)風(fēng)化基巖地層透水率為11.42～14.24 lu，屬于中等透水性；弱風(fēng)化基巖層透水率為3.76～7.17 lu，屬弱透水性。因此，存在壩基及壩肩淺層滲漏。綜上，大壩壩體填土和壩基滲透系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，大壩壩體填土壓實(shí)度不滿足規(guī)范要求，防滲效果差，對(duì)下游壩坡穩(wěn)定不利。

結(jié)合地質(zhì)勘探結(jié)果及大壩下游壩坡多處出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏的情況，擬對(duì)大壩采取全斷面防滲處理。由于水平防滲方案需放空水庫，并在圍堰的保護(hù)下進(jìn)行施工，增加了工程量，施工較困難，經(jīng)濟(jì)上不合理，因此本次設(shè)計(jì)采取垂直防滲方案。采用“壩體砼防滲心墻+壩基帷幕灌漿”“壩體充填灌漿+壩基帷幕灌漿”和“壩體高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿”3種方案進(jìn)行比選。

（1）方案一：壩體砼防滲墻+壩基帷幕灌漿。對(duì)壩體采用塑性砼防滲墻進(jìn)行防滲處理，墻體有效成墻厚度為0.6 m，防滲墻上部以不低于校核洪水位控制，頂高程取245.68 m。防滲墻下部深入壩基巖土分界線以下1 m，防滲墻抗?jié)B等級(jí)W6，允許滲透坡降為60～80。帷幕灌漿共布設(shè)1 排帷幕灌漿孔，孔距2.0 m，帷幕灌漿灌至相對(duì)隔水層10 Lu線。

（2）方案二：壩體充填灌漿+壩基帷幕灌漿。充填灌漿灌入水泥漿和復(fù)合漿形成凝結(jié)體，可以在壩體內(nèi)形成鉛直而連續(xù)的防滲墻，堵住漏水通道，提高壩體的防滲能力，同時(shí)通過漿、土互壓和濕陷，使壩體、壩基內(nèi)部應(yīng)力重分布，提高壩體、壩基變形穩(wěn)定性。充填灌漿上限以不低于校核洪水位控制，頂高程取245.68 m，設(shè)1排灌漿孔，孔距1.0 m；充填灌漿深入壩基巖土分界線以下1 m。帷幕灌漿共布設(shè)1 排帷幕灌漿孔，孔距2.0 m，帷幕灌漿灌至相對(duì)隔水層10 Lu 線，基巖帷幕灌漿與壩體高壓旋噴灌漿孔同一排布置，不再另外造孔。

（3）方案三：壩體高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿。高壓旋噴灌漿是利用射流作用切割摻攪地層，改變?cè)貙拥慕Y(jié)構(gòu)和組成，同時(shí)灌入水泥漿和復(fù)合漿形成凝結(jié)體，以達(dá)到防滲加固的目的。高壓旋噴灌漿上限以不低于校核洪水位控制，頂高程取245.68 m，設(shè)1排灌漿孔，孔距1.0 m。高壓旋噴灌漿深入壩基巖土分界線以下1 m；帷幕灌漿共布設(shè)1排帷幕灌漿孔，孔距2.0 m，帷幕灌漿灌至相對(duì)隔水層10Lu線，基巖帷幕灌漿與壩體高壓旋噴灌漿孔同一排布置，不再另外造孔。

上述3種方案中，對(duì)壩基采用帷幕灌漿防滲處理方案是相同的，從工程技術(shù)方面來看，防滲加固采用高噴灌漿、充填灌漿及砼防滲墻都是可行的，3種方法都是十分成熟的防滲處理技術(shù)，廣泛用于堤防和水庫大壩的加固工程中。3種方案優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 磨刀水庫三種防滲加固方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較

考慮到大壩屬矮壩，只要加強(qiáng)高壓旋噴灌漿施工技術(shù)控制即可解決鉆孔偏斜率帶來的質(zhì)量問題，因此，經(jīng)綜合分析各方案的投資、防滲效果、施工難度、施工周期等因素，選用方案二（壩體高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿）。

2.2 “壩體高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿”防滲加固方案設(shè)計(jì)

2.2.1 壩體高壓旋噴灌漿設(shè)計(jì)

（1）灌漿布置。大壩高壓旋噴灌漿孔沿壩軸線布置，右岸與原人工挖孔樁搭接，灌漿上限以不低于校核洪水位控制，取245.68 m，設(shè)1排灌漿孔，孔距1.0 m。高壓旋噴灌漿深入壩基巖土分界線以下1 m。

（2）灌漿材料。高壓旋噴灌漿漿液采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 硅酸鹽水泥按水灰比1∶1 制漿，制漿材料必須稱量，誤差不得大于5%。灌漿前通過35 孔/cm2過濾篩過濾，并每小時(shí)檢測(cè)其密度。

