繞壩滲漏—粘土固化劑防滲灌漿設計與施工

陳 燦

（永州市水利水電勘測設計院，湖南 永州 425000）

1 引言

金鉤掛水庫位于金鉤村境內的冷水河上，于2014年動工興建，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、村鎮供水等綜合利用的水利工程。水庫正常水位261.38 m，總庫容988.60 m3。大壩、溢洪道及放水設施等共同組成水庫樞紐工程。水庫大壩為粘土均質壩，壩頂軸線長178.00 m，最大壩高38.60 m，壩頂高程264.60 m。

壩址河谷地形為 “U”型，冷水河由NE流向SW，兩岸山體厚實對稱，河床中基巖基本上裸露。壩區地層主要為白堊系下統地層，巖性為中厚層淺灰色、紫紅色礫巖、砂礫巖，夾有粉質頁巖、粉砂巖，局部為泥質膠結、鈣質膠結。砂礫巖，礫石多為灰巖，粒徑2～4 cm，約占30%左右，分布于整個壩址區。

壩區地表由于覆蓋層較厚，基巖地層年代較新，地表地質調查未發現大的斷裂構造。松散堆積層孔隙潛水、基巖裂隙水為其地下水主要類型，水文地質條件簡單。

基礎處理。在壩頂軸線設置截水槽，其斷面形式采用梯形，槽深1.5～3m，槽底寬3～6m，邊坡為1∶1。同時，對基巖進行帷幕灌漿防滲，帷幕灌漿孔沿截水槽軸線布置一排，溶洞處另增設一排，帷幕孔距、排距均為2 m，帷幕深入基巖深度按透水率10 Lu值控制。考慮兩岸覆蓋層較厚，其滲透系數不大于1×10-4cm/s，為節約工程投資，施工時未對兩岸殘坡積覆蓋層進行防滲灌漿處理。

水庫運行過程中，當庫水位高于245.00 m高程時，大壩右岸下游側與山體接合部位有少量滲水及坡面散浸現象，且滲水量、坡面散浸面積隨庫水位的上升而增大。經實地踏勘，結合地質、施工、檢測、監理及現場調查等資料對比分析，確認大壩滲漏屬繞壩滲漏，壩肩殘坡積覆蓋層存在滲漏通道。

2 防滲處理方案

2.1 滲漏原因

根據地質勘察成果，壩址區地層巖性主要為白堊系下統地層中厚層砂礫巖、礫巖，夾粉質頁巖、粉砂巖，礫巖屬泥質、鈣質膠結，其水溶性大，在地下水作用下，易溶蝕，巖石中溶蝕、溶溝發育。基巖上部殘坡積覆蓋層本身也是由礫巖經過水的侵蝕、風化慢慢形成的，溶溝、溶槽同樣發育，因此，右壩肩山坡殘坡積覆蓋層中存在滲漏通道，是形成繞壩滲漏的主要原因。

2.2 防滲處理方案比選

針對水庫大壩右壩肩存在的繞壩滲漏問題，選取了套井沖抓回填、水泥灌漿、粘土固化劑漿液灌漿3個防滲方案進行比選，比選過程如下。

方案1：套井沖抓回填。根據大壩壩基開挖施工后的地質資料得知，因礫巖溶蝕嚴重，壩基開挖后，發現壩基基巖面凹凸不平，呈山峰狀。因巖性相同，由此可以推斷，右壩肩基巖面也一樣呈山峰狀凹凸不平，若采用套井沖抓回填防滲，則沖抓非常困難，不但施工質量沒有保障，而且施工工期長。同時，沖抓回填施工受沖抓深度、水位、天氣、施工場地制約。粘土需要量大，對粘土質量要求高，需占用耕地，取土困難，成本大。

方案2：水泥灌漿。漿液以水泥為主，水泥用量大，成本高。需要經過先導孔試驗，才能確定灌漿深度、灌漿壓力、灌漿濃度等，試驗期長，工期長。水泥與粘土不相容，水泥漿夜對地表水、地下水的污染較大，不環保。

