大興水利樞紐工程大壩基礎(chǔ)防滲帷幕灌漿設(shè)計與施工

袁素梅 左鳳霞 王建勇 齊錫蕊

1 帷幕沿線基本地質(zhì)條件

壩址位于峽谷內(nèi)，河谷斷面為U形，兩岸岸坡陡峻，坡度一般80°以上。兩岸帷幕線所經(jīng)地段地形均較為平緩，僅右岸田家寨后山體段略陡。其中左岸新銀村附近發(fā)育一長條形巖溶洼地，洼地與河流近平行，長約800 m，寬度20～40 m。洼地底高程522～540 m，洼地內(nèi)漏斗、落水洞發(fā)育。

壩址區(qū)及帷幕沿線地層主要為寒武系清虛洞組（∈1q）及第四系（Q4）。地層屬單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為NE20°～40°/SE∠5°～15°，巖層傾向下游。沿線附近未發(fā)現(xiàn)斷層，構(gòu)造主要以節(jié)理裂隙為主，產(chǎn)狀分別為：①NE60°～80°/SE∠70°～85°；②NW280°～300°/NE∠60°～80°。淺部巖體近水平層理面和張性裂隙較發(fā)育且多被泥質(zhì)充填（部分無充填），帷幕沿線巖溶發(fā)育，主要巖溶形態(tài)為巖溶洼地、漏斗、落水洞及溶洞等。

由于壩址兩岸地下水位低于庫水位，且壩址區(qū)巖體滲透性不均一，蓄水后將存在繞壩和壩基滲漏問題。壩址無大斷層和較大溶洞存在，產(chǎn)生集中滲漏的可能性不大，壩基滲漏為裂隙式滲漏。兩岸岸坡溶洞較發(fā)育，溶洞口規(guī)模不大，可能存在管道式集中滲漏，帷幕區(qū)巖體透水性總體隨深度增加而減弱。壩址區(qū)弱風(fēng)化巖體多具中等-弱透水性（q=10～1 Lu），微風(fēng)化巖體多具弱-微透水性，壩基巖體滲透性隨深度的增加有逐漸減小的趨勢。由于巖溶發(fā)育的不均一性，在巖溶發(fā)育部位，巖體透水性有突變現(xiàn)象。這是水庫產(chǎn)生滲漏的重要隱患，必須做好基礎(chǔ)防滲處理。

2 防滲帷幕設(shè)計

根據(jù)壩址區(qū)地下水的運動規(guī)律及巖體的滲透特性，壩基采取帷幕灌漿與排水相結(jié)合的工程措施，以控制承壓水的影響、降低壩基揚壓力、控制并減少繞壩和壩基滲漏量、防止泥化夾層部位發(fā)生滲透破壞。壩基及壩肩防滲帷幕形成封閉系統(tǒng)，其深度按巖體透水性和巖溶發(fā)育情況綜合確定。

壩基巖溶發(fā)育程度隨深度增加而減弱，河床鉆孔中未見有明顯的溶蝕現(xiàn)象，巖溶發(fā)育程度較弱，巖溶滲漏問題相對簡單，因此，壩基防滲以透水率控制。河床部位巖體透水率均小于5 Lu，帷幕深度可按1/3壩高取。兩岸巖體呈弱透水性，隨著深度的增加，地下水徑流強(qiáng)度、循環(huán)交替和溶蝕、侵蝕能力逐漸減弱，兩岸巖溶發(fā)育強(qiáng)度也相應(yīng)減弱。壩肩巖體主要為清虛洞組，其中第一地質(zhì)單元∈1q1-1為薄-中厚層狀灰?guī)r，裂隙不發(fā)育，微透水性，巖溶不發(fā)育，該層可作為壩基防滲相對隔水層。根據(jù)兩壩肩巖溶發(fā)育情況、存在巖溶連通管道等問題，以∈1q1-1作為相對隔水層，帷幕底進(jìn)入本單元地層5～10 m為宜，兩岸帷幕灌漿深度為21～52 m，滿足防滲帷幕的設(shè)計深度要求。

為使帷幕、排水保持連續(xù)性，控制繞壩滲流的問題，帷幕由壩肩向兩岸延伸至地下水與正常蓄水位相交處，左、右岸防滲帷幕長分別為609 m和541.5 m，延伸長度遠(yuǎn)超過1倍壩高，與地基條件相近的其他工程類比，可滿足要求。

經(jīng)過系統(tǒng)分析前期勘測成果和灌漿試驗論證，提出壩基及壩肩帷幕灌漿設(shè)計和要求如下。

2.1 壩基帷幕

壩基帷幕線長度98 m，帷幕孔為雙排設(shè)計，主帷幕孔垂直布置，上游副帷幕孔傾向上游5°，主、副帷幕排距0.7 m，孔距均為2.0 m。河床段主帷幕孔深12 m，副帷幕孔深8 m。岸坡段主帷幕深度由深入∈1q1-1層下25 m至15 m，副帷幕深度取主帷幕深度2/3。