（3）灌漿方法及灌漿工藝。高壓旋噴灌漿擬采用三管法施工，初步選定旋噴灌漿工藝參數(shù)：①水壓力0.35 MPa，流量70 L/min，噴嘴2 個(gè)，噴嘴直徑1.7 mm；②壓縮空氣0.6 MPa，流量0.8 m3/min，噴嘴2個(gè)，噴嘴間隙1.5 mm；③水泥漿送漿壓力0.2 MPa，流量80 L/min，密度1.7 g/cm3，噴嘴2 個(gè)，噴嘴直徑8 mm；④孔口回漿密度≥1.5 g/cm3；⑤提升速度15 cm/min，旋噴速度15 r/min。最終技術(shù)參數(shù)應(yīng)在灌漿前通過灌漿試驗(yàn)確定，并在施工初期進(jìn)行調(diào)整完善。試驗(yàn)孔按灌漿孔的10%計(jì)。

（4）施工順序。灌漿分二序進(jìn)行。

2.2.2 壩基帷幕灌漿設(shè)計(jì)

（1）灌漿布置。結(jié)合本工程地形地質(zhì)等實(shí)際情況和大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，雖然壩基強(qiáng)風(fēng)化巖為中等透水性，但大壩左壩肩山體雄厚，且未發(fā)現(xiàn)明顯漏水點(diǎn)，故確定大壩左壩帷幕灌漿軸線與高壓旋噴灌漿孔軸線重合，大壩壩基帷幕灌漿設(shè)一排灌漿孔，孔距2.0 m。為了方便施工，帷幕灌漿軸線定于壩軸線，施工從大壩左側(cè)壩肩處開始到右側(cè)壩肩，灌漿沿壩軸線，灌漿總長(zhǎng)97 m。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）規(guī)定帷幕的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按灌后基巖的透水率控制，3 級(jí)及其以下的壩透水率宜為5～10 Lu。根據(jù)工程實(shí)際情況并結(jié)合滲流計(jì)算結(jié)果，確定帷幕灌漿灌至相對(duì)隔水層10 Lu線。

（2）灌漿方法。壩基帷幕灌漿采用自下而上的灌漿順序。

（3）灌漿材料。壩基帷幕灌漿以水泥漿為主，為確保灌漿質(zhì)量，要求使用P·O42.5 水泥。水泥漿采用水灰比為5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1 五個(gè)比級(jí)，開灌水灰比為5∶1。

（4）灌漿壓力。接觸面的灌漿壓力初選0.2 MPa，其下逐漸增加到0.4 MPa，施工前再進(jìn)行灌漿試驗(yàn)論證，而后在施工過程中調(diào)整確定。

（5）施工順序。灌漿分三序進(jìn)行。

3 大壩防滲加固前后的滲流穩(wěn)定對(duì)比分析

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，大壩主河床部位的透水性較強(qiáng)，土體的滲透系數(shù)較大，對(duì)壩體的滲流及壩坡穩(wěn)定較為不利，選取為最大壩高斷面作為大壩的計(jì)算斷面，大壩防滲加固前后滲流穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1～2所示。

圖1 大壩防滲加固前滲流穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2 大壩防滲加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

滲流計(jì)算采用北京理正軟件研究室編寫的計(jì)算機(jī)軟件《滲流分析計(jì)算軟件》，采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，軟件要求輸入的參數(shù)主要是大壩各土層輪廓點(diǎn)坐標(biāo)，各土層的滲透系數(shù)及相應(yīng)工況下的上、下游水位。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2 020）規(guī)定，并考慮到本工程在設(shè)計(jì)、校核工況下持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)，不會(huì)形式穩(wěn)定滲流，因此，本次除險(xiǎn)加固大壩滲流計(jì)算選用以下3種工況：①上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位；②1/3壩高水位與下游相應(yīng)的水位；③校核洪水位驟降至正常蓄水位。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 大壩加固前后滲流計(jì)算成果表

由表2 可知，大壩在防滲加固前后各種計(jì)算工況下的最大滲透坡降均小于壩體填土的允許滲透坡降，故大壩防滲加固前后局部滲透都是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生局部滲透破壞。且大壩在防滲加固后的滲透坡降以及滲流量均低于防滲加固前，滲流量減少尤為明顯。各工況下的最大單寬滲流量為1.563 m3/d，相比防滲加固前的最大單寬滲漏量3.622 m3/d明顯減少，防滲效果顯著。

4 結(jié)語

采用“高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿”措施對(duì)磨刀水庫大壩進(jìn)行防滲加固，對(duì)防滲加固前后大壩滲流穩(wěn)定進(jìn)行對(duì)比分析，表明防滲措施可行有效。項(xiàng)目建成后減少了水量的滲漏，提高了水庫的安全性，延長(zhǎng)了水庫的使用壽命，保證工程發(fā)揮應(yīng)有的效益，可為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，構(gòu)建和諧社會(huì)發(fā)揮積極作用。