方案3：粘土固化劑漿液灌漿。漿液材料以粘土為主，固化劑和水泥為輔。漿液無毒、易清洗，水泥消耗量小，成本低，對環境土壤、地表水和地下水的水質無污染。粘土固化劑漿液不析水、可泵性、穩定性好，凝結時間可控。結石體強度高，抗滲、抗侵蝕、抗震能力強。施工方便，受場地、氣候等方面的影響較少。

經比選，方案3較優，施工簡單方便，水泥用量小，防滲效果佳，灌漿成本低。既達到了防滲的目的，又節約了資源，保護了環境，選擇方案3作為推薦方案。

3 灌漿設計

3.1 鉆孔布置

根據水庫大壩滲漏部位、滲漏流量大小、壩肩地質條件、漿液擴散半徑、防滲帷幕厚度等因素確定鉆孔布置。在右壩段至右岸山體間共布置3排帷幕灌漿孔，其中中間排孔沿壩頂軸線位置布置，在距壩軸線1.0 m處的上游側和上游側，分別布置上游排孔和下游一排孔，兩排灌漿孔軸線均與壩軸線平行。灌漿孔孔距1.5 m，排距1.0 m，鉆孔呈梅花形布置，灌漿孔漿液擴散半徑不小于0.80 m。灌漿范圍為樁號H0+000～H0+124，詳見壩肩灌漿平面布置圖（圖1）和壩肩固化灌漿剖面圖（圖2）。

圖1 壩肩灌漿平面布置圖

圖2 壩肩固化灌漿剖面圖

3.2 帷幕厚度

根據SL 274-2001《碾壓式土石壩設計規范》，灌漿帷幕厚度T按公式T=H/J計算，式中:H為最大設計水頭（m），通過滲流分析計算確定；J為帷幕允許滲透坡降，其取值為：水泥粘土，可取3～4；粘土為6～8。

由滲流分析計算可得本例最大設計水頭H=14 m，灌漿材料為粘土固化劑漿液，借鑒同類工程經驗取值，取J=7，代入公式得帷幕厚度不小于2 m。

3.3 帷幕深度

本工程為小㈠型，最大壩高38.60 m，屬中壩，灌漿深度按透水率10 Lu值控制。考慮壩肩基巖部分已做帷幕灌漿防滲處理，本次繞壩滲流灌漿設計僅對基巖上部未灌漿部位（即殘坡積覆蓋層）采取防滲灌漿措施。由大壩地質剖面圖和滲透剖面圖，確定灌漿深度為壩頂或地面至壩肩基巖面間的進尺，其最大進尺或最大鉆孔深度為44.7 m。粘土固化劑灌漿孔應深入原帷幕灌漿線內，搭接長度不小于1.0 m，詳見壩肩固化灌漿剖面圖（圖2）。

3.4 灌漿壓力

壩肩所灌漿部位為第四系覆蓋層殘坡積土，為避免因灌漿壓力過大而導致土體產生劈裂破壞，土體灌漿初始壓力控制在0.1～0.2 MPa之間，并隨著灌漿孔的增深，由上到下，灌漿深度每增深5 m，灌漿壓力按0.05 MPa遞增控制。當然，如果灌漿壓力太小，同樣會影響灌漿質量。注漿壓力太小，則漿液擴散半徑不夠，結合部位的帷幕厚度不滿足設計厚度的要求，不僅會降低防滲效果，嚴重的甚至會導致防滲失效。為防止出現此種情況，灌漿前，可在現場進行先導孔注漿試驗，根據先導孔試驗成果，來確定合理的灌漿壓力。

3.5 灌漿材料

3.5.1 粘土固化劑

粘土固化劑為粉沫狀固體，呈灰白色，無毒無味，由多種天然礦物材料通過高溫活化處理，經研磨、混配、拌合而成。密度2.8 g/cm3～3.15 g/cm3，細度0.08 mm，篩余量小于或等于8%，含水率控制在2%內，比表面積不小于500 m2/kg。

