大壩工程防滲灌漿技術(shù)及其防滲加固處理措施研究

李洪濤

（甘肅省臨澤縣梨園河水利管理處，甘肅 張掖 734200）

1 引言

我國(guó)地域遼闊，但水資源分布不均，且洪澇頻發(fā)，建設(shè)水庫(kù)大壩可以在豐水期儲(chǔ)存水資源，避免洪澇災(zāi)害，在缺水期放出水資源以平衡水資源消耗，該措施對(duì)維護(hù)社會(huì)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展具有促進(jìn)作用。 基于此目的，我國(guó)廣泛分布著大大小小的水庫(kù)大壩，大部分建于河川上游，在我國(guó)大陸建設(shè)有水庫(kù)大壩超過(guò)8.7 萬(wàn)座，總庫(kù)容4 987 億m3，其中，95%以上為小型水庫(kù)[1]。 除了避免洪澇災(zāi)害，基于農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、水上航運(yùn)、水力發(fā)電等方面的目的， 選擇高效節(jié)約便于工程應(yīng)用的地理位置也是重要的選址策略。 因大壩建設(shè)的目的較多，一旦產(chǎn)生滲漏問(wèn)題，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)也會(huì)產(chǎn)生多方面的災(zāi)難性影響。 為了避免因其滲漏乃至潰壩產(chǎn)生的危害，需要定期對(duì)大壩進(jìn)行巡檢，及時(shí)填補(bǔ)滲漏處，加固大壩。 針對(duì)大壩所處地理環(huán)境，地勢(shì)高低，受哪種季風(fēng)帶影響，以及大壩的建設(shè)的目的，進(jìn)行有針對(duì)性的防滲漏處理是十分重要的防潰壩措施。

2 工程概況及質(zhì)量評(píng)價(jià)

在進(jìn)行大壩防滲灌漿工程處理前， 需要對(duì)水電站大壩項(xiàng)目及其缺漏破損進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)價(jià)， 其主要評(píng)估內(nèi)容涵蓋地理位置、地理環(huán)境、建設(shè)目的、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、水系特征、常見(jiàn)災(zāi)害類(lèi)型、破損位置等。 研究以甘肅省張掖市黑河二龍山水電站工程為例，對(duì)其存在的問(wèn)題及工程設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析[2]。 該水電站工程采用引水式開(kāi)發(fā)方式，其電站總裝機(jī)容量為50.5 MW，年發(fā)電量為1.739×108kW·h，屬中型Ⅲ等工程，主要構(gòu)筑物由引水樞紐、引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房3 部分組成。 建設(shè)地點(diǎn)位于甘肅省張掖市西南131 km 的黑河大峽谷中段，電站上游接3 道灣水電站，下接大孤山水電站，是《甘肅省張掖市黑河（黃藏寺—大孤山） 河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化報(bào)告》 中黑河水能規(guī)劃的第4座梯級(jí)電站。項(xiàng)目區(qū)為地下水環(huán)境質(zhì)量功能區(qū)Ⅲ類(lèi)區(qū)，能夠保證枯水期（11 月～次年3 月）2.83 m3/s，豐水期（4～10 月）6.34 m3/s 最小下泄流量的要求。 首部樞紐利用階地地形布置寬淺式梯形明渠，渠尾設(shè)進(jìn)水節(jié)制閘、退水閘和壓力隧洞進(jìn)水前池以及側(cè)堰等，主體工程均布置在開(kāi)發(fā)河段的右岸。

