白堊系礫巖壩基防滲相關設計問題探討

劉東康，陸彥睿

(1.青海省水利水電勘測設計研究院，青海 西寧 810001；2.青海省江海質檢公司，青海 西寧 810012)

青海地處青藏高原，地質條件復雜，大部分水庫壩址位于高陡傾角板巖和白堊系紅層中，特別是第三系紅層土石壩壩基防滲設計和建設管理中存在諸多問題。海東市文祖口和牙扎兩座小(1)型水庫壩基為白堊系礫(砂)巖，按常規方法進行設計和施工存在諸多問題，設計單位進行了相關研究，本文就壩基開挖與保護、灌漿蓋板厚度與錨固、淺表層固結灌漿、帷幕灌漿壓力和驗收標準等問題進行探討。

1 工程概況

文祖口壩高44.3m，牙扎壩高57.3m，兩壩均為粘土心墻壩。文祖口大壩左岸壩基為白堊系砂巖夾礫(砂)巖，鈣-鐵質膠結，砂礫巖屬較軟巖，為中厚-厚層狀結構，巖體內陡傾角裂隙中等發育，強風化厚度5～9m，巖體破碎，呈鑲嵌結構。砂礫巖比重為2.61～2.65；弱風化巖層飽和抗壓強度16.1～35.4MPa，軟化系數為0.31～0.88。強風化砂礫巖縱波波速為1623～2361m/s，平均為1849m/s。弱風化砂礫巖縱波波速為2090～4329m/s，平均為3136.7m/s；牙扎壩基左岸為白堊系砂礫巖，物理力學性質與文祖口砂礫巖基本相同，右岸為加里東期安山巖。

2 問題探討

2.1 截水槽開挖與保護

軟巖強風化層一般裂隙發育，破碎嚴重，可灌性較差。牙扎和文祖口水庫原設計截水槽開挖至強風化層下部，施工時由于強風化層完整性差，建基面挖至相對完整基巖。要求建基面滿足：①無浮土、虛渣、松動塊和干縮崩解層及泥質；②巖體相對完整，為弱～微風化層狀或塊狀；③斷層帶、層間擠壓帶、軟弱夾層、大裂隙等適當挖槽混凝土回填[1]。施工中沒有嚴格按要求預留保護層，壩基開挖后等待基坑驗收放置時間較長，未能及時保護和澆筑灌漿蓋板，造成表層巖石風化和裂隙發育，灌漿效果不理想。王甫洲水電站和尼那水電站對第三系紅層軟巖進行的爆破松動試驗表明：基巖開挖爆破對建基面以下一定深度的巖體完整性影響較大，壩基開挖時預留1.2～1.5m保護層是必要的。從尼那電站壩基紅層開挖敞露試驗區物探成果(如圖1所示)看，壩基開挖敞露后基巖因遇水易膨脹軟化(或泥化)、失水收縮干裂，完整性和強度明顯降低，波速以每天2.83%～3.0%的速率衰減，單軸抗壓強度也由11.5MPa下降到9.2MPa[1]。實踐證明對白堊系軟巖-較軟巖壩基開挖時適當預留保護層和及時采取覆蓋保護是必要的[2]。

圖1 尼那紅層物探成果

2.2 灌漿蓋板與錨干

為了使防滲體與基巖能夠緊密結合，防止接觸沖刷，一般在粘土心墻與基巖之間布設混凝土蓋板，同時為壩基灌漿提供蓋重。通常混凝土蓋板厚度60～120cm，牙扎和文祖口水庫大壩混凝土蓋板厚度0.6m，在0.2～0.3MPa灌漿壓力下蓋板出現了30多條裂縫，平均間距5.5m，縫寬0.05～0.35mm。這是因為混凝土與遇水以軟化、泥化的礫巖、砂巖之間膠結遠不如與硬巖間膠結，蓋板與基巖間存在相對多一些縫隙，承受的灌漿壓力也要相對大一些。事實上混凝土蓋板在施工期是一種受力結構，主要承受分布不均勻的灌漿壓力，應按受力結構考慮灌漿蓋板的厚度。對于遇水易泥化的軟巖-較軟巖壩基應適當加大混凝土蓋板厚度，必要時進行配筋，這是提高蓋板抗裂能力和淺表層灌漿壓力的必要措施。牙扎壩基局部補充灌漿時，將混凝土蓋板厚度由0.6m加厚到1.0m，在灌漿壓力0.4MPa的灌漿壓力下，10m段長僅在蓋板表面出現了0.1mm的微裂逢，說明加厚灌漿蓋板可有效提高灌漿壓力和防止裂縫[3]。

