大西溝水庫大壩鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)基巖的防滲處理

李文新，崔 煒

（1.新疆水利水電勘測設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 工程概況

新疆烏魯木齊河大西溝水庫是一座以防洪為主、兼顧灌溉的大（1）型水利樞紐工程，其中黏土心墻壩為1 級建筑物，高90 m，壩頂長425 m，壩頂高程為1 989.20 m，水庫正常蓄水位為1 961.00 m，設計洪水位為1 981.00 m，校核洪水位為1 988.00 m。 大壩心墻位于強風化基巖底部或弱風化基巖之上，壩基巖性為石炭系下統(tǒng)齊爾古斯套群的凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)［1］。 該巖體在未被擾動的情況下，具有“似完整性”，滲透性弱，強度和剛度較大，被擾動后產(chǎn)生裂隙，巖性變差［2］。 壩基巖體中裂隙在高水頭壓力作用下的穩(wěn)定性及滲透性關(guān)系著整個工程安全，因此有必要對壩基防滲處理方案進行深入論證［3］。 大西溝水庫大壩心墻基巖淺層采用固結(jié)灌漿，基礎防滲設計采用帷幕灌漿，防滲標準為滲透系數(shù)不大于5 Lu［4］，大壩橫剖面示意見圖1。 壩基開挖過程中出現(xiàn)異常氣體，受不良地質(zhì)、水文條件等因素的影響，試驗性灌漿處理達不到預期效果，因此展開研究分析，采取適宜的解決方案，使壩基防滲滿足工程安全要求。

圖1 大壩橫剖面示意

2 壩基異常氣體分析

2010 年4 月，大壩心墻基礎開挖接近建基面時，基坑右側(cè)偏上游部位（樁號0＋191—0＋236 m）有較重的臭雞蛋氣味，積水處有氣泡冒出，認為可能產(chǎn)生硫化氫氣體，壩軸線基巖鉆孔冒泡現(xiàn)象見圖2。

圖2 壩軸線基巖鉆孔冒泡現(xiàn)象

考慮到氣源采集難度大，取異常氣體逸出處的地下水進行分析，布置3 個鉆孔進行巖石成分分析，共取16 組水樣進行水化學試驗。 統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)地下水中硫化氫含量很高，參照《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》（GB 50046—2008）［5］，其含量明顯超標，對鋼筋混凝土和預應力混凝土產(chǎn)生強腐蝕性，對水泥砂漿和素混凝土產(chǎn)生弱腐蝕性。 鉆孔巖芯中有少量的次生黃鐵礦，其含硫酸鹽類物質(zhì)。 經(jīng)分析判斷，產(chǎn)生硫化氫的主要原因是大壩心墻基礎上游的煤層中含烴類物質(zhì)，地表含硫酸鹽還原菌，二者隨地下水的流動入滲到基巖內(nèi)，并與基巖中的硫酸鹽發(fā)生生物化學反應，從而產(chǎn)生硫化氫。 當壩基開挖后，上部覆蓋層被挖除，巖體裂隙張開，破壞了原來的密封保存條件，使硫化氫逸出。

3 壩基試驗性灌漿的質(zhì)量問題及原因分析

3.1 試驗性灌漿的質(zhì)量問題

2010 年進行壩基試驗性灌漿，大壩心墻基礎固結(jié)灌漿孔間排距均為3 m，采用潛孔鉆進行鉆孔，鉆孔深入基巖6 m，采用孔口封閉法進行灌漿，Ⅰ序孔的灌漿壓力為0.3 MPa，Ⅱ序孔的灌漿壓力為0.5 MPa。 固結(jié)灌漿過程中產(chǎn)生的主要質(zhì)量問題如下：鉆孔吃漿量大，沿上下游蓋板周邊出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象；混凝土蓋板發(fā)生抬動且開裂，沿裂縫冒水；固結(jié)灌漿檢查孔的個數(shù)占灌漿孔總數(shù)的比例取5%，灌漿孔內(nèi)所取巖芯較碎，有塌孔現(xiàn)象，未見明顯的水泥結(jié)石；基巖物探聲波測試發(fā)現(xiàn)，灌漿后的基巖波速沒有升高，反而降低。

