水利工程堤壩滲漏成因及防滲加固技術研究

王 成

（瑪納斯縣塔西河流域管理處，新疆 昌吉 831100）

1 工程概況

某水庫右岸庫區帷幕灌漿工程位于咪哩河庫尾右岸的羅世鲊村附近，防滲線路沿地形成折線布置，總長2 699.339 m，防滲面積20.18萬m2，樁號MKG1+520.769—MKG2+699.339，帷幕軸線長1 178.57 m。庫區帷幕灌漿區段位于大壩樞紐區南面約7 km 的羅世鲊村旁。

水庫工程約70%～80 %地表面積為碳酸鹽巖所覆蓋，碳酸鹽巖中的純灰巖巖溶強烈發育，壩址區及庫區巖溶滲漏問題是工程的難點及重點。庫區除近壩庫岸（壩址區兩岸）外，存在向鄰谷滲漏條件的德厚河與嫁依河河間地塊、咪哩河與盤龍河河間地塊。經分析發現，沿分水嶺走向的文麻斷裂帶具有阻水性，不存在向嫁依河方向滲漏的問題。咪哩河庫尾羅世鲊村附近長約2.8 km的庫岸及河間地塊出露地層為個舊組上段（T2g）灰巖、白云質灰巖，該地下灰巖巖溶發育，存在向盤龍河方向的滲漏問題，滲漏形式為管道—溶穴型，需進行防滲處理。

2 堤壩防滲關鍵技術與標準

2.1 壩址區防滲工程設計

2.1.1 壩址區防滲工程布置

壩址區防滲線路左岸端點接文麻斷裂帶，右岸端點接玄武巖地層，帷幕底界以進入強巖溶帶下限以下10 m 控制；壩址區帷幕灌漿總進尺17.06 萬m，防滲面積24.70 萬㎡，帷幕最大深度約176.5 m，平均深度約123.6 m。兩岸帷幕灌漿主要在平洞內進行。

2.1.2 壩基防滲設計

在兩岸灌漿平洞高程以下黏土心墻建基面下設置嵌入式壩基灌漿檢修廊道。壩基帷幕灌漿在廊道內及混凝土蓋板上進行，采用微膨脹的C25 鋼筋混凝土襯砌。壩基巖溶發育，防滲底界較深，岸坡段帷幕深度在78～172 m。

2.1.3 壩址區左右岸防滲設計

“你們自己心里面清楚，實惠你們是占了，對不對，玩了兩天你們交的那點團款根本不夠，說實話也就靠你二次消費補貼點你的團款。”○11金導游，大理。

壩址區左右岸防滲帷幕線路均長1 196.5 m，其中近壩灰巖段長約1 110 m，起點為壩肩，端點進入文麻斷裂帶相對隔水層內約50 m。根據地形地質條件，近壩端長1 072 m 的帷幕灌漿在平洞內進行，靠文麻斷裂帶長95 m 的帷幕灌漿在地面進行。帷幕灌漿頂界為正常蓄水位1 377.5 m，底界進入強巖溶帶下限以下10 m，灰巖段帷幕深度120～176 m。為保證灌漿質量及方便施工，設置2層灌漿平洞，上層平洞長1 108 m，進口底板高程同壩頂高程1 380.9 m，底坡i=0.5‰；下層平洞長1 217.8 m，進口底板高程1 325.0 m，底坡i=1‰。在壩肩近壩100 m 范圍內的防滲帷幕為雙排孔，孔距2 m，排距1.2 m。

2.2 咪哩河庫區防滲工程設計

庫區防滲線路位于咪哩河庫尾右岸的羅世鲊村附近，沿地形成折線布置，總長2 699.339 m，帷幕進尺11.1萬m，防滲面積20.18萬m2，帷幕灌漿均在地面進行。帷幕灌漿頂界為正常蓄水位1 377.5 m，底界進入強巖溶帶下限以下10 m，平均深度74 m，最大深度122.7 m。本段巖溶發育程度低于壩址區，滲漏形式為管道—溶穴型，鉆孔揭露的溶洞規模較小，帷幕灌漿按單排孔布置，孔距2 m。

3 防滲帷幕灌漿加固技術與分析

3.1 生產性試驗區位置選定及相鄰先導孔施工

根據庫區二標帷幕線地質情況，結合庫區帷幕灌漿工程前期試驗性灌漿及標段劃分情況布設AⅡ、BⅡ2 個試驗區。試驗期間存在單位注入量較大、冒漿嚴重、工效極低等特點，按照前期試驗灌漿指導意見及施工措施無法滿足本次施工需求。為此，增加6個生產性帷幕灌漿試驗區，并在其中1個試驗區開展隨鉆技術DPM、跨孔電阻率CT 及單孔聲波等物探技術運用。