3.5.2 粘土固化劑漿液

粘土固化劑漿液是由粘土、水泥、粘土固化劑三種材料加水，按一定重量百分比混合拌制而成，與水泥漿液、水泥粘土漿液、化學漿液等傳統漿液相比，擁有下列不可替代的優點。

（1）漿液無析水性，灌漿范圍內的地層空隙基本上能全部充滿。粘土固化劑漿液是一種具有良好的流動性、穩定性、可灌性、保水性、粘聚性等性能的混合型漿液，顆粒漿材均勻、穩定地分布于漿液中，漿液既難分層離析，也難泌水逸出。當水料比小于2∶1時，漿液的析水率均小于5%，漿液中沒有多余的水分逸出，經過灌漿處理后的地層，很難留下未被充填的空隙。

（2）容易控制漿液的初凝和膠凝時間。通過調節漿液配制參數（漿液的水料比、粘土固化劑的用量），來實現對粘土固化劑漿液的初凝時間和凝膠時間的控制，保障漿液在注漿管內輸送和在地層中達到設計擴散半徑所需要的時間。控制精度在幾十秒至幾小時之間。

（3）粘土固化漿液膠凝后體積膨脹明顯，水中抗軟化性能好，形成的結石體抗滲性能好，滲透系數可達到1×10-9cm/s。

（4）粘土為粘土固化劑漿液的主要材料，重量比占80%以上，價格低廉，就地取材方便。既可節約材料的購買成本，又能降低材料的運輸費用。

（5）粘土固化漿液灌漿非常環保，對周邊環境的影響很少，不會對地表水和地下水水質及環境土壤、空氣等造成污染。

3.5.3 粘土固化劑漿液配置

工程注漿采用的粘土固化漿液由粘土、水泥、粘土固化劑三種材料加水混合拌制而成，其漿液材料配置方案見表1。

表1 粘土固化劑漿液材料配置方案表

水泥：采用標號32.5或42.5普通硅酸鹽水泥。

粘土：土料要干凈，不得含樹根、雜草、腐蝕土等雜物。土粒為黏粒，砂粒含量小。就地取土，可挖取天然粘土、粉質粘土、紅粘土、黃土及膨潤土等。或購買商業粘土。

水：配制漿液用水可直接使用生活飲用水、灌溉用水或未受無化學污染的河水、泉水、井水及溪水等。

本工程灌漿漿液材料配比方案為：水泥20%，采用42.5普通硅酸鹽水泥。粘土固化劑用量取水泥用量的15%。根據土工試驗成果，土料場粘粒含量為35%，含砂量0.2%，滲透系數K=2.53x 10-6cm/s，儲量3萬m3，擊實試驗后土的最大干密度為1. 62 g/ cm3，滿足設計要求，粘土就地挖取，重量比80%。水料比采用1.5∶1.0。

4 施工工藝

4.1 施工順序

灌漿采用自上而下分段注漿法施工，按照先周邊孔，后中間孔，分序逐漸加密的原則進行。本程灌漿施工順序為：先灌注壩軸線下游側排孔，后灌注壩軸線上游側排孔，最后進行中間排孔的灌漿。每排孔分序、分段施工，其中上、下游側兩排孔按三序孔施工，中間排孔可按二序孔或三序孔施灌。灌漿工藝流程圖見圖3：

圖3 灌漿工藝流程圖

4.2 施工及測量設備

為滿足粘土固化劑漿液灌漿施工要求，需要購置相應的施工設備和測量設備。有關設備配置情況分別見表2和表3。

表2 施工主要設備配置表

表3 測量主要設備配置表

4.3 制漿

利用當地天然粘土料制漿，可以按下列步驟進行：

（1）準備容積2～4 m3粘土粗漿池，漿池可購買同容積的容器，也可在施工現場混凝土澆筑、砌體砌筑或開挖而成。

（2）將合格的水和粘土按適當比例同時輸入粉碎機，利用粉碎機制成粘土粗漿，并導入粗漿池。

（3）利用粗漿池析出粗漿中多余水，析水后，要求池中粗漿水料比不大于0.8∶1的。

（4）通過泥漿泵將粗漿池中的粘土粗漿送到高速攪拌桶中，高速攪拌約2 min后，用量杯取一杯，分別測定粗漿中土和水的含量。根據前面測定成果、粘土固化劑漿液水料比及灌漿段漿液配比，計算、量取所需水量，將其加入粘土粗漿中，攪拌2 min左右，粘土原漿制漿完成。

