高壓噴射灌漿防滲墻在高臺縣小海子水庫修復中的應用

張興鋒

（甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院 甘肅張掖 734000）

1 工程概況

小海子水庫位于河西走廊的張掖市高臺縣南華鎮小海子村南，距縣城約15km，是一座注入式中型平原洼地水庫，水庫通過引黑河水調蓄。水庫分隔為上中下三庫。中壩始建于1958年，長5.5 km，形成了目前的中庫；1987年在中庫上游興建了目前的上庫；2002年在水庫除險加固過程中，新建了4.836km長的下壩，形成了下庫。

新建的下壩壩型為均質土壩，壩頂高程1370.5m，壩頂寬5.0m，最大壩高8.67m。水庫設計總庫容1048.1萬m3，正常蓄水位1368.1m。

2007年4月19日，小海子水庫下庫發生潰口事故，水庫潰口位于新建成的下壩中間部位，樁號2＋681.0～2＋722.5m處；決口處壩高約8.1m，潰口寬度約41.5m，決口時最大流量約90m3∕s；壩基上部為厚度3m左右的磚紅色或土黃色粉質粘土層，下部為粉細砂層。

小海子水庫地處祁連山前沖洪積傾斜平原前緣與細土平原的過渡帶上，地形平緩，地勢開闊。地層巖性在地表為第四系全新統湖沼相堆積或風積層——部分為灰褐色粉細砂、部分為土黃色淤積質砂壤土，一般厚度0.5～2.5m；下部為第四系全新統沖洪積層，總厚度22.5～24.5m，其中在中、下庫西部及西北部分為上下兩層即上層為磚紅色或土黃色粉質粘土或粘土，厚度4.1～2.2m （西厚東薄）；下層為灰黃色或青灰色粉細砂、細砂及中粗砂的韻律結構沉積，厚度約20～22m。在中下庫東部地層逐漸演變為粘土層與砂層的互層結構，單層厚0.8～1.2m。深部25m以下則為第四系中上更新統巨厚層的砂卵礫石層。

2 潰壩原因分析

從壩后排水溝粉質粘土 （或粘土）相對隔水層被破壞，地下承壓水有了滲流出口開始，到水庫蓄水之后，壩基便存在滲流破壞問題。

根據以上滲透變形判別和滲透破壞臨界水力比降的確定結果：壩基下第①層淺磚紅色粉質粘土層的破壞形式為流土型，其臨界水力比降Jcr①＝1.1，允許水力比降J允許①＝0.55；

第②層灰～灰白色輕粉質壤土的破壞形式為過渡型，其臨界水力比降Jcr②＝0.42，允許水力比降Jcr②＝0.21；

第③層青灰色細砂的破壞形式為管涌型，其臨界水力比降Jcr③＝0.39，允許水力比降J允許③＝0.19；

第②層和第③層土之間存在接觸沖刷，其接觸沖刷的臨界水力比降Jk.kp＝0.18，允許水力比降Jk.p＝0.12；

如果第②層土缺失，第①層和第③層土直接接觸也存在接觸沖刷問題，其接觸沖刷的臨界水力比降，允許水力比降Jk.p＝0.08。由此可見，接觸沖刷的臨界水力比降很小，比它們各自介質本身的臨界水力比降小得多。因此，當壩后排水溝粉質粘土 （或粘土）相對隔水層被破壞，地下承壓含水層有了滲流出口開始，首先產生接觸沖刷破壞，并逐漸向上游發展，這種接觸沖刷破壞的過程是較緩慢的，它必需有一定的細粒土流失的時間和積聚場所或排泄渠道，而新舊排水溝交匯后又相交于輸水渠道排水，且縱坡較大，其細粒土排泄很暢。隨著水庫蓄水位的抬高，待實際水力坡降達到大于細砂層和輕粉質壤土或粉質粘土層的臨界水力比降后，這種接觸沖刷破壞將很快轉換成管涌型和流土型 （或過渡型）破壞，而這種型式的破壞將是急速的，它會很快造成壩基被掏空，壩前壩后形成滲漏通道，導致壩體沉降、坍塌，最終釀成決口垮壩。這就是小海子水庫發生大壩潰決的地質因素；而區域性地下承壓水 （承壓水頭約0.5m）及其庫水越流補給地下水則是大壩潰決的水力因素。

經進一步的地質勘探及大量試驗證明，小海子水庫確系壩基下輕粉質壤土或粉質粘土與下部砂層間的接觸沖刷破壞所致，接觸沖刷的臨界水力比降很小，比它們各自介質本身的臨界水力比降小得多，所以在區域承壓水的作用下首先產生接觸沖刷，如果沒有滲流出口，這種接觸沖刷是無害或其危害是潛在的，在壩后新開挖的排水溝及相交于輸水渠排水提供了滲流出口和細顆粒堆積與排泄的條件，再加上在排水溝內抽水灌溉，更進一步加劇了細顆粒的運移，使得接觸沖刷變為有害的滲流破壞，進一步發展轉變為砂層的管涌破壞和土層的流土破壞，隨著細顆粒的逐步帶走，在壩底及壩前鋪蓋下部形成了空洞，在壩底下最大，向上游延伸逐漸變小，這在開挖追蹤漏水通道時已經揭示清楚，這種破壞隨著時間的推移，最終導致了大壩的潰決。這是國內罕見的在特殊水文地質條件下所導致的壩基接觸沖刷破壞，在以后工程設計中對多層不同介質接觸沖刷應引起足夠重視。