本標段實際完成8 個生產性帷幕灌漿試驗區，其中AⅡ、BⅡ區為第一階段，采取常規灌漿與摻砂灌注的施工工藝；CⅡ、DⅡ區為第二階段，在調整后壓力條件下，施工工藝與AⅡ、BⅡ區相同，在AⅡ、BⅡ區施工經驗的基礎上進一步復核、驗證該工藝的適用性及局限性；EⅡ區為第三階段，在AⅡ、BⅡ、CⅡ、DⅡ區施工期間，存在單位注入量較大、工效較低等特點，按上述4個試驗區施工工藝及灌漿材料無法指導后續生產，結合咨詢意見確定增加EⅡ膏漿試驗區，在紅黏土、機制砂等當地材料內摻入一定比例水泥攪拌形成膏狀漿液，采用先進設備脈動高壓灌漿泵灌注低擴展度漿液，漿液擴散半徑可控，有效解決了覆蓋層、軟弱破碎帶等大空隙、強漏失等特殊地層漿液擴散不均一、材料成本高、難以形成有效帷幕等技術難題；GⅡ、HⅡ、IⅡ區為第四階段，為進一步復核膏漿灌注在庫區二標特殊地質段應用的可行性及必要性。

3.1.1 灌漿材料與施工流程

本標段工程建設所涉及的自密實混凝土、水泥砂漿、膏漿等配合比均按設計要求參數控制，同時委托檢測公司完成配合比試驗及報告，并經現場拌制復核。在土料場取優質合格土料，運至施工現場，經黏土制漿機加水破碎攪拌均勻后保存至泥漿池充分攪拌，再抽取至制漿桶配制水泥黏土膏漿。

根據設計圖紙及試驗區孔位對應里程位置用GPS進行測量放線布孔，用鋼筋樁標記。沖孔、洗孔至孔口回水清凈為準（覆蓋層區域不進行沖孔、洗孔），并且孔內沉砂厚度小于20 cm。先導孔灌前采用分段卡塞式壓水，并按相關規范計算灌前透水率。其余孔段按孔口封閉法進行簡易壓水，終孔段10 m范圍若出現灌前透水率＞10 Lu的情況，則采用分段卡塞式壓水。試驗鉆孔有覆蓋層鉆孔和巖石層鉆孔，在覆蓋層每鉆進8 m 進行1 次注水試驗，然后進行覆蓋層灌漿；基巖段按2、3、5 m 進行鉆進并做壓水試驗。鉆孔流程，如圖1所示。

圖1 灌漿孔鉆孔流程

地下水位測定，如圖2 所示。其具體步驟為：①將電接點式水位計與顯示儀表連接，入水測試正常；②將電接點式水位計下入孔內；③水位計電極接觸地下水時，儀表顯示電路接通；④記錄水位穩定時的水位計下入孔內長度作為地下水位值。

圖2 地下水位測定

3.1.2 裂隙沖洗

施工中，實行高壓噴射沖洗。讓具有較高壓力的水從噴嘴中噴出，對準所要處理的軟夾層或者充填溶洞作高速噴射，對充填物實行切割，被切割下來的較細小顆粒與水攪混在一起，被帶出地面；剩下的較大顆粒（巖塊），由于改變了級配，孔隙度增大，可被后來的灌漿固結起來。一般使用的壓力越大，噴射的時間越長，則其所作用的范圍也就越大。

3.2 巖石層帷幕灌漿

孔口管埋設，如圖3 所示。基巖完整的孔首段灌漿完畢，待凝72 h；基巖完整性差的孔根據巖層，確定孔口管安裝深度。根據試驗區開展情況，孔口管最大安裝深度為29 m。

孔口管上端焊橫向擋筋，以防孔口管下落；在下端焊3根長10 cm、直徑6.5 mm鋼筋作為對中架。下入孔口管，使其對中并用水平尺校正。在施工中由于反復劈裂冒漿，除HⅡ試驗區外，套管安裝深度基本為20～30 m，采取擴孔二次安裝套管隔離上部破碎基巖、雙層套管等施工措施。生產性帷幕灌漿試驗設計初擬定灌漿壓力，詳見表1。

圖3 孔口管埋設示意

在試驗施工期間存在復灌次數多、冒漿、反復劈裂、難以達到設計初擬壓力等情況，Ⅰ序孔灌漿需要多次摻砂灌注，壓力達到1.2～1.5 MPa 反復劈裂冒漿，冒漿點隨孔深加深后距孔位越來越遠，采取濃漿、間歇、限流、待凝掃孔復灌等措施均無效果，單段最多復灌22 次。通過數次灌漿專題會及專家咨詢后，針對庫區二標存在的實際情況采用復合可控膏漿改良地質灌注及調整灌漿壓力等措施，調整后灌漿壓力詳見表2。

表1 初擬定帷幕灌漿壓力

表2 調整后帷幕灌漿壓力

3.3 AⅡ試驗區灌漿成果資料

各次序孔單位注入量統計，詳見表3。

由表3 可以看出，各次序孔的單位注灰量隨灌漿次序的增進而迅速遞減，而且遞減量很大，符合灌漿一般規律。經統計分析發現，Ⅰ序孔數量占整個試驗區的1/3，即使在對大耗灰量特殊孔段采取摻砂灌注減少水泥用量處理措施后，水泥用量仍占整個試驗區的76.7%。結合灌漿期間的變化規律和孔內成像圖片，可以判斷出：Ⅰ序孔灌漿主要進行了地層內寬大裂隙、溶溝溶槽等回填、擠密灌注，地層內大量的陡傾狀寬大裂隙、溶溝溶槽和溶洞是造成水泥注入量較大的主要原因。

