土石壩軟巖基礎(chǔ)防滲處理方案設(shè)計

吳永毅，謝永剛，趙朝飛，李啟棟，祝英甲

（1.青海省水利水電勘測設(shè)計研究院，青海西寧 810001；2.青海省海東市平安區(qū)水務(wù)局，青海海東 810600）

土石壩基礎(chǔ)防滲處理是土石壩設(shè)計、施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，防滲質(zhì)量的好壞直接影響著土石壩的安全和效益的發(fā)揮，而帷幕灌漿又是壩基防滲處理中最常采用的形式，它對于土石壩設(shè)計的成敗起著決定性作用。但由于土石壩基礎(chǔ)灌漿蓋板蓋重小，灌漿壓力很難提高，大多效果不佳，加之地質(zhì)條件較差的第三系紅層區(qū)軟巖地層，效果更差，在水庫建成蓄水后易產(chǎn)生壩基滲漏問題。壩基紅層軟巖工程地質(zhì)研究及在該地層灌漿方式研究成為壩工界重點關(guān)注的問題［1-3］，尤其對于已建水庫的軟巖壩基滲漏處理，技術(shù)難度更大，技術(shù)要求更高，壩工界更為關(guān)注，近年來，在病險水庫防滲加固工程中，許多工程師研究了很多方案并實施，但大多僅采用了垂直孔灌漿方式防滲［4-5］或僅采用斜孔灌漿方式防滲［6-9］設(shè)計。為了使已建水庫軟巖壩基防滲處理更能切合實際，方案更加合理、可行，效果更加明顯，有必要對軟巖壩基防滲處理方案進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

本文依托于已建的文祖口水庫壩基防滲處理為實例研究對象，通過對軟巖壩基特殊地質(zhì)條件研究和壩基滲漏檢測數(shù)據(jù)分析，總結(jié)水庫滲漏部位及滲漏原因，為灌漿設(shè)計和施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)，研究壩體段和壩肩段同時采用不同的補強灌漿方式進(jìn)行處理的設(shè)計方案，以達(dá)到壩基和壩肩共同防滲的目的，為類似地質(zhì)條件下已建水庫的壩基滲漏處理設(shè)計提供一定的參考和指導(dǎo)。

1 工程概況

文祖口水庫位于青海省海東市平安區(qū)三合鎮(zhèn)窯洞村，距平安區(qū)28 km，距省會西寧市65 km，壩址所在溝道為湟水河一級支流祁家川河的支流——天重河，壩址以上流域面積18.6 km2。水庫總庫容357×104m3，為Ⅳ等小（1）型工程，壩型為壤土心墻砂殼壩，壩頂高程2 774.40 m，最大壩高55.5 m，壩頂長度365 m。工程任務(wù)主要以灌溉和供水為主，兼顧改善河道生態(tài)環(huán)境。

壩軸線河谷呈“U”形，河寬2～5 m左右，現(xiàn)代河床寬15 m，兩岸地形坡度30°～45°；左岸坡表層為坡積碎石土層，厚度3～7 m，結(jié)構(gòu)稍密—中密，下部為4 m厚的沖洪積卵石層，結(jié)構(gòu)中密—密實；河床表層為0.3～1.2 m的表土層，下部為全新統(tǒng)沖積卵石層，厚度8 m，結(jié)構(gòu)中密—密實；右岸表層為坡積粉土層，厚度3 m，結(jié)構(gòu)稍密，下部為上更新統(tǒng)沖積卵石層，厚度12 m，結(jié)構(gòu)中密—密實；基巖為下第三系軟巖，其中左岸為砂巖夾砂礫巖，右岸及河床為砂礫巖；壩基巖體總體產(chǎn)狀NE70°SE∠10°～26°；河床發(fā)育順河向F1、F2、F3、F4斷層，寬度1.5～6.0 m不等，為逆斷層，以壓碎巖、糜棱巖充填，為非活動性斷裂；在左岸陡坡處有卸荷裂隙發(fā)育，表現(xiàn)為構(gòu)造節(jié)理的松弛張開。