工程區(qū)位于青藏高原的東北部祁連山地震帶， 屬新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈活動(dòng)區(qū)，地震活動(dòng)強(qiáng)度大、頻度高。 根據(jù)GB 18306—2001《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》，工程區(qū)50 年超越概率為10%時(shí)，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，對(duì)應(yīng)該區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，地震反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。 多年平均年降水量為393.0 mm；多年平均年蒸發(fā)量為1 527.4 mm；平均氣溫0.7 ℃，絕對(duì)最高氣溫30.5 ℃（1971 年7 月）， 絕對(duì)最低氣溫-31.1 ℃（1975 年12 月），日溫差較大；最大凍土深2.5 m。 本流域的降水分布，由南向北，自東向西逐步遞減，祁連山區(qū)為黑河的產(chǎn)流區(qū)， 北部戈壁沙漠為徑流消失區(qū)， 走廊地帶為二者的過(guò)渡區(qū)。工程地主要巖性為卵礫石和沙礫石等高含水介質(zhì)層。該工程位于地震帶且其工程項(xiàng)目較容易受到極端天氣的影響，故對(duì)其工程建設(shè)質(zhì)量要求較高。

對(duì)壩體破損的說(shuō)明則主要基于壩體土料，結(jié)構(gòu)，滲漏分布及大小，透水程度，滲漏原因及壩體排水系統(tǒng)的建設(shè)，其中，滲漏位置主要分為壩體、壩基、壩肩。 根據(jù)工程質(zhì)量調(diào)查報(bào)告結(jié)果顯示，張掖市有73.08%的水庫(kù)大壩工程質(zhì)量不合格，壩基處理不滿足規(guī)范要求的有13 座，壩肩岸坡處理不滿足規(guī)范要求的有9 座，壩體填筑質(zhì)量不符合要求的有14 座。

3 大壩防滲灌漿技術(shù)

根據(jù)黑河二龍山水電站工程實(shí)際情況， 提出以下幾種防滲灌漿技術(shù)。

3.1 帷幕灌漿技術(shù)

如圖1 所示， 帷幕灌漿技術(shù)是將一定濃度的漿液注入間距適宜的鉆孔中壓至巖土體的縫隙或者孔洞內(nèi)， 在大壩內(nèi)形成結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度穩(wěn)定，且有高抗?jié)B性的幕墻。 從而達(dá)到防滲堵漏的目的[3]。 常選擇賓漢塑性流體作為漿液，因賓漢塑性流體流動(dòng)時(shí)具有較大的阻力， 可以在降低其中的砂子等粗顆粒下沉和分離的速度的同時(shí)，保持長(zhǎng)時(shí)間的可泵性。 灌漿工序上遵循縮小孔距和合理性兼顧的原則， 通過(guò)逐漸加密灌注鉆孔的方式，有序提高灌漿壓力，增大漿液擴(kuò)散范圍和凝結(jié)密實(shí)度。 單一孔的工序需要在鉆孔后進(jìn)行沖洗，再進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行終孔和封孔。 分段灌漿方法可分為3 種形式：自上而下、自下而上、綜合分段法。 需注意的是，在底層變化劇烈的地區(qū)因灌漿區(qū)域裂隙多樣，需要先關(guān)注黏度不高的稀漿，以填補(bǔ)細(xì)小縫隙。

圖1 帷幕灌漿技術(shù)灌漿工序示意圖

3.2 沖抓套井回填黏土防滲墻技術(shù)

沖抓井回填黏土墻技術(shù)示意圖如圖2 所示， 其是在土石壩的滲流區(qū)沿壩軸線或上游鉆洞，根據(jù)滲漏情況決定排孔。 鉆孔的直徑通常為110～120 cm。 孔中填入黏土，分層壓實(shí)，在壩體中形成黏土柱，這樣連續(xù)建造地下黏土墻，切斷壩體或壩基的滲流通道，達(dá)到防滲的目的。

圖2 沖抓套井回填黏土防滲墻技術(shù)示意圖

在處理水庫(kù)和大壩的滲流問(wèn)題上， 沖孔套井回填黏土防滲墻的技術(shù)已經(jīng)十分成熟。 該技術(shù)具有機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、工程量小、工效高、黏土投資少、防滲效果好等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)是孔徑較大，回填土量也較大；適用于水上施工，在水下或滲透線以下施工難度較大；黏土回填量較大；該方法適用于無(wú)法灌漿處理的窄壁壩的滲漏處理，對(duì)心墻壩、均質(zhì)壩的處理效果很好，但只能對(duì)壩高小于30 m 的壩面防滲加固。