大壩心墻基礎帷幕灌漿孔間排距均為2 m，孔深為42 m，帷幕灌漿設計為2 排，沿心墻軸線上下游各1 排。 灌漿壓力根據(jù)不同孔深確定，由0.3、0.5、0.8 MPa 逐漸增大到3.0 MPa，采用孔口封閉法自上向下灌漿。 帷幕灌漿過程中產(chǎn)生的主要質(zhì)量問題如下：鉆孔吃漿量大，上下游基坑排水溝內(nèi)的水變渾濁，顏色變綠，認為水中可能含有漿液和巖體裂隙內(nèi)的礦物成分；布置2 個灌漿孔進行檢查，巖芯多呈短柱狀，未見明顯的水泥結(jié)石及水泥漿液；灌漿后巖體的透水率普遍超過5 Lu，孔上段透水率甚至超過80 Lu，孔中段透水率為10～20 Lu，達不到設計要求。

3.2 原因分析

基巖巖性以弱風化凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖為主，X 型剪節(jié)理發(fā)育，將巖體切割成菱形塊體，呈碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)，大部分塊徑為5～10 cm，巖塊間緊密結(jié)合，間隙很小，灌漿顆粒性材料不易灌入，使基巖產(chǎn)生“吸水不吸漿”現(xiàn)象。

壩基地下水主要源自上游冰川融水補給，壩基地下水水溫的監(jiān)測結(jié)果表明，1 月壩基地下水水溫范圍為3～5 ℃，4—5 月水溫范圍為5 ～6 ℃，水溫整體較低。 低溫環(huán)境使水泥水化反應減慢，延長了灌漿漿液凝結(jié)時間，壩基硫化氫溶于水形成的氫硫酸以及地下水中的硫酸根離子對水泥漿液有腐蝕性，使其凝結(jié)質(zhì)量劣化。

壩址區(qū)地下水豐富，基坑內(nèi)有涌水，對基坑不斷進行抽水，加速了地下水流動。 試驗性灌漿過程中發(fā)生的混凝土蓋板抬動、開裂現(xiàn)象，原因是灌漿壓力偏大，造成巖體劈裂，使來不及凝結(jié)的漿液沿裂隙快速流走。

綜上，對造成試驗性灌漿失敗的原因總結(jié)如下：鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)的基巖巖體不利于吸收水泥漿液，入滲巖體的灌漿顆粒性材料偏少，低溫環(huán)境又延緩了這部分漿液凝結(jié)，含硫物質(zhì)加劇惡化了漿液的凝結(jié)質(zhì)量，巖體劈裂和基坑連續(xù)抽水加速地下水流動，使原本就少且未良好凝結(jié)的漿液快速流走，造成灌漿質(zhì)量較差。

4 帷幕灌漿措施研究

4.1 灌漿材料的選擇

為適應呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)基巖的地質(zhì)特征，針對大壩基巖地下水水溫低、流速快、溶有硫化氫和硫酸根離子等不利因素，開展相關(guān)試驗確定灌漿材料的類型和組分。

分別選取高抗硫酸鹽水泥、快硬硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥作為灌漿材料的組分進行試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，快硬硫鋁酸鹽水泥在5 ℃左右的低溫環(huán)境下，無須其他措施就可快速凝結(jié)，初凝時間約25 min，終凝時間小于180 min，凝結(jié)后強度長期穩(wěn)定，最適合壩基內(nèi)地下水低溫、流動、侵蝕介質(zhì)共存條件下的防滲處理。 此外，當灌注漿液的顆粒直徑小于巖體縫隙寬度的1／5 時，能夠有效填充裂隙，對于寬度大于0.2 mm的裂隙，水泥漿液具有可灌性；對于微細裂隙及隱裂隙，水泥漿液入滲困難，此情況下宜采用真溶液型漿液，其可灌性遠高于水泥漿液［6］。 因此，決定選用混合漿液和硅溶膠漿液作為灌漿材料。

