某水庫雙曲拱壩壩體防滲加固技術(shù)淺析

劉王勇

（長治市辛安泉域管理中心，山西 長治 046000）

1 工程概況

某水庫大壩為細(xì)石砼砌塊石雙曲拱壩，水庫總庫容551.0 萬m3，壩頂高程151.8 m，防浪墻頂高程152.7 m，最大壩高42.0 m，壩項寬3.0 m（含防浪墻），壩頂弧長191.0 m。溢洪道位于大壩中部，為鋼筋混凝土實用堰，堰頂高程150.0 m，溢洪道凈寬73.0 m，挑流消能，鼻坎高程147.136 m，反弧半徑R＝4.0m，挑射角15°[1]。本次除險加固是針對該水庫樞紐工程存在諸多的質(zhì)量問題和安全隱患，提出切實可行的加固改造工程措施，消除隱患，使水庫工程安全運行，充分發(fā)揮水庫的各項效益。除險加固工程主要有大壩壩體防滲、大壩右岸壩肩巖基固結(jié)灌漿及帷幕灌漿等建設(shè)內(nèi)容，本文僅針對大壩滲漏問題及防滲加固措施進行研究，提出合理的防滲加固處理解決方案，指導(dǎo)大壩施工。

2 滲漏及原因分析

根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果[2]：從左右壩肩的鉆孔ZK1 和ZK5 分析可知，在鉆進過程中ZK1 和ZK5 分別在孔深21.54 m～21.94 m和23.73 m 出現(xiàn)大漏水，相應(yīng)高程在152.07 m～152.47 m 和148.21 m，右岸漏水位置低于水庫的正常蓄水位150.0 m，具備滲漏條件。兩孔地下水位高程分別為146.58 m 和135.94 m，其中ZK5 的地下水位低于水庫的正常蓄水位（150 m），說明左右岸壩肩在高庫水位運行下，存在滲漏的可能性。

本次勘察時，庫水位為133 m，右壩肩下游巖體在117 m高程處發(fā)現(xiàn)有水從建壩時修建的臺階縫隙中滲出，滲流量約1 L/min；左壩肩下游巖體在115 m 高程處，巖體沿裂隙面有滲水現(xiàn)象，流量較小。據(jù)水庫管理人員長期觀察，高水位期間，以上溢出點水滲流量均沒有增大，故判斷滲流點與庫區(qū)不存在滲漏通道，滲流源于山體地下水溢出。在左右壩肩附近壩體發(fā)現(xiàn)共有3 條裂縫分布，其中，右壩肩附近1 條、左壩肩附近2 條。據(jù)電站工作人員介紹，裂縫在建壩運行3 年～4 年后出現(xiàn)。自裂縫出現(xiàn)以來未發(fā)現(xiàn)變大的跡象。距離左壩肩約6 m、12 m 壩頂分布兩條裂縫(稱裂縫1、裂縫2)，裂縫在壩頂寬度1 mm～2 mm，均橫切壩上下游。裂縫1 在壩前延伸長度0.7 m、壩后延伸長度為2.0 m 即尖滅，裂縫2 延伸長度1.5 m 即尖滅。在距離右壩肩約19.5 m 處發(fā)現(xiàn)有貫穿壩體上下游的裂縫分布（稱裂縫3），裂縫大致豎向沿壩體向下延展，往下裂縫寬度趨小，在壩頂裂縫寬度約2 mm～3 mm，在壩體高程141.8 m 附近裂縫寬度為1 mm～2 mm，以1 mm 為主，至高程137 m 裂縫寬度目估小于0.2 mm。裂縫有剪斷砌石現(xiàn)象。庫蓄水水位145.0 m 以上裂縫寬度變小，趨閉合。低水位壩頂裂縫寬度最大約為2 mm～3 mm。據(jù)了解，大壩蓄水運行以來，壩頂年年溢洪，已歷時十多年。壩頂單次過洪時間最長為2006 年5 月17 日至6 月19 日，歷時33 d，期間大壩管理人員注意到裂縫3 寬度趨小。且沿裂縫無庫水外滲現(xiàn)象，現(xiàn)場調(diào)查裂縫也無發(fā)現(xiàn)水跡。

