水庫土壩防滲工程中黏土固化劑的應用

李 峰，王玉金，王浙津

（中國水電基礎局有限公司，天津 301700）

0 引言

水庫水壩由于受到建設年代技術水平的影響，其堤防存在著不同程度的安全隱患，其中最為常見的安全隱患就是滲漏。針對水庫土壩滲漏問題，我國主要的治理方式仍是以傳統的灌漿技術為主。但是傳統的灌漿技術需要消耗極多的水泥，其施工成本較高。由此，黏土固化劑灌漿技術便應運而生，其通過在黏土以及水泥中添加固化劑，來有效地改良漿液，為施工節約了極大的水泥使用數量，不僅防滲效果得到了明顯的提升，其施工效益也得到了全面的提高，真正實現了經濟效益與社會效益的有機統一。

1 案例工程綜述

1.1 工程概況分析

喬苗水庫地處左江流域黑水河支流的向水河上游，其壩體位于大新縣全茗鎮喬苗村新意屯，與大新縣城約有10km 的距離。大新縣歸屬崇左市管轄，地處我國廣西壯族自治區西南邊陲，其東北方向靠近隆安縣，北方比鄰天等縣，西北方毗鄰靖西縣，西南方靠近龍州縣，水庫的工程等級為Ⅲ級，主體建筑物的等級為3級，次級建筑物的等級為4 級[1]。

水庫庫區地處峰林谷地，谷地長度可綿延數千米，谷地寬度為0.5～1.5km 不等，谷底相對較為平緩，谷底覆蓋土層為第四系土層，谷底裸露巖層以及巖溶地貌相對較為少見，巖溶處有泉水涌出，谷地高程為302～304m，存有一條天然形成的小溪，其寬度為1.5～2m 不等，沿著谷地中部向下游蜿蜒流行。峰林谷地的山頂高度為430～490m，最高峰為606m，其山體形態各有不同，山體巖層呈現縱向走向，山頂脊狀呈現不規則的鋸齒狀，橫向巖層走向可以在峰林的單面山上看見。水庫中存在錐狀孤峰以及散落的角峰，出露于水庫水面，角峰大小各不相同，形態多變，錯落有致，山水輝映，層次分明，是典型的巖溶地貌景觀。

1.2 水庫基巖分析

喬苗水庫施工現場的地層相對較為裸露，其新老地層，由老及新的分布如下：寒武巖層及砂泥巖層，下方存有少量的炭質。泥盆系的下方為碎屑巖，中部為碳酸鹽巖，存有少量的硅質巖，其下方與寒武巖的角度并不整合。石炭系主要以碳酸鹽巖為主，存有少量的硅質巖。二迭系的組成巖層較為復雜，由火山巖、硅質巖、碎屑巖以及碳酸鹽巖構成。三迭系一般是由火山巖及碎屑巖等其他巖層構成。第三系的裸露程度相對不高，主要是細顆粒的石英砂巖，下方存有一定的礫巖，中部夾帶煤線。第四系一般裸露出大部分的地區。

喬苗水庫的壩體基巖為灰巖，是中硬巖的一種，其自身的實際負荷以及抗剪性都較好，沒有軟夾層以及破碎層等不良巖層，基巖表面存有一定起伏，淺層巖體由于受到流水侵蝕以及風化作用，其溶蝕裂縫相對較為明顯，其透水性為中等，巖體下方的透水性要低于上方，基巖的整體透水性為中等。經過專業人員的評估后，基巖與土層接觸面存在一定的滲漏情況，下方的基巖的局部地區存有滲漏通道。喬苗水庫壩體的防滲施工區域存有沖洪積層以及一定量的人工填土，下方為石炭系的白云質灰巖，其由新及老的分布如下。

（1）近代沖積物。顏色為灰黑色，主體為淤泥質砂礫，呈現飽和狀態，一般分布于水庫庫區。

（2）人工填土。一般是壩體的填筑層，土體來源為壩體右側山丘的次生紅黏土，其含砂礫程度與取土場地有關。

（3）沖洪積物。一般為灰黑色的有機土，存有一定的腐爛植物，呈現飽和狀態，一般分布于谷地的表面以及溪流部分，但是已經被壩體壓密，厚度約為2.5m。沖洪積物的中層為次生紅黏土，存有一定鐵錳砂礫，一般分布于谷地巖面之上，其厚度為2～8m 不等。沖洪積物的下層為紅色的次生紅黏土，存有鐵錳結核塊，局部的鐵錳含量已經達到富集狀態，存在一定的土層孔隙。