兩種灌漿材料的組分分別如下：①混合漿液組分為快硬硫鋁酸鹽水泥、膨潤土、水，其中：快硬硫鋁酸鹽水泥等級為42.5，膨潤土符合《鉆井液材料規(guī)范》（GB／T 5005—2010）［7］，其摻入量為水泥用量的1／2。混合漿液采用4 級水固比，分別為10 ∶1、5 ∶1、3 ∶1、2 ∶1，灌漿時混合漿液按照由稀變濃的原則使用，在混合漿液中添加外加劑，提高漿液的流動性和可灌性。②硅溶膠漿液組分為無機組分真溶液，相對密度為1.05，黏度為1.5 MPa·s，固砂體強度為0.3～0.5 MPa，凝膠體安全無毒。

4.2 灌漿區(qū)分區(qū)

根據(jù)沿軸線地質(zhì)情況差異，對帷幕灌漿區(qū)進行分區(qū)，總體原則為地質(zhì)條件差的基巖更多地灌注硅溶膠漿液，反之則更多地灌注混合漿液。 灌漿孔設置為3排，灌漿分區(qū)見圖3，A 區(qū)的3 排灌漿孔均采用混合漿液；B 區(qū)上游排灌漿孔、下游排灌漿孔及中間排的Ⅰ、Ⅱ序孔灌注混合漿液，中間排的Ⅲ序孔灌注硅溶膠漿液；C 區(qū)的上游排灌漿孔、下游排灌漿孔灌注混合漿液，中間排灌漿孔灌注硅溶膠漿液。

圖3 壩基帷幕灌漿分區(qū)示意

4.3 灌漿質(zhì)量分析

因基巖為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，為減少對地層的擾動破壞，采用回轉(zhuǎn)鉆機造孔，孔徑為76 mm。 采用“自上而下、孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)”方式用混合漿液分段灌漿，采用“孔口封閉、純壓式”方式用硅溶膠漿液灌漿，混合漿液、硅溶膠漿液的最大灌漿壓力分別為2.0、1.0 MPa。

灌漿后共鉆23 個檢查孔進行壓水試驗，共測試246段，其中240 段的透水率小于5 Lu，其余6 段的最大透水率為6.9 Lu，滿足施工質(zhì)量規(guī)范要求［4］，并且壩軸線下游基坑大部分坑壁處于干燥狀態(tài)，僅局部有滲水。

5 其他配套處理措施

5.1 增設混凝土截滲槽

針對心墻基礎固結(jié)灌漿質(zhì)量不佳的情況，增設混凝土截滲槽以解決表層基巖滲流問題。 心墻建基面不變，將中間條帶混凝土蓋板拆除，并下挖基巖2.2～5.0 m 形成混凝土截滲槽，其呈倒梯形，回填混凝土，混凝土截滲槽頂部與原混凝土蓋板頂面齊平。 針對地下水含硫化物問題，回填混凝土采用C20F200W8 高抗硫酸鹽水泥混凝土，回填混凝土與基巖、蓋板之間均設橡膠止水帶。 回填混凝土每8 m設一條橫縫，縫中設垂直橡膠止水帶，且與上下游兩側(cè)混凝土蓋板止水相連，垂直橡膠止水帶伸入基巖0.3 m，縫中設兩層油毛氈。 大壩心墻基礎防滲處理橫剖面見圖4。

圖4 大壩心墻基礎防滲處理橫剖面

5.2 新加混凝土蓋板

新加混凝土蓋板厚0.5 m，其采用C20F200W6 高抗硫酸鹽水泥混凝土。 分縫位置與原蓋板相同，板塊尺寸為8 m×8 m，縫中設兩層油毛氈。 蓋板上下游縫中設垂直橡膠止水帶，與原蓋板的垂直橡膠止水帶連接。 把舊混凝土頂面鑿毛，鋪膠凝材料凈漿，再澆筑新混凝土。 對壩基硫化氫氣體逸出區(qū)域的蓋板進行澆筑之前，在建基面涂刷乳化瀝青，起隔離作用。