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3 潰口修復設計

針對潰口存在的問題，主要采用拋厚卵石，擠密壓實基礎后再回填砂礫石，然后回填壤土壩體等常規的修復措施。對于潰口附近600m及其余壩基存在接觸沖刷破壞的壩段共計2790m，經比較后采用高壓噴射灌漿防滲墻進行垂直防滲處理，以徹底切斷接觸沖刷破壞途徑。

高壓噴射灌漿法，就是采用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流束，沖擊、切割、破碎地層土體，并以水泥基質漿液充填、摻混其中，形成樁柱或板墻狀的凝結體，用以提高地基防滲或承載能力的施工技術。

本次垂直防滲采用高噴防滲墻形式。高噴防滲墻是由選噴柱形樁、擺噴扇形斷面樁或定噴狀墻段，其中的一種或兩種、三種彼此組合搭接起來，形成的地下防滲墻。根據該工程的地質條件采用三管法擺噴對接形式。

高壓噴射灌漿施工參數的確定是防滲墻成墻質量的重要環節，嚴格按照規范操作和高噴灌漿施工技術參數進行施工，是確保施工的關鍵，其中確定孔距是一個難點，是保證工程經濟和工程安全的一個重要參數。設計時施工主要技術參數由室內配方和現場試驗決定，該工程施工主要技術參數如下：

（1）高噴灌漿的孔距為2.0m，高噴灌漿的成墻厚度≥20cm。

（2）防滲墻鉆孔為垂直孔，其偏斜應小于0.3%。

（3）高噴灌漿孔位與設計孔位偏差應小于5cm。

（4）高噴灌漿的形式為擺噴，擺角15°。

（5）提升速度：提升速度的快慢直接影響漿液用量，提升速度過快，則墻后不穩定、易產生空洞，且切割半徑不符合要求，會造成防滲墻搭接處產生薄弱環節。提升速度太慢，則冒漿量過大，造成水泥浪費，因此需根據灌漿試驗確定不同土層的提升速度。結合其它工程經驗，初步確定細砂層的提升速度為8cm／min，粘土層的提升速度為12cm／min，具體參數施工時可根據現場試驗確定。

（6）高噴灌漿的水壓為25～35MPa，流量為80L／min；空氣壓力為0.5～0.7MPa，風量為1.1～2.0m3／min；水泥漿壓力為0.8～10MPa，流量為80L／min。

（7）注漿水泥漿比重控制在1.6～1.7g／cm3，回漿比重控制在1.2g／cm3。

（8）高噴墻的位置：高噴墻布置平行于壩軸線、在大壩前壩腳下游2m處，與壩體一起形成完整的防滲體。

（9）高噴墻防滲范圍：潰口段采用高壓噴射灌漿，控制范圍100m。由于該段沖坑部分最大沖深達到8m，考慮清淤與工程安全，確定潰口段高噴墻高度為12m，自壩底起深入到未受擾動的砂層中以下3m，以保證工程安全。

表1 高噴墻墻體性能指標

（10）高壓噴射灌漿材料：該工程的高壓噴射注漿的主要材料是水泥，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥強度等級≥32.5，灌漿所用的水泥應保持新鮮無受潮結塊，其細度為0.080mm方孔篩余量不大于5%，水泥漿由制漿機攪拌而成，水灰比1.0～1.5，攪拌時間不小于2min。

4 施工中參數調整

2009年9月11日，施工單位在設計高噴灌漿段進行了三管法擺噴試驗，試驗孔距按2.0m、1.5m和1.0m三種孔距布置。各種孔距各布置5個孔，總共15個孔。9月18～9月20日完成了試驗段施工。24日，在設計單位、監理單位及業主的參與下，對高壓擺噴試驗段的防滲墻進行了開挖檢查，經檢查，孔距2m的試驗區段，高噴后孔與孔之間不能形成連續的墻體，墻體斷口長度為40～50cm；孔距1.5～1.0m的試驗區段，高噴后墻體連續完整，搭接處墻體厚度能達到設計厚度，連接良好，成墻效果好，均能滿足設計要求。

根據試驗段試驗成果，最終選取孔距為1.5m。其余參數經試驗后采用以下參數，具體見高噴墻施工采用參數表2。

表2 高噴墻施工采用參數

5 結語

針對小海子水庫潰壩原因分析，對潰口及部分壩段壩基存在的接觸滲透破壞用水平防滲無法阻斷，在設計中采用高壓噴射灌漿防滲墻進行處理，并在施工過程中對相關設計參數進行了試驗調整，形成完整連續的高噴墻，對接觸面進行了阻斷，有效防止了接觸滲透破壞的發生，取得了較好的效果。工程于2010年9月通過竣工驗收，目前運行情況良好。小海子水庫壩基接觸滲流處理成功取得的經驗和相關施工參數，對其它類似工程具有較好的借鑒意義。

1 SL274－2001，碾壓式土石壩設計規范［S］.

2 GB50287－99，水利水電工程地質勘察規范［S］.

3 劉杰著.土石壩滲流控制理論基礎及工程經驗教訓［M］.

4 張興鋒等 .高臺縣小海子水庫決口修復方案初步設計報告［R］.

5 DL／T5200－2004，水利水電工程高壓噴射灌漿技術規范［S］.