（4）石炭系。其中層存有碎屑巖、燧石以及白云質灰巖，其強度相對較高，但是可溶性相對較低，出露大壩左側，厚度約為180m[2]。

巖土的實際接觸帶一般為耕表土以及次生紅黏土，由于其溶蝕的裂縫較大，所以其透水性也相對較強，屬中等透水性。

1.3 喬苗水庫滲透分析

根據專業的技術人員對庫區的勘測得知，喬苗水庫的基巖存在一定的滲漏，其滲漏形式主要分為兩種：①借助壩基巖體，水流經過溶蝕縫隙以及巖溶通道進行滲漏。②水流借助壩體左側的巖溶裂縫以及巖溶管道進行繞壩滲漏。這兩種情況均屬于巖溶通道混合型滲漏。在對其進行具體施工之前，技術人員對其進行鉆孔采樣，發現其接觸帶的巖土分界線存有一定的泥漿，并且在，帷幕灌漿的過程中存在無壓無回的情況，其采樣如圖1 所示。

圖1 采樣

由此可知，喬苗水庫的壩體滲漏土層為巖土接觸帶，其采樣中泥漿的厚度約為1.2m，且泥漿中含有沖洪積物的中層以及下層的碎石，且泥漿上方存有次生紅黏土，厚度為1m 左右，含水量較大，經專業技術人員分析，其接觸帶的滲漏寬度約為2.5m。

2 黏土固化劑的防滲機制分析

黏土固化劑之所以可以在水庫防滲工程中發揮出極高的效能，離不開其自身所具有的防滲機制。黏土固化劑可以對當前的土層進行固化，從而改善土層自身強度的一種添加劑，同時，黏土固化劑也可以對水泥漿液的性能進行改善，且黏土固化劑的實際性能要優于水泥漿液，例如其自身所具有的抗腐蝕性、無析水性、膠凝可控性以及抗震性等。其漿液的制作建材相對較為常見，且制作成本相對較低，灌漿所要使用的漿液配比為黏土占比80%～90%，水泥占比10%～20%。黏土固化劑中的水泥摻量要控制在10%～20%，水料配比為（0.8∶1）～（2∶1）[3]。

在建材之間進行流動的水分會在其黏土固化劑的化學反應中被消耗，并且使得水泥漿液的水化反應順向發展，從而降低灌漿建材的凝固時間。并且，含有黏土固化劑的灌漿漿液一般沒有析水性，在其凝固之后，會生成強度很高的膠凝體以及結晶體，并滲入周圍的巖石縫隙之中，等到巖石縫隙中的漿液凝固之后，其膠凝體的自身體積會出現膨脹，從而將溶蝕的滲漏通道進行堵塞，以此來形成防滲，由于凝固體的滲透系數相對較小，所以其自身擁有良好的擋水性質，將對其灌漿建材的配比控制，便可以充分控制好漿液的凝結時間，以此來提升水庫防滲工程質量及效率。

3 黏土固化劑在水庫土壩防滲工程中的應用分析

喬苗水庫的壩體為黏土質，為切實提升其壩體的防滲質量，技術人員根據水庫壩體的基本填土情況以及基巖的實際現狀，決定對水庫壩體進行垂直防滲加固。喬苗水庫的壩體高程為18.3m，壩體的填土為次生紅黏土，其填土中存有一定的碎石、鐵錳結核以及其他砂質。可以使用角度較大的擺噴或是旋噴來進行灌漿，施工人員考量到其施工的最大灌漿深度為28m，平均灌漿深度為20m，所以根據有關規程決定使用高噴來對其進行防滲加固。

3.1 巖土接觸帶高噴分析

在對其進行高噴灌漿之前，施工人員需要對其高噴漿液進行配制。灌漿的建材配比為黏土80%，水泥為20%，使用15%的黏土固化劑，其黏土可以當地取材，在對其進行灌漿時其黏土顆粒含量要高于50%，其塑性系數不能低于20%。在對其進行灌漿之前，要使用2mm的方孔對其進行刷選，灌漿所需要的漿液都需要在漿站進行統一的配置，之后使用運輸管道將配置好的漿液運輸到各個漿點，其漿液的濃度需要先稀后濃，其水料比重為2∶1、1.5∶1、1.2∶1 以及1∶1. 通常情況下，2∶1 的水料一般用于基巖的開罐，1.5∶1 一般用于基巖的持續澆灌以及壩體的澆灌。1.2∶1 用于間歇澆灌，1∶1 一般用于封孔。

