灌漿防滲在新沖坑水庫除險加固工程中的應用

莫海春，陳 勇

（廣東珠榮工程設計有限公司，廣州 510610）

新沖坑水庫位于廣東省羅定市蘋塘鎮良官管理區，距蘋塘鎮東南約4 km，屬西江流域羅定江一級支流圍底河的白石河支流。水庫于1972 年10 月動工興建，1974 年10 月建成蓄水投入運行。水庫壩頂高程為190 m，最大壩高25 m，壩頂長度75 m，壩頂寬度5 m，如圖1 所示。壩址以上控制集雨面積2.42 km2；水庫正常蓄水位為187.20 m，相應庫容為48.61 萬m3；設計洪水標準為20 a 一遇，設計洪水位為189.11 m，相應庫容59.60 萬m3；校核洪水標準為200 a 一遇，校核洪水位189.74 m，總庫容63.39 萬m3，工程等別為Ⅴ等，工程規模屬小（2）型。

圖1 水庫大壩平面圖（高程：m。尺寸：mm。）

新沖坑水庫樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物組成，本工程擋水建筑物、泄水建筑物及取水建筑物為5 級建筑物，次要建筑物為5 級建筑物，臨時建筑物級別為5 級。

經地勘檢測發現，大壩填土層主要由粉粘粒組成，含砂礫石。由顆粒分析成果可得：填土粉粘粒含量平均為66.9%，砂粒含量平均為11.2%，礫石平均含量21.9%。大壩填土層天然含水率19.7%～32.7%，天然密度1.74～1.92 g/cm3，干密度平均值為1.47 g/cm3，孔隙比為0.752～1.052，呈可塑～堅硬狀。壩體填土標貫試驗結果一般3～19 擊，平均值8.2 擊，大部分填土的密實度均勻性差，平均壓實度為87.0%，壓實度不滿足SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》中大壩填土壓實度95%～97%的要求，大壩填土填筑質量較差。根據地質鉆孔結果表明，大壩壩基為強風化巖體，壩體與壩基的滲透系數都較大。經現場注水實驗結果表明，壩體內滲漏量較大，滲漏通道應為壩體裂縫，鉆探過程中壩體前立面發生了較大面積的滲水。同時根據現場調查發現，水庫長年處于低水位運行，始終無法正常蓄水，壩后坡腳下游也存在滲漏現象。因此，大壩存在嚴重的滲漏問題，壩體與壩基的結合部位存在接觸滲漏問題，影響水庫安全運行。

1 壩體加固方案比選

1.1 方案一：壩體塑性砼防滲墻+壩基帷幕灌漿

塑性混凝土是不同于普通混凝土的一種新型防滲材料，水泥用量較低，摻加了較多的黏土等材料，具有低強度和大應變等特性，對于改善墻體的應力狀態具有重要意義[1]。要使該防滲墻保持塑性砼的物理力學性質和防滲功能，主要在于合理控制水泥和黏土的用量，并且要充分攪拌使其均勻。原材料和配合比適當的塑性混凝土能夠兼顧力學性能和抗滲的要求，避免墻體裂縫，達到最佳的整體防滲效果[2]。

本方案采用塑性砼防滲墻對壩體進行防滲處理，總長90 m，塑性砼防滲墻采用配合比指標為：最大成墻深29.3 m，墻底伸入巖層2.0 m，墻厚0.4 m。

根據地質鉆孔資料揭露，壩基粉質黏土層與壩體填筑土結合部滲透系數均大于1.0×10-4cm/s，壩基巖土滲透性不滿足規范要求，擬對壩基進行帷幕灌漿處理，帷幕灌漿孔單排布置，孔距2.0 m，通過防滲墻內預埋Φ110 mm 鋼管，管底封堵，帷幕灌漿底邊線按照10 Lu 線以下3.0 m 控制。

1.2 方案二：高噴墻壩體防滲+壩基帷幕灌漿

高壓噴射灌漿技術是通過在地層中的鉆孔內裝入噴射管，用高速射流（水、漿液或空氣）直接沖擊、切割、破壞和剝蝕原地基材料，受到破壞、擾動后的土石料與同時灌注的水泥漿或其他漿液發生充分的摻攪混合、充填擠壓，至凝結硬化，成為結構較密實、強度較高和有足夠防滲性能的構筑物，以滿足工程需要的一種技術措施。施工前需進行高噴灌漿現場試驗，以確定有效樁徑、漿液性能要求、適宜的孔距和墻體防滲性能等[3]。施工過程中操作起來比較簡單，既可以降低現場施工人員的工作強度，同時還可以節省勞動時間。因此，高壓噴射灌漿技術是一項非常高效的施工技術，對水利水電行業的發展起到了巨大的推動作用[4]。

高噴防滲墻采用兩排套接的結構布置形式，單管法施工，一般樁徑為0.5～0.9 m，為確保壩體內形成連續的防滲墻結構，本次按照梅花型布置孔距0.8 m，排距0.6 m。壩基進行帷幕灌漿處理，帷幕灌漿孔單排布置，孔距2.0 m，同方案一。

1.3 方案三：壩體劈裂灌漿+壩基帷幕灌漿

劈裂灌漿是利用水力劈裂原理，對質量不好和存在隱患的土壩在壩軸線上鉆孔、加壓灌注泥漿形成新的防滲墻體的加固方法，堤壩體沿壩軸線劈裂灌漿后，在泥漿自重和漿、壩互壓的作用下，形成與壩體牢固結合的防滲墻體，從而對大壩起到防滲和加固的作用[5]。劈裂灌漿技術在我國工程加固中應用時間較早，隨著科技不斷創新，該項技術應用已經非常成熟。劈裂灌漿會針對壩體滲漏或其他質量問題而發揮作用，并不是單純地加強壩體局部或者整體的質量[6]。