2.2 左、右岸帷幕

左岸帷幕灌漿布置在左壩肩517.00 m灌漿平洞內(nèi)，平洞長度同帷幕線長度；右岸帷幕灌漿近壩部分明灌，遠(yuǎn)壩端約301 m布置在灌漿平洞內(nèi)。平洞斷面均為3.0 m×3.0 m（寬×高）城門洞型。左岸帷幕線樁號壩0+000.00—壩0-100.00段、壩0-200.00—壩0-280.00段、壩0-335.00—壩0-380.00段采用雙排帷幕灌漿，其余部位防滲帷幕為1排，主帷幕孔傾向上游7°，下游副帷幕孔傾向上游5°，主、副帷幕排距0.7 m，孔距2.0 m，左岸帷幕深度為24～80.4 m。右岸靠近壩肩約150 m長范圍內(nèi)帷幕線處于分水嶺地帶，巖體厚度單薄，巖溶發(fā)育強(qiáng)度不一，此段的防滲漏是壩肩防滲設(shè)計的重點，設(shè)雙排帷幕孔，右岸明灌段全線及右壩洞0+000至右壩洞0+070段采用雙排帷幕灌漿，其余部位防滲帷幕為1排，主、副帷幕孔均垂直布置，孔距2.0 m，右岸帷幕深度為27～66 m。

防滲帷幕全長1 248.5 m，總孔深42 220 m，以上大壩滲漏設(shè)防可將河床和岸坡的庫內(nèi)滲水堵截，起到立面防滲的作用。

帷幕灌漿可采用小孔徑鉆孔，并推薦用孔口封閉法施灌。帷幕孔分3序，每間隔24 m布置1個先導(dǎo)孔，設(shè)計要求通過各次序孔的灌漿施工，幕體透水率不得大于5 Lu。

3 帷幕灌漿施工

3.1 灌漿材料及水灰比

灌漿漿液全部為水泥凈漿，選用P.042.5級普通硅酸鹽水泥。漿液選用水灰比為 5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1和0.5∶1六個比級。開灌比級5∶1。使用時首先采用稱重法配置0.5∶1的漿液，攪拌3～5 min，后根據(jù)灌漿需要再稀釋為其他比級漿液。

3.2 灌漿分段

灌漿段的長度控制在5.0 m左右，最長不超過10.0 m，接觸段的長度2.0 m。灌漿段長度見表1。

表1 灌漿段長度劃分 m

3.3 灌漿壓力

帷幕灌漿壓力為0.5～2 MPa，根據(jù)巖溶發(fā)育情況不同各灌段灌漿壓力有所調(diào)整。壓力以安裝在孔口回漿管路上的壓力傳感器采集數(shù)據(jù)的平均值為自動記錄儀記錄的灌漿壓力。各段的灌漿壓力見表2。

表2 灌漿壓力表

以上灌漿壓力值是通過現(xiàn)場試驗確定的。試驗段選擇在地層較具代表性和復(fù)雜性的壩段，試驗用灌漿壓力根據(jù)地層情況和有關(guān)的經(jīng)驗公式確定。

灌漿壓力是灌漿施工最為重要的參數(shù)之一。灌漿孔的上覆蓋重最小處僅為0.5 m厚的左岸灌漿平洞底板，灌漿壓力過大，注漿量大，大部分Ⅰ序孔較長時間達(dá)不到設(shè)計壓力值，造成漿液浪費，且漿液可能對上覆蓋重產(chǎn)生有害抬動。壓力過小又達(dá)不到灌漿效果，影響幕體質(zhì)量。為確定正確的灌漿壓力，進(jìn)行了灌漿試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn)，0.5 MPa為接觸段灌漿的壓力界限值。在0.5 MPa范圍內(nèi)，冒漏現(xiàn)象很少發(fā)生，上覆蓋重的抬動變形很微?。粔毫Τ^0.5 MPa冒漏現(xiàn)象就會頻繁出現(xiàn)，個別孔的抬動變形顯著增大。所以把接觸段的灌漿壓力確定為0.5 MPa，然后根據(jù)試驗情況和經(jīng)驗公式確定了各段帷幕孔的終孔灌漿壓力以及其他中間孔段的灌漿壓力值。