原設(shè)計心墻基礎(chǔ)置于基巖弱風(fēng)化上部，截水槽寬度為河床20 m，兩岸坡20～5 m，底部設(shè)厚50 cm、寬5 m（其中斷層處8 m）的C20混凝土壓漿板，壓漿板通過雙排φ22錨筋（長度2.0 m）與基巖錨固，錨筋排距3.0 m，間距2.0 m；斷層采用C20混凝土塞（深度2.0 m，寬度為1.5倍的斷層寬度）進(jìn)行封堵處理［6］；心墻上下游的壩基置于較密實的砂礫石層上，相對密度不小于0.8［8］。

壩基防滲原設(shè)計采用帷幕灌漿方案，防滲標(biāo)準(zhǔn)為3 Lu；河床段設(shè)雙排帷幕（其中斷層處3排），布設(shè)于壩軸線兩側(cè)各0.75 m，排距1.5 m，孔距2.0 m；兩岸坡及兩壩肩設(shè)單排帷幕，布設(shè)于壩軸線上游側(cè)0.75 m，孔距 1.5 m［8］。

2016年10月大壩填筑完成后，隨著上游基坑水位的上升，壩后陸續(xù)出現(xiàn)6處出水點，各出水點流量為1.0～22.9 L/s，之后，對庫區(qū)采取抽水等措施，上游水位下降，各出水點滲水逐漸消失；下游出水與上游水位升降同步，關(guān)聯(lián)性較強。

2 壩基滲漏檢測及分析

為進(jìn)一步查清壩基防滲帷幕質(zhì)量及滲漏通道，由第三方通過地質(zhì)鉆孔、壓水試驗、鉆孔全景成像、示蹤劑等多種勘察方法，對壩基進(jìn)行了滲漏檢測，檢測孔位及透水率詳見圖1，壩基各部位巖體滲透性統(tǒng)計見表1～表3。

表1 左壩肩及左岸坡段壓水試驗透水率統(tǒng)計Tab.1 Statistics on water permeability of water pressure test on left abutment and left bank slope Lu

表2 水平壩段壓水試驗透水率統(tǒng)計Tab.2 Water permeable statistics of water pressure test in horizontal dam section Lu

表2 （續(xù)）

表3 右岸坡及右壩肩段壓水試驗透水率統(tǒng)計Tab.3 Water permeability test for water pressure test on right bank slope and right abutment Lu

根據(jù)以上壩基各部位巖體透水率統(tǒng)計表并結(jié)合壩基滲漏檢測透水率剖面圖進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

（1）壩基除ZK04、ZK09、ZK11、ZK13外，其余大部分鉆孔最大透水率均在第1段，即壓漿板與基巖接觸帶為主要滲漏部位。

（2）壩基大于10 Lu區(qū)域主要為巖體卸荷帶、強風(fēng)化帶滲漏，3～10 Lu區(qū)域主要為裂隙性、潛蝕性滲漏，以及可能的順河向斷層帶及其影響帶滲漏，即巖體卸荷帶、強風(fēng)化帶、順河向斷層帶及其影響帶也是主要滲漏部位。

（3）左壩肩大于3 Lu范圍為從左岸灌漿洞口至山體內(nèi)水平延伸90 m、從壩頂高程以下最大垂直深度約40.4 m的凹狀地帶，主要滲透類型為裂隙型、強風(fēng)化帶、卸荷帶及少量潛蝕型；右壩肩大于3 Lu范圍為從右岸灌漿洞口至山體內(nèi)水平延伸65 m、從壩頂高程以下最大垂直深度約24.4 m的地帶，主要滲透類型為風(fēng)化卸荷型、裂隙型、孔隙型及少量潛蝕型。

（4）原設(shè)計帷幕線范圍內(nèi)巖體透水率大部分未達(dá)到原設(shè)計指標(biāo)，主要是由于灌漿蓋板蓋重小，錨筋在軟巖中難以起到抗拔的作用，灌漿施加壓力后，淺層巖體及壓漿板易抬動，造成壓漿板與基巖面接觸滲漏，而且壓漿板抬動后灌漿壓力難以提高，漿液擴(kuò)散半徑不夠，未有效形成帷幕。防滲帷幕未封閉是造成下游滲水的直接原因。