本方案大壩防滲采用自下而上進行的灌漿方式，先對壩基進行帷幕灌漿，帷幕灌漿孔采用單排，孔距2m，同方案一。壩體采用劈裂灌漿，劈裂灌漿孔采用回轉鉆機在壩頂鉆孔（孔徑Φ89 mm），布置為雙排梅花形，排距1.2 m，泥漿護壁，孔距2.0 m，分兩序進行，如圖2 所示。注漿鉆孔時埋設孔口管，以防止孔口塌落及孔口返漿。

圖2 方案三壩體加固剖面圖（高程：m。尺寸：mm。）

上述3 種方案的優缺點及投資對比見表1。

表1 壩體加固方案優缺點對比表

經綜合比較，本次設計選取防滲效果較好、施工設備簡單、工程效果明顯且投資相對經濟的劈裂灌漿防滲墻作為壩體加固推薦方案。

2 大壩加固設計

2.1 壩基帷幕灌漿

壩基采用帷幕灌漿，帷幕灌漿中心線沿壩軸中心線向上游偏移1.2 m，孔距2.0 m 布置，灌漿深度深入10 Lu 線以下3.0 m。防滲邊界線依據地勘提供的地質剖面，伸入相對不透水層，最大鉆孔深度為45.3 m。

2.2 壩體劈裂灌漿

2.2.1 灌漿孔布置

在壩頂距壩軸線兩側0.6 m 處利用鉆機鉆孔，布置為雙排梅花形，排距1.2 m，泥漿護壁，孔距2.0 m，分兩序進行，先上游排一序，再二序；后下游排一序，再二序。注漿鉆孔時埋設孔口管，防止孔口塌落及孔口返漿，鉆孔的有效深度應穿過待注漿壩身并深入壩基層2.0 m，劈裂灌漿總長度1 300 m。

2.2.2 黏土灌漿設計指標

（1）灌漿后壩體滲透系數：K≤5×10-6cm/s。

（2）泥漿的設計干容重為1.4～1.6 t/m3（灌漿1 a以后）。

（3）灌漿工藝：孔底注漿，全孔灌注。

（4）灌漿壓力：起始劈裂壓力，孔口壓力控制50～100 kPa；單孔最大壓力，在孔底注漿條件下，按1.5倍左右起始劈裂壓力控制；屈服壓力，在壩體大部分被劈裂以后，采用自重灌漿方式。

（5）泥漿濃度：泥漿容重為1.3～1.6 t/m3。

（6）主要建材要求：造黏粘土要求塑性指數大于8～15，黏粒含量20%～30%，粉粒含量30%～50%，砂粒含量10%～30%，可溶鹽含量小于8%，有機質含量小于2%。

2.3 大壩滲流及穩定計算

采用有限元方法對新沖坑水庫大壩進行滲透穩定計算，擬定最大壩高處（壩中）為計算典型斷面。大壩各土層物理力學性質見表2。

表2 壩體各土層物理力學性質指標表

2.3.1 滲流分析

采用河海大學Autobank7.7 水工設計軟件進行滲透穩定計算，工況如下。

工況一：上游正常蓄水位與下游相應水位，即上游水位為187.20 m，相應下游無水。

工況二：上游設計洪水位與下游相應水位，即上游水位為189.11 m，相應下游無水。

工況三：水庫水位從正常蓄水位187.20 m 降至死水位169.5 m 降落期的情況。

工況四：上游校核洪水位與下游相應的水位，即上游水位為189.74 m，相應下游無水。

工況五：水庫水位從校核洪水位189.74 m 降至正常水位187.20 m 降落期情況。

經計算，大壩采用灌漿防滲加固處理后日均滲漏總量滿足規范一般要求。此外，大壩滲流出逸點均處于壩腳排水棱體范圍內，大壩各工況最大滲透坡降均小于規范允許值，見表3，滲透變形滿足規范要求。

表3 滲流計算成果表

2.3.2 穩定分析

計算工況同上，采用簡化畢肖普法計算，大壩上、下游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，見表4。

表4 邊坡穩定計算成果表

經復核，壩基采用帷幕灌漿以及壩體采用劈裂灌漿防滲加固后，大壩滲透變形滿足規范要求，壩坡抗滑穩定安全系數滿足規范要求，大壩安全可靠。

3 結束語

灌漿防滲技術用于水庫大壩除險加固工程，可以有效提高大壩的穩定性，但不同的灌漿方式具有不一樣的優劣勢，實際應用中要根據工程特定情況科學選擇，以達到良好的防滲效果，并滿足經濟發展的需要。參考文獻：

[1] 王厚根.塑性混凝土防滲墻的抗滲性和耐久性[J].科技與企業，2013（17）：164-165.

[2]肖樹斌.塑性混凝土防滲墻的抗滲性和耐久性[J].水力發電，1999（11）：24-27.

[3]劉永生.東峽水庫壩體高壓噴射防滲墻施工技術[J].甘肅水利水電技術，2009（11）：60-61.

[4]馬新余.水利水電施工中的高壓噴射灌漿技術探討[J].建材與裝飾，2016（32）：30-33.

[5]張軍輝.劈裂灌漿技術在水庫大壩加固工程中應用分析[J].建材與裝飾，2018（14）：290-291.

[6]胡皓.土石壩劈裂灌漿技術在病險水庫防滲處理中的應用[J].內蒙古水利，2015（4）：113-114.