某水庫新建混合型大壩壩基防滲帷幕施工設計及試驗

杜 相

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都 610032)

1 工程背景

某水庫是一座以防洪和供水為主要功能，兼具農田灌溉、旅游、養殖等多種功能為一體的小(Ⅰ)型水利工程，設計庫容為4 500×104m3，工程建成后不僅可以使下游67.8 km2范圍內的防洪標準由20年一遇提高至100年一遇，還可以為周邊地區提供2 000×104m3的工業和灌溉用水。水庫大壩為混合壩型設計，其中混凝土壩段長42.95 m，土壩段長326.62 m，新建水庫大壩長369.57 m，壩頂高程為50.3 m。

2 壩基防滲帷幕設計

水庫新建大壩壩址的地質構造比較簡單，沒有明顯的斷層，僅在壩址砂巖中存在X狀分布的兩組剪切節理。壩址區地下水比較豐富，上層滯水主要受降水補給，水量的季節變化較大，孔隙潛水主要分布在河道兩岸的砂礫石層中，高程與河流水位基本一致；承壓水分布在深層裂隙中，為遠距離補給，沒有排水通道。根據工程設計階段的地質調查資料，壩基表面的覆蓋層主要是沙壤土與堆積的砂礫石。構成河谷基底的為白堊紀砂巖和礫巖，巖體表面風化比較嚴重，其中表層的強風化帶厚度為6.5～8.5 m，下部的弱風化巖體厚度為18～20 m左右。根據壓水試驗結果計算，壩基部位的年滲漏總量可達58.6×104m3，并主要集中于上部的漫灘以及階地砂卵石部位。因此，施工中需要清除上層的沙壤土，并對壩基進行防滲帷幕處理，設計灌漿線與壩軸線重合，主河床的灌漿長度為265.5 m，防滲帷幕的深度設計為基巖面以下18～20 m[1]。

3 試驗過程

3.1 選擇試驗渠段

關于帷幕灌漿的參數，目前并沒有成熟的理論以及可以應用于工程實際的數學計算方法[2]。原因是影響灌漿質量的因素較多且不易掌握，而每個影響因素的變化，均可能對灌漿質量造成顯著的影響。因此，要確定合理的帷幕灌漿參數，進行現場試驗是必不可少的[3]。基于此，研究選擇樁號壩 0+125～0+145的壩基結合槽部位進行帷幕灌漿現場試驗，試驗段總長度為20 m。帷幕灌漿的試驗孔為兩排設計，分別位于灌漿軸線的兩側且與軸線等距，并按照3個次序進行注漿試驗[4]，具體的布設示意圖見圖1。

圖1 試驗孔位布置示意圖

3.2 灌漿工藝與材料

本次現場試驗采用的是灌漿孔口封閉，自上而下分段循環灌漿的方式進行[5]。同時，由于試驗段長度較短，試驗施工區十分集中，因此所有的灌漿設備、材料以及試驗設備均安排在距離施工地點10 m的平臺上。灌漿工藝按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》(SL62-2014)要求，并結合試驗現場的實際設計，具體的流程圖見圖2。

圖2 灌漿工藝流程示意圖

3.2.1 鉆 孔

放線確定試驗孔孔位之后，搭建排架固定鉆機進行鉆孔，在鉆機安裝時確保牢固平穩和主軸方向豎直，鉆孔的直徑為75 mm，孔距誤差控制在10 cm以內，孔底偏差值控制在25 cm以內。鉆孔的施工順序按照I 序孔、Ⅱ序孔和Ⅲ序孔順序進行。

3.2.2 鉆孔沖洗與壓水試驗

現場試驗過程中，裂隙沖洗與固結灌漿的壓水試驗同時進行，壓力值設定為灌漿壓力值的80%[6]。灌漿前需要對裂隙進行沖洗，標準為回水干凈無雜質。壓水采用單點法自上而下進行，對遇水性能惡化的地層則不進行壓水。

3.2.3 灌漿材料與設備

灌漿試驗用水泥為亞泰建材生產的堅霸牌42.5普通硅酸鹽水泥，經實驗室檢驗，該水泥的物理力學性能完全滿足相關要求；灌漿試驗用水為大壩上游無污染的地表水；灌漿采用的是純水泥漿液，其濃度和開灌水灰比按照相關規范要求執行。灌漿試驗采用的是最大壓力7 MPa、排量為200 L/min的GK-200 型灌漿泵；壓力表安裝在灌漿口進漿部位并在使用前標定，適應GK-312型灌漿自動記錄儀對灌漿參數進行記錄，保證獲得真實的灌漿參數信息；灌漿塞采用的是直徑75 mm的擠壓式灌漿塞。