表3 各次序孔單位注入量統計

Ⅰ序孔單位注入量大于500 kg/m 的孔段占91%；Ⅱ、Ⅲ序孔單位注入量大于500 kg/m 的孔段占43.5%；Ⅰ序孔單位注入量大于10 kg/m小于500 kg/m的孔段占10%；Ⅱ序孔單位注入量大于10 kg/m 小于500 kg/m 的孔段占47.2%；Ⅲ序孔單位注入量大于10 kg/m小于500 kg/m的孔段占38.9%。

經研究分析發現，AⅡ試驗區水泥單位注入量較大的主要因素有3個方面：其一，巖層的節理裂隙并不都是沿著帷幕線方向延伸的，大部分的節理裂隙發展的方向是垂直或者與帷幕線大角度相交，灌漿沿軸線方向擴散半徑有限，從而使得Ⅰ序孔灌完后還有大部分的溶穴、裂隙并沒有被漿液充填；其二，地層內存在大量的軟弱破碎帶、泥質夾層是造成Ⅱ、Ⅲ序孔灌前透水率小、復灌次數多、水泥單位注入量較大的原因，在Ⅰ序孔灌漿過程中通過多次復灌達到設計壓力，水泥漿液在地層內擴散不均勻，往往沿著最薄弱的部位單方向擴散，待凝后復灌漿液在新的壓力下再劈裂其他軟弱部位，需要多次復灌才能達到結束標準；其三，3 個孔序灌漿壓力逐級遞增，調整后的灌漿壓力Ⅲ序孔最大壓力為2.3～2.5 MPa，相鄰兩序孔灌漿壓力提升0.5 MPa，Ⅲ序孔比Ⅰ序孔灌漿壓力提高1.0 MPa，逐級遞增的灌漿壓力超過極限壓力，不斷對前序孔灌漿形成的帷幕體進行劈裂。

4 灌漿材料耗量大的影響因素

4.1 地質條件影響

BⅡ、EⅡ、IⅡ3 個試驗區上部8～15 m 灌段為覆蓋層區域，屬于強漏失地層。灌注水泥漿冒漿嚴重，待凝72 h 復灌均無法解決頻繁冒漿問題；灌注膏漿0.5 MPa 以內壓力便產生抬動、劈裂造成冒漿，需要2～3 次灌注膏漿在小壓力條件下擠密灌漿孔周邊土層，待凝72 h后灌注水泥漿才能達到結束標準。

15～45 m 灌段部位為土石混雜區域，是整個灌漿孔的重難點，存在成孔困難、灌漿材料用量大、隨灌漿壓力逐漸增大、冒漿嚴重等特點。灌注水泥漿待凝后掃孔復灌壓力基本無任何變化，甚至復灌開始就冒漿，單段最多灌漿22 次；灌注膏漿需要限量復灌才能達到預期壓力。

覆蓋層及土石混雜區域由于灌漿介質差異大，土遇水或水泥漿容易“惡化”形成通道，水泥漿液沿通道單方向擴散，待凝后復灌漿液仍沿最薄弱部位擴散，難以形成連續有效的帷幕體，需要多次待凝復灌才能達到結束標準，漿液擴散不可控是造成單位注入量大的主要原因。采用膏漿灌注覆蓋層及土石混雜區域漿液擴散半徑可控，灌漿材料耗量大幅減少，仍然高于合同內約定，屬于地質原因造成的。

4.2 泥夾層、軟弱破碎帶區域

泥夾層、軟弱破碎帶區域，裂隙較為發育，且裂隙內泥質充填但密實性差、強度較低，泥質充填物多與表土連通。灌漿期間漿液擊穿裂隙內泥質充填物造成冒漿，待凝后掃孔復灌漿液擊穿裂隙內充填物開辟新通道反復出現冒漿。水泥漿、摻砂灌注對寬大泥夾層等特殊地層效果不理想，灌漿期間漿液往往會擊穿最薄弱部位進行滲透，需要多次復灌對軟弱夾層擠密、置換達到一定強度后才能達到結束條件。采用水泥漿、摻砂灌注材料成本高，漿液擴散不可控，單位注入量大。

泥夾層、軟弱破碎帶區域采用膏漿進行控制性灌漿，漿液擴散半徑可控，并采取限壓限量控制膏漿擴散半徑。與常規灌漿比較，單位注入量大幅減少，但由于地質原因單位注入量仍高于合同內約定。膏漿灌注仍超出的部分屬于不可避免的，是無法通過技術、設備等措施削弱或消除的。

5 結論

為了促進社會經濟發展、為人民提供服務，充分發揮水利工程的綜合效益，需保證堤壩的防滲性、耐久性、使用壽命，避免產生病害等問題。因此，必須掌握堤壩的主要病害及其產生原因，并科學選擇防滲加固技術，以綜合防滲施工方案為主，整體提升堤壩的防滲性能，保持堤壩長期平穩運行。