3.3 水泥土攪拌樁防滲加固技術(shù)

水泥土攪拌樁防滲加固技術(shù)是一種在水利工程中廣泛應(yīng)用的地基處理技術(shù)。 該技術(shù)通過(guò)運(yùn)用特制攪拌機(jī)械，深入地基將水泥與土壤進(jìn)行充分混合， 生成一種土-水泥復(fù)合材料，從而提高地基的承載能力和穩(wěn)定性。 生成的土-水泥復(fù)合材料結(jié)合了土壤與水泥的優(yōu)點(diǎn)，具備較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 在土和水泥的混合過(guò)程中，水泥的水化反應(yīng)會(huì)填充土壤孔隙，形成致密的防滲層，有效提升地基的抗?jié)B性能。 此外，該技術(shù)還能根據(jù)工程需要調(diào)整水泥摻量和攪拌深度， 以滿足不同水利工程的防滲加固要求。 在水利工程中，水泥土攪拌樁技術(shù)常被用于基坑支護(hù)、防滲帷幕等結(jié)構(gòu)的建設(shè)，其優(yōu)秀的防滲能力和加固效果為工程的安全穩(wěn)定提供了有力保障。

4 大壩防滲灌漿加固處理措施

4.1 壩基、壩肩帷幕灌漿防滲處理方案

黑河二龍山水電站大壩土料材質(zhì)為黏土心墻， 近地面為燕山期花崗巖地質(zhì)， 結(jié)合工程水文地質(zhì)和施工條件， 大壩壩體、壩肩除險(xiǎn)加固防滲設(shè)計(jì)方案為：對(duì)壩基、壩肩進(jìn)行帷幕灌漿防滲加固，對(duì)壩體使用水泥土攪拌樁進(jìn)行防滲加固。

根據(jù)實(shí)地勘察資料、水庫(kù)原始設(shè)計(jì)資料，為了確保大壩在施工蓄水期和后期使用不會(huì)出現(xiàn)滲漏問(wèn)題，按照透水率<5 Lu的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)帷幕灌漿方案。 在進(jìn)行正式灌漿前，需要就大壩土料材質(zhì)和施工位置進(jìn)行灌漿試驗(yàn)， 以調(diào)整帷幕灌漿施工方案。

帷幕灌漿方案設(shè)計(jì)如下：首先，從左岸到右岸沿壩軸線布置灌漿孔線，帷幕線與5 Lu 滲透控制線相交，高出正常蓄水位15.66 m，依據(jù)地形變化適當(dāng)抬升。 針對(duì)水庫(kù)工程地質(zhì)情況，進(jìn)行分段式灌漿，隨施工進(jìn)行，每段灌漿壓力遞增。 在大壩壩基補(bǔ)強(qiáng)灌漿階段，使用純壓式灌漿，結(jié)束灌漿后使用全孔灌漿技術(shù)進(jìn)行封孔。帷幕線接水泥土攪拌樁防滲墻向兩岸延伸。建立防滲帷幕線，線總長(zhǎng)560 m。 帷幕灌漿三序孔施工孔孔徑為2 m。 針對(duì)地下層巖破損大的問(wèn)題，為避免庫(kù)水經(jīng)該部位滲漏，在正上方對(duì)灌漿孔進(jìn)行加深加固。 左壩肩帷幕進(jìn)行山體表面灌裝，灌裝位高于正常蓄水位15.66 m，山體內(nèi)方向延伸52 m，右壩肩灌裝位高于正常蓄水位15.66 m。

在帷幕灌漿加固施工結(jié)束后需進(jìn)行防滲效果檢驗(yàn)， 使用孔壓水試驗(yàn)在原滲漏部位進(jìn)行透水率檢驗(yàn)， 確定其滿足設(shè)計(jì)要求，施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)收，若不達(dá)標(biāo)需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿。