3.2.4 灌漿方法

現場試驗的帷幕灌漿采取自上而下分段灌漿的方法。其中，混凝土和壩基基巖接觸段的灌漿段長為2.0 m，其余部位的灌漿段段長為5.0 m。前5段的注漿壓力分別為0.4，0.8，1.2，1.6和2.0 MPa，以下各段的灌漿壓力均采用2.0 MPa。在注漿過程中，接觸段應該單獨灌注并待凝不少于24 h，其余各段不需要待凝。此外，先導孔的各個孔段在壓水試驗完畢后應該及時進行灌漿。

3.2.5 漿液變換

灌漿試驗采用循環灌漿模式，灌漿的漿液濃度也應該適時逐級變換，其基本原則如下：當單孔注漿量大于等于30 L/min時，考慮越級變換濃漿液；在灌漿壓力不變的情況下，漿液的注入率不斷減少或注入率不變的情況下注漿壓力不斷升高時，應保持漿液級別不變；當灌漿實踐達到30 min或注漿量達到300 L時，如果注漿壓力和注入量沒有明顯變化，應該將漿液的濃度提高一級繼續注漿。

3.2.6 結束灌漿及封孔

當灌漿孔的注入率低于0.4 L/min或者在2.0 MPa的注漿壓力下灌注30 min后結束灌漿[7]。達到灌漿結束標準后結束灌漿并封孔，在全部灌漿結束后要進行驗收，然后進行封堵。

4 試驗結果分析

在灌漿之前對各個試驗孔進行壓水試驗，基于原始透水能力和各序列孔的單位吸水量的分析，對壩基的防滲能力進行評價[8]。壓水試驗結果見圖3。

圖3 壓水試驗結果

由圖3可知，在I次序孔中，有30%注漿段的單位吸水量大于10 L/MPa·m·min；有10%注漿段的單位吸水量大于1 L/MPa·m·min；其余注漿段的單位吸水量均大于0.1L/MPa·m·min。在III次序孔中，所有注漿段的單位吸水量均小于1L/MPa·m·min。可見，單位吸水量會隨著灌漿次序的增加而降低，這說明注漿效果相對較好。同時，在灌漿試驗結束之后，再次進行壓水試驗。結果顯示，僅有一個注漿段的單位吸水量大于2.5 L/MPa·m·min，其余各個試驗段的單位吸水量均小于1 L/MPa·m·min。由此可見，在注漿之后，所有的單位均滿足小于3 L/MPa·m·min的單位吸水量要求。對灌漿孔進行鉆芯檢驗，結果顯示巖層裂隙內充滿了水泥漿填充物，顯示注漿效果良好。

根據注漿孔間距為1.5,2.0和2.5 m共3種不同試驗工況下的注漿后檢查孔壓水試驗結果，注漿孔間距為1.5 m時，各段的透水率均在5 Lu以下，達到設計要求。注漿孔間距為2.0 m時，后3段透水率均在5 Lu以下，而前5段的透水率均大于5 Lu，不滿足設計要求；注漿孔間距為2.5 m時，后2段透水率在5 Lu以下，而前6段的透水率均大于5 Lu，不滿足設計要求。因此，注漿孔的間距應該設定為1.5 m。

5 結論與建議

本次研究針對某水庫新建大壩壩基帷幕灌漿施工，利用現場試驗的方法對灌漿施工工藝和參數進行研究。結果顯示，單點壓水試驗方法和自下而上的分段灌漿工藝是合適的，可以滿足大壩壩基的防滲設計要求。同時，本次現場試驗的結果可以對本工程以及具有相似地質特征的類似工程施工提供借鑒。根據試驗成果，對該水庫新建大壩壩基帷幕灌漿施工提出如下建議：

1) 根據現場試驗成果，同時考慮施工的經濟性要求，建議采用1.5 m的灌漿孔間距。

2) 在灌漿深度方面，可以深入透水率小于5 Lu后再鉆進一段終孔。

3) 建議采取自下而上的分段灌漿方式，混凝土和壩基基巖接觸段的灌漿段長為2.0 m，其余部位的灌漿段段長為5.0 m。前5段的注漿壓力分別為0.4，0.8，1.2，1.6和2.0 MPa，以下各段的灌漿壓力均采用2.0 MPa。