喬苗水庫的壩體的覆蓋層需要進行高噴灌漿，高噴的最高孔深為27m，基巖的鉆孔深度需要高于0.5m，包含風化層深度，壩體高噴灌漿的實際范圍需要高于主河床的2m 的壩段，也就是從樁號壩的0-100—0+835，其總長度為935m，其灌漿孔使用單排形式，灌漿孔洞距離間隔1m，高噴灌漿孔的間距需要在確保其鉆孔范圍的灌漿可以充分進行搭接，以此來行之有效的保證其防滲施工的建設效果，按照喬苗水庫防滲施工的情況而言，其高噴灌漿孔距離為1m。若是滲漏嚴重的部分，其孔距可以實時調整，將其孔距設置成為0.75m。在對基巖進行鉆孔的過程中，施工人員可以將鉆孔樣品放置在實地，并對其定位樁進行標記，使用鮮明的油漆對其進行涂抹編號，與其他的孔序進行區別，根據實際的施工情況進行鉆孔施工，其鉆孔方位與實際設計方位的偏差不得高于10cm，垂直度要低于0.5%，施工時要保證其鉆孔垂直度符合施工鉆孔需求[4]。

高噴灌漿施工中，施工人員會使用鉆噴一體臺式機，在實際的施工過程中，其巖土接觸帶的高程上文已經提及，為304～308m，也就是其灌漿孔深為16～20m 的范圍，在對其水泥漿液進行澆筑時，巖土接觸帶的水泥要被進行一定程度的稀釋以及擴散，其高噴臺車如下圖2 所示。

圖2 高噴臺車

3.2 基巖的帷幕灌漿分析

喬苗水庫的壩體帷幕灌漿孔之間的距離為2m，根據灌漿編號0-100—0+700，其帷幕灌漿的實際深度，最高為34m，帷幕灌漿的高程上限為巖土分界線，其灌漿的下限為透水率為5Lu 線以下3m 處，針對其斷層破碎帶，可以提高帷幕灌漿的深度。根據施工人員對施工現場的鉆孔進行檢測發現，喬苗水庫的巖土接觸帶存在2m 厚的破碎風化層，其滲透程度相對較高，實際的滲透寬度已經達到了2.5m。由于喬苗水庫在防滲施工期間是大新縣城的農業灌溉水源以及生活備用水源，導致其在施工的過程中無法將水位進行下降，所以其泥漿層將一直存在，綜合帷幕灌漿技術、高噴灌漿技術以及喬苗水庫的實際施工條件，施工人員決定對其壩體覆蓋層進行高噴，在壩體黏土的內部澆筑成墻，澆筑墻體要深入基巖0.5m，等到高噴灌漿完成后，再對其下方進行帷幕灌漿。其灌漿的頂部要與高噴灌漿所形成的墻體搭接2m。在對其進行灌漿的過程中，施工人員可以使用五孔三序的形式對其灌漿，喬苗水庫所使用的灌漿方式為循環式以及純壓式相結合的灌漿方式，在壩體的基巖上進行注漿之后，要對其進行分段注漿，分段注漿的形式可以由上至下，基巖的注漿長度一般為5m 為一段，若是注漿的長度高于7m 時，就需要對其進行分段注漿，若是在注漿的過程中出現了不回漿液。沒有壓力的情況時，就需要將注漿的水料比重進行調整，一般出現這種情況時，施工人員都會將水料比重調整至1.2∶1，并將注漿的間隔時間調整為30min，倘若仍出現上述情況，施工人員就需要將其注漿的間隔時間進行再次延長，一般為24h 或是更多。若是存在冒漿現象，施工人員可以使用砂礫石對其進行反濾蓋，并對冒漿處進行回填、并夯實[5]。

4 結語

綜上所述，水庫壩體滲漏是當前水利樞紐工程的重要問題之一，需對其進行及時的解決。黏土固化劑不僅可以有效的改善灌漿漿液的性能及質量，同時還可以有效地降低施工成本，節約施工時間，在水庫土壩防滲施工中具有強大的優勢。