在面板堆石壩趾板設計中一般都設置均勻布設間排距1.5m左右的錨桿[4]，牙扎水庫施工圖審查意見明確提出取消錨桿，可能的原因是認為錨桿不承受永久荷載，或簡單地將礫巖(砂)巖等同為粘土巖，錨固效果差。文祖口壩在礫巖壩基與混凝土蓋板之間設置了入巖4.5m間排距1.5m，直徑25mm的錨桿，5根錨桿破壞形拉拔實驗表明：錨桿抗拔力均大于10t的設計標準，抗拔力在10.5～15.5t之間。文獻[5]表明在軟巖中錨桿有效深度一般3.5m，深度4.0m左右鋼筋應力接近于零。為了驗證牙扎水庫建成后壩基灌漿帷幕抵抗水力劈裂能力[4]，在已完成灌漿的灌漿蓋板上進行錨桿實驗，試驗段66m，共布置16根錨桿，錨桿布設間排距1.5m，入巖4.5m，直徑32mm。錨桿施工完成后對蓋板下淺表層進行補充壓水試驗，并監測蓋板抬動，實驗表明：僅增加錨桿實驗壓力由0.3MPa提高到了0.76MPa時抬動僅20μm，又一次驗證了錨桿的作用。

以上文獻和實驗表明軟巖-較軟巖設置錨桿能夠有效發揮錨桿的作用，提高灌漿壓力，間排距以1.2～1.5m、深入基巖4.0～5.0m的錨桿作用相當于3～5m厚的混凝土蓋重。在蓋板上、下游設0.3～0.5m深齒槽有利于防止沿蓋板與基巖面的跑漿、漏漿。錨桿直徑以φ25mm～φ32mm為宜，錨桿端部劈叉和微膨脹砂漿注孔有利于提高抗拔力[6]。

2.3 固結灌漿

筆者認為土石壩基進行固結灌漿是必要的，目的除提高淺層基巖的完整性外，更重要的是增強壩基淺表層基巖抗滲性和在低灌漿壓力下形成“低壓寬帷幕帷”，且為帷幕灌漿造蓋[5]，有利于防止基巖抬動。眾所周知，無論是硬巖還是軟巖，淺表層帷幕灌漿壓力較深層帷幕灌漿壓力要小得多，一般0.2～0.5MPa，灌漿擴散半徑有限，布置適當孔排距和深度的固結灌漿孔可有效增加淺表層帷幕厚度，可加大帷幕孔距和減少排數。在面板堆石壩設計中，一般都對趾板進行“均布式”固結灌漿，孔深設計上也考慮近幕排適當加深，有些壩對近帷幕固結孔進行了加密，雖然帷幕孔僅布置1或2排，但淺表層的關鍵部位帷幕的實際厚度要比深層要厚，有利壩基滲流安全[7]。

牙扎水庫設計審查時按專家意見取消了固結灌漿，文祖口水庫壩基固結孔僅設2排，孔排距為3m，施灌時灌漿壓力0.1～0.2MPa，固結灌漿未能形成整體效果，檢查孔表明0.2MPa灌漿壓力下有效擴散半徑為0.6～0.8m。寺坪電站壩基布置灌漿孔4排，孔深8m，排距1.5m，孔距2.0m，并且有一排固結孔位于兩排帷幕之間，采用小口徑管口封閉灌漿方法，起灌壓力0.2MPa，目標壓力0.5MPa[4]，灌漿效果明顯好于牙扎水庫。

軟巖-較軟巖壩基處理除加強清基、加厚灌漿蓋板和加強錨固盡可能提高灌漿壓力外，應加強固結灌漿，一般以2～4排為宜，孔排距以1.5～2.0m為宜。固結孔深宜根據壩高確定，以5～15m為宜，中間排結合帷幕可適當加深，使淺表層帷幕有效厚度大于或至少相當于深層帷幕厚度[5]。