施工過程中灌漿壓力要嚴(yán)格控制，一般不能超過設(shè)計壓力，這在接觸段位置和終孔段位置尤為重要。

3.4 灌漿方法

鉆孔設(shè)備采用XY-2地質(zhì)鉆機(jī)，鉆孔直徑為60 mm。灌漿設(shè)備采用3SNS灌漿泵，中成華瑞灌漿自動記錄儀和KXP-2D型數(shù)字羅盤測斜儀。

接觸段（入巖2 m）采用灌漿塞灌漿，待凝72 h后再進(jìn)行下一段的鉆灌作業(yè)。接觸段以下采用“孔口封閉、從上而下分段、孔內(nèi)循環(huán)灌漿法”進(jìn)行灌漿，灌漿管距離孔底不大于50 cm。各個灌漿段結(jié)束后一般可不待凝。“孔口封閉灌漿法”操作簡單，易于施工，自上而下分段灌漿，下部孔段灌漿的同時，又是對其上部已灌孔段灌漿施工的補(bǔ)充和檢驗，能夠有效地保證灌漿質(zhì)量，是一種被廣泛采用的灌漿方式。

3.5 灌漿施工順序

（1）壩基段首先施工固結(jié)灌漿，后施工同一壩段的帷幕灌漿孔。

（2）雙排帷幕孔部位，先施工下游排的副帷幕孔，后施工上游排主帷幕孔。

（3）同排帷幕孔的先后次序：先導(dǎo)孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔→質(zhì)量檢查孔，各次序相鄰孔同時施工時孔深相差15 m。

3.6 漿液變換及灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

漿液變換：遵照由稀到濃逐級變換原則。灌漿壓力保持不變而注入量達(dá)300 L以上，或者灌漿時間已達(dá)30 min，而灌漿壓力或注入率無顯著改變時，換濃一級水灰比漿液灌注；注入率大于30 L/min時，越級變濃。

灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在該灌段設(shè)計壓力下，當(dāng)注入率不大于1 L/min后，繼續(xù)灌注30 min，結(jié)束灌漿。

3.7 終孔標(biāo)準(zhǔn)

達(dá)到設(shè)計終孔深時，終孔段灌前壓水試驗透水率均要求不大于5 Lu時，可終孔。

3.8 灌漿封孔

灌漿結(jié)束后，采用全孔灌漿封孔法，用0.5∶1的水泥漿置換孔內(nèi)漿液并取出所有灌漿管，壓力位最大灌漿壓力。漿液凝固后及時清除孔口浮漿和污水，用砂漿回填密實并抹平。

4 帷幕灌漿施工過程中特殊情況處理方法

4.1 溶洞

帷幕灌漿遭遇溶洞時，按以下措施處理。

（1）遇空腔式溶洞，采用回填水泥砂漿或最大粒徑小于20 mm的級配骨料處理，灌漿后待凝7 d，然后重新掃開，再灌注水泥漿。全充填型溶洞直接灌水泥漿。

（2）遇規(guī)模性溶洞時，采用灌注細(xì)石混凝土或砂漿處理，對巖溶滲漏通道，采取落水洞擴(kuò)挖，采用混凝土塞處理，并對溶洞進(jìn)行封堵。

（3）對于帷幕灌漿平洞底板開挖過程中揭露的溶洞，清除溶洞充填物，回填C25、一級配混凝土后，再進(jìn)行帷幕灌漿施工。

（4）對巖溶及裂隙發(fā)育段帷幕灌漿孔布置調(diào)整，增設(shè)排數(shù)，且向兩側(cè)延伸一定長度。

4.2 右岸明灌段覆蓋層灌漿處理

右岸近壩段沖溝段實際巖面高程低于517 m，考慮巖面高程以上為回填渣土和原始黃泥風(fēng)化層，蓄水后穩(wěn)定性較差，此區(qū)域范圍內(nèi)做升漿加固處理。在對右岸明灌段樁號右壩洞0+000—0-232段全線采用雙排帷幕灌漿基礎(chǔ)上，在帷幕灌漿孔下游1.5 m處設(shè)置1排固結(jié)灌漿孔，固結(jié)灌漿加固深度為高程517.00 m至深入巖面以下2.0 m，孔距1.5 m。鉆孔施工中，應(yīng)保證鉆孔的垂直度要求。

升漿管采用管徑為50 mm的鋼管，管與管之間采用絲扣連接；為了防止鉆孔沉渣堵塞升漿管，升漿管底部在安放前應(yīng)包裹；升漿管下入深度應(yīng)與鉆孔深度相同；升漿管安放結(jié)束后拔出套管。