3 壩基、壩肩防滲補強灌漿設(shè)計

3.1 方案選擇

3.1.1 河床及兩岸斜坡壩基段 鑒于水庫已建成，壩基防滲須穿透壩體至基巖進(jìn)行帷幕補強灌漿，對穿壩體段形式選取混凝土防滲墻方案和壩體內(nèi)鉆孔套管方案，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期等方面綜合比較后，采用壩體內(nèi)鉆孔套管方案［9］。

3.1.2 兩壩肩段 根據(jù)第三方檢測成果，結(jié)合施工地質(zhì)編錄，兩壩肩地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖體地質(zhì)構(gòu)造主要為一陡一緩兩組裂隙，緩傾角為層面裂隙，陡傾角近垂直，受卸荷影響，節(jié)理張開度較大，主要滲透類型為風(fēng)化卸荷型、裂隙型、孔隙型及少量潛蝕型。根據(jù)SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》［9］中“巖石壩基處理”6.3.7條“當(dāng)主導(dǎo)裂隙與水平面所成的夾角不大時，宜采用垂直帷幕；反之，則宜采用傾斜式帷幕，其傾斜方向應(yīng)與主導(dǎo)裂隙的傾斜方向相反”的規(guī)定，為確保灌漿效果，兩壩肩在灌漿平洞內(nèi)采用斜孔進(jìn)行帷幕補強灌漿的方案。

3.2 壩基及壩肩補強灌漿設(shè)計

3.2.1 河床及兩岸斜坡壩基段 結(jié)合原設(shè)計、原施工及第三方檢測情況，對河床及兩岸斜坡段壩基采用在原雙排帷幕中間即壩軸線處新增一排垂直孔進(jìn)行補強灌漿，經(jīng)生產(chǎn)性灌漿試驗驗證后，取孔距1.2 m，與原雙排帷幕間距0.75 m，孔深按3 Lu控制；壩頂至基巖穿壩體心墻段采用干鉆法造孔下套管的形式，套管為φ110 mm和φ91 mm雙套管［9］。

3.2.2 兩壩肩段 為構(gòu)建大壩完整的防滲體系，確保壩基帷幕灌漿的整體性、連續(xù)性和可靠性，根據(jù)第三方檢測情況，對兩壩肩進(jìn)行洞內(nèi)斜孔灌漿，防止繞壩滲漏，結(jié)合原設(shè)計，并經(jīng)生產(chǎn)性灌漿試驗驗證后，斜孔布設(shè)于壩軸線上游0.75 m，孔距1.0 m，斜孔與垂直面角度15°。

以上壩基及壩肩補強灌漿防滲標(biāo)準(zhǔn)同原設(shè)計，均按3 Lu控制。

4 壩基、壩肩防滲補強灌漿施工

4.1 河床及兩岸斜坡壩基段

4.1.1 灌漿試驗

（1）布置及參數(shù)。根據(jù)滲漏檢測情況，在河床段選取F2、F1斷層帶及F4斷層帶作為兩個代表性生產(chǎn)試驗段，即壩0+133.42～0+138.22 m段和壩0+230.50～0+235.30 m段兩個試驗區(qū)，如圖2所示，按單排布置5個灌漿孔，孔距1.2 m，采用“孔內(nèi)循環(huán)、自上而下分段法”，按三序孔灌漿［10-11］，灌漿壓力見表4。

表4 帷幕灌漿壓力控制表Tab.4 Curtain grouting pressure control table

（2）各次序孔灌前透水率分析。根據(jù)生產(chǎn)性帷幕試驗壓水成果，各次序孔灌前平均透水率分別為Ⅰ序孔15.37 Lu，Ⅱ序孔2.75 Lu，Ⅲ序孔3.46 Lu，隨著灌漿次序的增加，各次序孔平均透水率明顯降低，符合灌漿的一般規(guī)律，詳見表5。

表5 生產(chǎn)性帷幕試驗壓水成果匯總表Tab.5 Production curtain test water pressure results summary

（3）試驗成果。試驗質(zhì)量檢查采用單點法壓水，壓力表壓力最大為0.5 MPa，加上水柱壓力后的全壓力均不小于1.0 MPa。檢查孔壓水共計16段，透水率最大8.81 Lu，最小0.02 Lu，共有4段透水率大于3 Lu，其余均小于3 Lu的設(shè)計防滲標(biāo)準(zhǔn)。