圖1 非溢流段貫穿性裂縫（裂縫3）

綜上，壩體裂縫產(chǎn)生時間久遠(yuǎn)，歷經(jīng)長時間高水位考驗，裂縫性狀穩(wěn)定，無經(jīng)裂縫庫水外滲情況，裂縫無進一步發(fā)展惡化趨勢，判定裂縫（包括右壩肩裂縫）產(chǎn)生與壩基壩肩地質(zhì)體無相關(guān)性。

3 防滲方案

3.1 方案比選

本文大壩防滲初選兩種方案進行比較，分別為：①壩體迎水坡面化學(xué)灌漿結(jié)合壩肩固結(jié)帷幕灌漿；②聚丙烯纖維砼防滲面板結(jié)合壩肩固結(jié)帷幕灌漿。綜合經(jīng)過投資、施工工藝、施工技術(shù)的難易程度以及防滲效果對比后，方案一投資較省，方案二投資太大，同時方案一、二右壩肩防滲方案相同，均為固結(jié)帷幕灌漿，區(qū)別在于壩體的防滲措施不同。方案一壩體采用壩體迎水坡面化學(xué)灌漿，比較易施工，方案二壩體采用聚丙烯纖維砼防滲面板，施工機械種類多、工藝復(fù)雜且工序多，施工難度較大。二者防滲效果相當(dāng)。綜合以上各因素考慮，本次除險加固推薦方案一，即壩體迎水坡面化學(xué)灌漿結(jié)合壩肩固結(jié)帷幕灌漿方案。兩種方案的主要工程量、投資及技術(shù)參數(shù)比較見表1和表2。

表1 大壩防滲處理方案技術(shù)參數(shù)比較表

表2 防滲方案經(jīng)濟比較表

3.2 壩體迎水坡面化學(xué)灌漿方案

3.2.1 壩體防滲方案

化學(xué)灌漿，是一種由高分子化灌材料配制而成的漿液，灌入建筑物的裂縫中，經(jīng)膠凝固化后，達(dá)到較好的防滲、堵漏、補強、加固的目的?；瘜W(xué)漿液粘度低，流動性好，可灌入微細(xì)裂縫，且效果較好，化學(xué)漿液聚合后的聚合體抗?jié)B性能強，防滲效果好?；瘜W(xué)灌漿材料應(yīng)選用毒性小，甚至無毒水玻璃系漿液的化灌材料水泥水玻璃。水玻璃模數(shù)以2.4～2.8 為宜。水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.5～1∶0.6，水泥選用425#，為防止水泥水玻璃凝膠時間太快可摻用緩凝劑磷酸氫二鈉。

灌漿孔布置應(yīng)選在迎水坡面140.0 m 高程以下壩段梅花形布孔，孔距2.0 m，孔深1.5 m～2.0 m，本次灌漿共布1040 孔，總進尺1560 m。為防止砌石面抬動灌漿壓力應(yīng)控制在1.0 kg/cm2～1.5 kg/cm2。鉆孔灌漿方法工藝流程為：鉆孔→沖孔→嵌縫→壓水→吹干→灌漿→清理。

3.2.2 壩肩防滲方案

本次對右岸壩肩進行帷幕灌漿和固結(jié)灌漿處理，帷幕灌漿施工具體技術(shù)要求如下。

（1）鉆孔布置

右岸壩肩采用帷幕灌漿結(jié)合固結(jié)灌漿處理，先對強風(fēng)化巖進行固結(jié)灌漿處理，然后對壩基進行帷幕灌漿。固結(jié)灌漿布置六排孔，孔距2.0 m，排距2.0 m，鉆孔孔徑均為Φ91 mm，梅花型布置，固結(jié)灌漿底高程至124.2 m，共布孔63 孔，鉆孔深28.6 m，固結(jié)總進尺2132 m。

帷幕灌漿鉆孔機具采用XY-100 型回轉(zhuǎn)式巖心高效率鉆機，鉆孔深度至相對隔水層以下3 m。施工時應(yīng)分二序孔進行，第一序孔距為4.0 m，第二序孔距為4.0 m。孔位在上、下游方向偏差不得超過10 cm，灌漿后應(yīng)達(dá)到壓水試驗透水率q≤5 Lu，帷幕灌漿底高程至124.2 m～136.3 m，共布孔13 孔，鉆孔最深28.6 m，帷幕總進尺349.0 m。