2.4 帷幕灌漿

帷幕灌漿是構建壩基防滲體系的必要措施，SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規范》的6.3.10條規定：灌漿帷幕宜采用一排灌漿孔。對地質條件差，基巖破碎帶部位和喀斯特地層宜采用兩排或多排孔[7]。牙扎水庫壩基為砂礫巖，屬軟巖-較軟巖，抗漿力劈裂能力小，屬地質條件差的范疇，至少應采用2排孔，設計采用1排不符合規范規定，灌漿試驗也證明了這一點。雖然第一次設計變更在上游側增加了一排，但由于無錨桿錨、固結灌漿間排距大，灌漿壓力低，淺表層灌漿效果還是達不到≤5Lu的設計要求[8]，不得已中間又加了一排，先后進行了兩次設計變更。文祖口同樣由設計的1排帷幕增加為2～3排才達到≤5Lu的設計標準。寺坪電站就小口徑關口封閉法和孔內阻塞灌漿法進行了A、B兩組對比試驗，A組灌漿效果明顯好于B組，小口徑孔口封閉法可有效提高灌漿壓力，最大灌漿壓力可達2.33MPa；B組采用常規的孔內阻塞灌漿法，繞塞現象普遍，難以達到設計灌漿壓力，灌漿壓力較小，一般不超過1.0MPa，最大壓力值小于1.5MPa；兩組均達到了透水率≤3Lu的要求[3]，可見良好的固結灌漿、合理的灌漿設計和合適的灌漿方法對壩基防滲的作用不容忽視，且小口徑管口封閉法灌漿效果好于常規的孔內阻塞灌漿。

因此，軟巖-較軟巖強度低，采用1排帷幕灌漿難以滿足設計要求，采用2～3排的帷幕灌漿是合理的，孔排距宜適當減小一般排距1.0～1.5m為宜[6]。在帷幕孔深的設計上可以考慮主、副帷幕相結合，淺孔深度可為深孔的1/2～1/3。

2.5 灌漿壓力

較軟巖-軟巖巖體抗劈裂能力差，容易出現基巖劈裂和抬動[9]，一般不宜采用較高壓力。牙扎和文祖口壩基5～10m在0.7～1.0MPa灌漿壓力下均發生了基巖劈裂抬動和地表冒漿。甘肅竹林寺水庫灌漿實驗表明[6]，當灌漿壓力(砂礫巖)≤0.6MPa時，壓力與吃漿量呈遞增關系；當灌漿壓力>0.7MPa時，這種關系不明顯；如果灌漿壓力≥1.0MPa，基巖發生劈裂和抬動。

對于基巖強度較低的軟巖-較軟巖進行灌漿壓力設計時，要通過灌前壓水試驗研究基巖極限抗劈裂能力，在灌漿壓力設計上應留有余地，一般以0.5～1.5MPa為宜，具體通過灌漿試驗確定[10]。

2.6 壓水試驗

質量監督部門在驗收牙扎壩基灌漿帷幕時，提出壩高57.0m壓水試驗壓力按DL/T5148- 2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》附錄B應為1.0MPa[11]，施工時根據灌漿實驗確定的淺表層10m范圍內灌漿壓力0.3～0.5MPa，這就出現了矛盾，致使驗收無法進行拖延工期。設計單位認為砂礫為較軟巖層，抗漿力劈裂能力差，應按特殊情況對待，只要淺表層對帷幕經行了加排、加厚處理，可以采用灌漿壓力0.8倍進行壓水試驗。事實上很多已建土石壩工程都采用了較低的灌漿壓力，這些水庫都能運行正常。類似工程淺表層帷幕灌漿壓力見表1，可見對于軟巖-較軟巖、斷層破碎帶和風化巖層沒有必要過分追求高灌漿壓力，通過增加淺表層固結灌漿和增加帷幕排數可以保證帷幕的防滲效果。

表1 類似工程淺表層帷幕灌漿壓力

3 結語

軟巖-較軟巖壩基不同于硬巖，容易出現遇水軟化和干縮裂縫，施工時適當預留保護層，并及時保護有利于保持基巖完整和壩基防滲系統建立，加大灌漿蓋板厚度和適當的錨固措施有利于提高灌漿壓力和防滲效果。固結灌漿是心墻壩基防滲處理的必要措施，根據巖性結合灌漿帷幕設計合理布置固結孔排距和孔深有利于提高淺表層灌漿壓力和防滲帷幕的厚度。灌漿試驗應將基巖漿力劈裂研究作為重要工作內容，不宜過度最求高的灌漿壓力以防止基巖劈裂影響灌漿效果，帷幕質量檢查時也應根據不同巖性和灌漿試驗合理確定壓力，避免因試驗壓力過大造成對帷幕的破壞。