4.2 壩體水泥土攪拌樁防滲墻處理

因大壩壩體滲透系數(shù)較大，且下游存在塌坑風(fēng)險(xiǎn)，為進(jìn)一步消除大壩滲水安全隱患， 選擇的防滲加固設(shè)計(jì)方案為復(fù)合防滲方案。 選擇混凝土攪拌樁技術(shù)與帷幕灌漿進(jìn)行結(jié)合針對(duì)滲透點(diǎn)和周邊進(jìn)行針對(duì)性防滲，施工方案如下。 混凝土防滲墻技術(shù)的重要施工作業(yè)是鉆孔作業(yè)，為保證施工質(zhì)量，先對(duì)壩體已有的混凝土表面進(jìn)行高強(qiáng)度刷洗， 以使后續(xù)鋪加的混凝土能與之無(wú)縫對(duì)接，減少表面孔隙的產(chǎn)生。 混凝土攪拌樁布置在與壩中軸線相平行的上頂面上。 鋪設(shè)攪拌樁線，其左起與岸坡相接觸，右至大壩左岸墻體。 參照壩基帷幕線對(duì)大壩壩體沿壩軸線作混凝土攪拌樁防滲墻進(jìn)行防滲。 壩體水泥土攪拌樁防滲墻處理方案如圖3 所示。

圖3 壩體水泥土攪拌樁防滲墻處理示意圖

圖3 中防滲墻頂端樁孔位于平行于壩頂線上方0.5 m 處，防滲墻底部垂直嵌入壩基巖線，墻體厚度0.3 m。 施工與帷幕灌漿技術(shù)相似，采用三序樁成墻法，用多頭小直徑深層攪拌截滲樁基就位、調(diào)平，通過(guò)主機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)推動(dòng)鉆頭向土層中下層沉刨設(shè)計(jì)深度。 然后再提升攪拌機(jī)至孔口。 施工工序如下，將樁機(jī)移至預(yù)期位置后，連接漿液運(yùn)輸管、下沉鉆桿噴嘴噴漿、多次攪拌并噴漿至孔口。 完成噴漿作業(yè)后，需及時(shí)清洗管路及噴嘴，之后再移動(dòng)樁機(jī)位置換下一個(gè)樁位重復(fù)上述作業(yè)。 混凝土采用硅酸鹽混凝土，根據(jù)地質(zhì)和濕度調(diào)整水灰比，樁位允許偏差50 mm，垂直度偏差1%，樁徑允許偏差4%，相鄰樁施工間隔時(shí)間≤24 h。 需要注意的是，在灌漿施工中，為了保證混凝土質(zhì)量，在攪拌工程需要添加適量減水劑，若是出現(xiàn)吸漿現(xiàn)象需要混合時(shí)加入粉砂，若是出現(xiàn)漏漿則需要加入水玻璃。

5 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)大壩建設(shè)對(duì)保障我國(guó)居民正常用水和防澇減災(zāi)具有重要意義，對(duì)大壩進(jìn)行定期維護(hù)，使用新技術(shù)增加其穩(wěn)定性，進(jìn)行防滲加固處理是十分有必要的策略。 在對(duì)水壩進(jìn)行的防滲加固處理措施中，防滲灌漿技術(shù)處于核心位置，其可以與多種技術(shù)進(jìn)行結(jié)合， 有針對(duì)性地對(duì)水壩易滲水點(diǎn)或破損處進(jìn)行加固處理。 而帷幕灌漿技術(shù)也是廣泛使用的防滲灌漿技術(shù)，研究對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)介紹， 并簡(jiǎn)述了其他幾種可用于結(jié)合使用的防滲加固技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)大壩材質(zhì)和工程狀況有針對(duì)性地結(jié)合使用，可產(chǎn)生高效的防滲加固效果。