（2）鉆孔沖洗和壓水試驗

帷幕灌漿前灌漿孔段應(yīng)采用高壓水或壓力風(fēng)對壩肩裂縫進行沖洗，沖洗時間直至回水清凈（返風(fēng)無灰）時結(jié)束，但不能超過20 min。沖洗壓力應(yīng)為灌漿壓力的80%，且灌漿壓力不應(yīng)大于1 MPa[3]。

（3）灌漿方法

壩肩帷幕灌漿按分序加密的原則分2 排2 序進行，灌漿時應(yīng)先灌注下游排1 序孔，2 序孔次之，再灌上游排，灌漿采用自上而下分段灌漿法[4]，灌漿段應(yīng)自上而下進行分段，第一段接觸段長度2 m 為宜，以下每段長按實際情況為5 m～6 m 適當(dāng)進行調(diào)整，但不應(yīng)超過10 m。灌漿采用自上而下分段循環(huán)式灌漿，為了避免漿液沉淀使裂隙堵塞，用2 cm 水管做射漿管，射漿管與孔底距離不超過50 cm。

（4）灌漿材料的選擇

①根據(jù)相關(guān)灌漿規(guī)范的技術(shù)要求[5]，灌漿選用材料為普通水泥漿液，帷幕灌漿液水灰比可采用5、3、2、1、0.7 和0.5 六個比級，循環(huán)式灌漿的開灌水灰比可采用5∶1，灌漿漿液的濃度應(yīng)由稀到濃，逐級變換。

②摻和料的選擇，灌漿過程中滲漏量較大的位置，按水泥重量的3%～5%摻入速凝劑硅酸鈉(主要成分為水玻璃)來提高凝結(jié)速度。

（5）灌漿壓力

根據(jù)地質(zhì)條件，并參照以往類似工程灌漿經(jīng)驗，在灌漿過程中，建議第一序孔采用0.35 MPa、第二序孔采用0.5 MPa；灌漿壓力具體值根據(jù)灌漿過程中圍巖情況作適當(dāng)調(diào)整。

（6）灌漿結(jié)束條件和封孔

①本次帷幕灌漿采用自上而下分段灌漿，在最大設(shè)計壓力下，當(dāng)注入率不大于1.0 L/min 時，并延續(xù)灌注30 min 即可結(jié)束灌漿。

②灌漿結(jié)束后，采用分段壓力灌漿封孔法封孔，用灌漿泵壓入水灰比0.5 的濃水泥漿置換孔內(nèi)積水或稀漿，濃封結(jié)束后，待凝3 d 時間，在孔口上部空余部分采用粘土球扎實封孔便可完成帷幕灌漿[6]。

4 大壩裂縫處理

經(jīng)調(diào)查大壩存在3 條豎向裂縫，經(jīng)過分析主要原因是在施工過程中溫度應(yīng)力變化引起細(xì)縫，卸荷回彈引起豎向裂縫變寬。本次初設(shè)裂縫處理方法如下：

施工期間安排在冬季水位降低至最低時，首先沖洗裂縫；然后對上下游縫槽進行勾縫，勾縫采用環(huán)氧乳液微膨脹水泥砂漿一次勾平。待凝固后達(dá)到一定強度再進行環(huán)氧樹脂為主劑的補強灌漿，灌漿壓力控制在0.3 MPa～0.4 MPa。各孔施灌順序由下而上逐孔進行。本次裂縫處理總長度為上游17.0 m，下游18.3 m。

5 結(jié)論及建議

該水庫是一座以發(fā)電為主兼灌溉、防洪等綜合效益的?。?）型水庫，水庫大壩的安全運行及防洪安全極其重要。本除險加固工程實施后，可以提高大壩等建筑物的安全性，更加有效地保證大壩下游供水及農(nóng)田的灌溉用水需求、保護下游居民的生命財產(chǎn)安全，充分發(fā)揮工程效益。該水庫于2016 年完成除險加固，完成后雙曲拱壩運行良好，保障了下游運行及防洪安全。