河床及兩岸斜坡段壩基灌漿試驗采取的方法、工藝等能滿足設(shè)計及規(guī)范要求，選用的鉆機鉆具、段長、壓力、水灰比等參數(shù)能夠滿足設(shè)計要求，可作為帷幕灌漿施工的控制參數(shù)。

4.1.2 補強灌漿段長及灌漿壓力確定

根據(jù)以上生產(chǎn)性灌漿試驗，確定壩基灌漿段長及壩頂壓力表壓力為第1段2 m、0.5 MPa；第2段3 m、0.7 MPa；第3段及以下各段均為5 m、1.0 MPa。

4.1.3 補強灌漿施工方法及施工工藝

穿壩體時，采用干法造孔，基巖采用清水鉆孔，孔斜率按≤0.2%控制。具體施工程序為從壩頂由φ130 mm鉆頭鉆孔至壓漿板頂部→下設(shè)φ110 mm套管→φ91 mm鉆頭鉆孔穿過壓漿板到基巖頂面→下設(shè)φ91 mm灌漿管至基巖面以上0.3 m→孔口卡塞灌注低塑性膨潤土漿，對套管與心墻及套管和灌漿管之間進(jìn)行充填式灌漿→基巖接觸面靜壓灌漿→鉆孔入巖2 m→灌漿管底部卡塞灌注第1段→依次進(jìn)行以下各段［12］。

帷幕灌漿分Ⅲ序施工，孔距逐漸加密，單孔灌漿采用“自上而下分段鉆孔法”的工藝；漿液濃度遵循由稀到濃的原則逐級變換，灌漿過程中出現(xiàn)冒漿、漏漿時，根據(jù)具體情況采用封堵、低壓、濃漿、限流、間歇、待凝等方法進(jìn)行處理［13-15］。

4.2 兩壩肩段

4.2.1 灌漿試驗

（1）布置及參數(shù)。根據(jù)滲漏檢測情況，選取右岸灌漿洞斜孔生產(chǎn)性帷幕補強灌漿試驗區(qū)，樁號為壩0+424.1～0+429.1 m段，如圖2所示。按單排布置6個灌漿斜孔，孔距1.0 m，采用“孔內(nèi)循環(huán)、自上而下分段法”，按三序孔灌漿，灌漿控制壓力見表 6。鉆孔頂角經(jīng) 15°、20°、25°、30°、35°、40°斜孔鉆孔，試驗后確定采用15°。

表6 帷幕灌漿壓力控制表Tab.6 Curtain grouting pressure control table

（2）各次序孔灌前透水率分析。根據(jù)生產(chǎn)性帷幕試驗壓水成果，各次序孔灌前平均透水率分別為Ⅰ序孔10.4 Lu，Ⅱ序孔12.2 Lu，Ⅲ序孔9.4 Lu，隨著灌漿次序的增加，各次序孔平均透水率明顯降低，符合灌漿的一般規(guī)律，詳見表7。

表7 生產(chǎn)性帷幕試驗壓水成果匯總表Tab.7 Production curtain test water pressure results summary

（3）灌漿壓力分析。第1段灌漿試驗過程中，當(dāng)壓力升至0.4～0.5 MPa時，上、下游冒漿嚴(yán)重，且復(fù)灌次數(shù)較多，當(dāng)壓力降至0.3 MPa時，冒漿現(xiàn)象消失。

（4）試驗成果。試驗質(zhì)量檢查采用單點法壓水，壓力表壓力最大為1.0 MPa。檢查孔壓水共計8段，透水率最大1.58 Lu，最小0.98 Lu，4段透水率均小于設(shè)計3 Lu的防滲標(biāo)準(zhǔn)。

兩壩肩灌漿試驗采取的方法、工藝等能滿足設(shè)計及規(guī)范要求，選用的鉆機鉆具、段長、水灰比等參數(shù)能夠滿足設(shè)計要求，可作為帷幕灌漿施工的控制參數(shù)，第1段壓力可定為不大于0.3 MPa，其余段壓力不變。