施工時先灌注固結(jié)灌漿孔，然后灌注上游帷幕灌漿孔，最后灌注中間帷幕孔。

4.3 漏漿、串漿

基本孔灌漿施工時，試驗段上下游方向存在不同程度的漏漿情況，Ⅲ序孔部分孔段灌漿時也有相互串漿現(xiàn)象。右岸河谷邊坡溶洞、裂隙發(fā)育，縱向和垂直灌漿軸線方向溶洞、裂隙分布范圍較廣，漏漿主要為巖溶和地下水的影響。對于冒漏孔段要根據(jù)具體情況，采取表面封堵、低壓、濃漿限流限量，間歇灌漿等辦法進(jìn)行處理，盡量一次性灌好。帷幕灌漿過程中發(fā)生串漿時，如串漿孔具備灌漿條件，同時進(jìn)行灌漿，一泵灌一孔。否則將串漿孔用塞塞住，持灌漿孔灌漿結(jié)束后。串漿孔并行掃孔、沖洗，而后繼續(xù)鉆進(jìn)和灌漿。

5 質(zhì)量檢查與成果分析

5.1 質(zhì)量檢查

5.1.1 灌前各序孔壓水檢測成果分析

右岸明灌段帷幕線生產(chǎn)試驗區(qū)灌前測試孔壓水檢查，灌前各排序孔共完成11孔100段測試孔壓水檢查，最大透水率3 081.5 Lu，最小透水率1.7 Lu。其中，透水率大于10 Lu的孔段占42%，大于100 Lu的孔段占18%。

本次試驗區(qū)帷幕灌漿（除溶洞處理外）共灌注水泥115.48 t，平均單耗253.25 kg/m，設(shè)計為單排65 kg/m，雙排48.7 kg/m。Ⅱ序孔平均單位注入量較I序孔平均單耗有遞減趨勢，遞減65.74%，Ⅲ序孔較Ⅱ序孔平均單耗有遞減趨勢，遞減86.60%，隨著灌漿孔序加密，灌漿孔吸漿量減小，符合正常的灌漿規(guī)律。Ⅲ序孔共進(jìn)行45段灌漿，平均單耗小于5 kg/m為6段，5～10 kg/m為12段，10～50 kg/m為19段，50～100 kg/m為3段，100～1 000 kg/m為5段。

5.1.2 灌后質(zhì)量檢查

試驗區(qū)帷幕灌漿孔施工至設(shè)計孔深時均達(dá)到終孔標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計孔深段壓水值最大為3.56 Lu。

單排灌漿試驗結(jié)束后，根據(jù)灌漿成果資料設(shè)1個檢查孔進(jìn)行壓水檢查，孔深為64.7 m，灌漿段41 m。檢查段次9段，其中6段大于5 Lu，3段壓水呂榮值為2～5 Lu之間，合格率較低。試驗區(qū)局部巖溶裂隙發(fā)育，采用1排孔、孔距2 m時施工不能滿足要求，與設(shè)計一致。按設(shè)計由單排孔增加為2排，孔距為2 m，排距為1 m，梅花形布置。雙排灌漿試驗完成后，取1個檢查孔進(jìn)行壓水檢查，各段次壓水呂榮值均小于5 Lu，滿足設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求。

5.2 成果分析

本工程帷幕軸線總長1 248.5 m，約50個施工單元，灌后每單元選取2個檢查孔進(jìn)行壓水試驗檢查，設(shè)計合格標(biāo)準(zhǔn)為壓水試驗呂榮值小于5 Lu的試段不低于90%且不存在連續(xù)不合格段，滿足設(shè)計和規(guī)范相關(guān)要求。

6 結(jié)語

通過對大壩基礎(chǔ)防滲帷幕灌漿施工情況的回顧，對帷幕灌漿成果資料和檢查孔壓水成果資料的綜合分析后，總結(jié)如下幾點：

（1）壓水值及灌漿單位注入量的大小均與地質(zhì)條件相吻合，灌漿資料真實地反映了壩基的地質(zhì)特點及巖溶裂隙的發(fā)育狀況。

（2）壓水值及灌漿單位注入量，均呈現(xiàn)出隨著孔序的不斷加密而逐序遞減的變化趨勢，規(guī)律明顯，表明灌漿效果良好。

（3）通過終孔標(biāo)準(zhǔn)來控制帷幕灌漿孔的深度，保證了防滲帷幕底界深入到相對隔水層，驗證了設(shè)計合理性。

（4）帷幕沿線溶洞及裂隙較發(fā)育地段，單排相鄰的灌漿孔灌漿時水泥漿液擴(kuò)散搭接形成封閉防滲帷幕線難度較大，單排帷幕不能滿足設(shè)計防滲要求，建議巖溶發(fā)育段采用雙排帷幕灌漿，灌后達(dá)到設(shè)計合格標(biāo)準(zhǔn)。

（5）當(dāng)遭遇碎石土、坡殘積物時，在固結(jié)灌漿基礎(chǔ)上再進(jìn)行帷幕灌漿。