5.3 填筑反濾料

為保證大壩建基面的防滲安全，混凝土蓋板兩側(cè)基巖利用現(xiàn)有的上下游排水溝加深到1 ～2 m，底部寬度不小于1.5 m，填筑反濾料，碾壓密實，相對緊密度Dr≥0.85，以增強反濾作用。

6 運行期壩基滲流監(jiān)測分析

在壩基設置3 個斷面監(jiān)測其滲流情況，在各監(jiān)測斷面的帷幕前后基巖內(nèi)各埋設1 支滲壓計［8］，帷幕前滲壓計為P1，帷幕后滲壓計為P2。 水庫建設及蓄水運行前3 a 典型斷面的帷幕前后基巖的全水頭過程線見圖5，此后水庫蓄水運行6 a 的規(guī)律與此類似，水庫蓄水運行近9 a 的滲流監(jiān)測結(jié)果表明，帷幕前基巖的水頭與庫水位變化趨勢基本一致，帷幕后基巖的水頭相對穩(wěn)定，與庫水位的相關(guān)性不明顯。

圖5 典型斷面的帷幕前后基巖的全水頭過程線

當庫水位較高（為1 970.00 m）時，統(tǒng)計監(jiān)測結(jié)果可知，帷幕前基巖的壓力水頭（為102.49 m）略小于庫盆表面的壓力水頭（為110.00 m），帷幕后基巖的壓力水頭（為60.17 m）明顯小于帷幕前基巖的壓力水頭，其減小了約41.3%，以上監(jiān)測值符合心墻土石壩的滲流場規(guī)律［9］。

在工程設計階段采用三維有限元法進行滲流場分析，在帷幕滲透系數(shù)取1.0×10-5cm／s 的條件下，可保障壩基安全，計算得出與庫水位1 970.00 m 相近條件下的滲流場全水頭分布情況。 有限元計算的帷幕前、帷幕后基巖的全水頭分別為1 958.00、1 933.00 m，其與滲壓計監(jiān)測的帷幕前、帷幕后基巖的全水頭（分別為1 961.49、1 919.17 m）對比可知，帷幕前基巖的全水頭有限元計算值與監(jiān)測值接近，帷幕后基巖的全水頭有限元計算值明顯大于觀測值。 這說明水頭降低的實際幅度比有限元計算預期的降低幅度大，壩基處理措施實際發(fā)揮的作用超出三維滲流計算的預期，地下水滲流狀況正常、穩(wěn)定，滿足工程安全要求。

7 結(jié) 論

大西溝水庫大壩基巖開挖期出現(xiàn)硫化氫異常氣體，其由上游煤層中的烴、地表硫酸鹽還原菌隨水下滲至基巖后，與基巖內(nèi)硫酸鹽反應生成，該氣體含量超標，對壩基鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有強腐蝕性、對水泥砂漿有弱腐蝕性。 造成壩基試驗性灌漿失敗的主要原因是鑲嵌碎裂基巖不利于吸收漿液，低水溫環(huán)境延緩了漿液凝結(jié)，地下水中的硫化物加劇惡化了漿液凝結(jié)質(zhì)量，巖體劈裂和基坑連續(xù)抽水加速了地下水流動，使未良好凝結(jié)的漿液快速流走。

針對壩基鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)巖體，應對基巖水溫低、含硫、滲流快等不利條件，帷幕灌漿選用混合漿液和硅溶膠漿液，依據(jù)壩基沿線的地質(zhì)差異采取不同的灌漿材料組合。 為防止鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)巖體擾動和劈裂，采用回轉(zhuǎn)鉆機造孔，控制灌漿壓力不超過2 MPa，同時通過增設混凝土截滲槽、新加混凝土蓋板、填筑反濾料等措施，解決表層基巖質(zhì)量不佳可能導致的滲流問題。 大西溝水庫蓄水運行多年的連續(xù)滲流監(jiān)測結(jié)果表明，壩基處理措施發(fā)揮的作用良好，地下水滲流狀況正常、穩(wěn)定，滿足工程安全要求。