（5）根據粘土固化劑漿液設計配比要求，計算水泥和固化劑的各自用量，將它們混合在一起拌合均勻后，全部投入粘土原漿中，再經過7～10 min的高速攪拌，粘土固化劑漿液的配制過程結束。

（6）最后一步，對已配制好的粘土固化劑漿液進行過篩處理，篩去漿中雜物和粗顆粒，并將過篩后的漿液直接輸送到高速攪拌桶中攪拌，攪拌時間7～10 min后，儲存，待灌。

4.4 注意事項

（1）儲存期超過3個月、過期和受潮結塊的水泥禁止使用。

（2）不得使用質量不合格的粘土。就地開挖取土，粘土料要求干凈、含砂量小，小于0.055 mm的黏粒粒徑含量應大于25%，塑性指數大于或等于15。

（3）鉆孔：定位要精準，與設計孔位的位置偏差不得大于0.10 m，孔深不小于設計孔深。孔底偏差不大于規范允許值：孔深20 m，偏差≤0.25 m；孔深30 m，偏差≤0.50 m；孔深40m，偏差≤0.80 m。實際孔位、孔深要有記錄。

（4）粘土固化劑漿液水料比常設置2∶1、1.5∶1、1.2∶1、1∶1四檔，一般根據地質情況、灌注對象、灌注階段按表4擬定水料比。

表4 粘土固化劑漿液水料比取值表

（5）防止劈裂破壞，灌漿壓力控制是關鍵。灌漿壓力偏小，漿液擴散半徑偏小，形成的防滲帷幕厚度小于設計墻厚，達不到灌漿效果。灌漿壓力偏大，易造成劈裂破壞。因此，在灌漿施工過程中，如發現注漿壓力或注漿率異常增大，應立即暫停灌注施工，尋找原因，及時采取相應的處理措施。

（6）做好準備工作，特別是提前降低庫水位。考慮壩坡抗滑穩定安全，庫水位降低需要一個過程，庫水位降落應盡量避免驟降情況出現，可根據水庫泄流能力和施工進度計劃，合理確定水庫提前放水時間。

5 結束語

作為新一代灌漿材料，粘土固化劑漿液與水泥粘土漿液、水泥漿液、化學漿液等傳統材料漿液相比，技術性能優勢明顯：漿液無析水性，流動性、初始

（4）定子安裝高程調整時，可以用鋼卷尺或用鋼管自制一根測量桿，直接測量定子法蘭面到支持蓋水導軸承安裝面的高差H，作為定子的控制尺寸。高差H計算：

H=定子上法蘭面高程-水輪機水導安裝面高程=20.364-14.965=5.399 m

4 結語

在立式機組安裝和檢修工程中，要避免常見的3種情況：一是機械地按照設計圖紙標注高程不加復核的施工；二是認為定、轉子鐵心疊片高度為圖紙標注尺寸，一般定、轉子鐵心疊片測量平均高度與標注尺寸會有差異，安裝中需要考慮這個因素；三是以圖紙標注的推力軸承鏡板高度尺寸控制轉動部分高程，這三種情況都是沒有充分考慮“定子鐵心平均中心高程與轉子磁極平均中心高程一致” 的要求。

確定立式水輪發電機組定子及有關埋設的固定部分高程，需要滿足關于“定子鐵心平均中心高程與轉子磁極平均中心高程一致”的規定，一般應根據相關部件測量實際尺寸，計算出相應高程，以計算結果作為實際安裝控制高程，從而保證機組整體的安裝質量，滿足技術規范的相應要求。