4.2.2 灌漿段長及灌漿壓力

根據(jù)以上生產(chǎn)性灌漿試驗，確定兩壩肩灌漿段長及壓力為第1段2 m、0.3 MPa；第2段3 m、0.5 MPa；第3段5 m、0.7 MPa；第4段及以下各段均為5 m、1.0 MPa。

4.2.3 灌漿施工方法及施工工藝

帷幕灌漿分Ⅲ序施工，孔距逐漸加密，單孔灌漿采用“自上而下分段鉆孔法”的工藝，當(dāng)注入率不大于1 L/min時，繼續(xù)灌注30 min后，結(jié)束灌漿；其他措施同河床壩基段。

5 補強灌漿質(zhì)量檢測

5.1 檢測壓力

根據(jù)SL 62—2014《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》附錄B中壓水試驗壓力值選用表B.0.3的規(guī)定:壩高50～100 m時，檢查孔檢測的壓水試驗壓力采用1.0 MPa［11］，文祖口水庫最大壩高55.50 m，壓水試驗壓力采用1 MPa，均按5 m一段進(jìn)行檢測。

5.2 質(zhì)量檢測

檢測孔孔數(shù)取灌漿孔總數(shù)的10%，壓水試驗采用單點法，每段均按1.0 MPa壓水壓力檢查，首先經(jīng)施工方自檢，壓水試驗結(jié)果全部合格后，再由第三方進(jìn)行檢測［15］。

根據(jù)補強灌漿過程中各單元耗漿量及地質(zhì)較差地段共布置18個檢查孔進(jìn)行了檢測，檢查孔壓水試驗按小壓力逐級提高（每級壓力按0.02 MPa提升），最終要求檢查壓力目標(biāo)值達(dá)到1.0 MPa，檢測結(jié)果最大透水率2.89 Lu，滿足設(shè)計指標(biāo)和規(guī)范要求（透水率＜3.0 Lu）。

6 討論與結(jié)論

帷幕灌漿是土石壩基礎(chǔ)防滲處理工程中最常采用的形式，灌漿質(zhì)量對于大壩設(shè)計的成敗起著決定性作用，尤其在地質(zhì)條件較差的第三系紅層區(qū)軟巖壩基帷幕灌漿更為關(guān)鍵，而且對于已建水庫軟巖壩基滲漏處理，難度比起新建時也隨之加大，帷幕補強灌漿處理方案的選擇也顯得更加重要，如設(shè)計不當(dāng)，帷幕補強灌漿不徹底，將會對工程安全、投資、效益產(chǎn)生更不利的影響。已建水庫滲漏檢測數(shù)據(jù)對于防滲處理設(shè)計方案的確定有著非常重要的指導(dǎo)意義，壩工界很多工程師在病險水庫除險加固中研究了很多大壩防滲處理方案，并付諸實施，但基本上均采用一種方式進(jìn)行處理［4-7］。本文依托已建的文祖口水庫壩基防滲處理為研究對象，經(jīng)對滲漏檢測成果進(jìn)行分析，總結(jié)出滲漏部位及滲漏原因，滲漏部位主要集中在壓漿板與基巖接觸帶、巖體卸荷帶、順河向斷層帶及其影響帶等，滲漏原因主要是混凝土壓漿板蓋重過小，加之巖體屬軟巖，且風(fēng)化破碎、斷層及陡傾角裂隙發(fā)育，錨筋難以起到抗拔的作用，灌漿施加壓力后，淺層巖體及壓漿板易抬動，造成壓漿板與基巖面接觸滲漏，且灌漿壓力難以提高，漿液擴(kuò)散半徑不夠，未有效形成帷幕，導(dǎo)致壩基滲漏；通過采用壩體段垂直鉆孔套管及兩壩肩斜孔兩種方式結(jié)合的設(shè)計方案進(jìn)行壩基、壩肩帷幕補強灌漿處理，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)和滿足了規(guī)范要求，有效解決了不良地質(zhì)條件帶來的水庫滲漏問題。本案例壩體段套管和壩肩段斜孔同時在壩基補強灌漿處理中的應(yīng)用，對于紅層區(qū)軟巖、斷層破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件下已建水庫壩基滲漏的防滲處理設(shè)計具有重要的借鑒意義。