高壓噴射灌漿在土石壩除險加固工程中的應用

王羽

（廣西壯族自治區河池水利電力勘測設計研究院，廣西河池 547000）

1 工程概況

南川水庫位于環江毛南族自治縣下南鄉下南社區境內，地處上忙地下河的上游源頭新川河河段，地理位置坐標東徑108°19′，北緯24°46′，壩首距縣城70km，距下南鄉政府1.2km。水庫1957 年開始施工，至1958 年春筑壩高8m，建成蓄水。1959 年與1964 年又分別進行加高，其中1959 年時在1958 年壩高的基礎上加高2m，1974 年時又在壩下游壩面加厚2m，在原壩頂加高2m。1998 年底至1999 年初，破壩重建1＃副壩放水管，干砌內坡，外坡種草。2006 年初干砌2＃副壩內坡。2007 年7 月，主壩右壩腳出現管涌，內坡沉陷，當時用沙袋堆壓搶險，同年12 月在主壩內坡設混凝土面板防護，面板底部設有截水墻。2007 年2 月對溢洪道底板及邊墻進行加固，出口修建排洪渠，防止排洪沖跨農田。2010 年除險加固，主要是對主壩進行壩基帷幕灌漿加固、新建防汛公路，新建壩頂公路，新建管理房等。水庫壩址以上集雨面積5.51km2（包括上納引洪渠4.8km2，由于水庫積雨面積小，歷年很少蓄滿水，1963 年冬將上納引洪渠修通后才形成現狀蓄水面貌），原設計總庫容144×104m3，本次除險加固水文復核為139×104m3，是一座以灌溉為主的小（1）型水利工程。水庫死水位為368.13m，正常蓄水位為378.80m，設計洪水位為379.41m，校核洪水位為379.63m，死庫容為6×104m3，興利庫容為120×104m3，總庫容為139×104m3。南川水庫樞紐主要由大壩（1 座主壩、3 座副壩）、溢洪道、輸水設施（主壩輸水設施、1#副壩輸水設施）、引洪（水）渠（上納引洪渠、貴南高鐵引水渠）等建筑物組成。

2 主壩存在問題

主壩壩體填筑質量較差，壩體破壩回填結合部碾壓質量差，壓實度平均值為90.91%，壓實度不滿足規范要求。壩體在多次加固填筑過程中，填料性質各異，對壩體防滲不利。現場注水試驗成果表明，劈裂灌漿心墻填筑土滲透系數為3.5×10-4～13.0×10-4cm/s，平均值為7.25×10-4cm/s，屬中等透水性；下游壩坡填筑土滲透系數為7.40×10-4～7.50×10-4cm/s，平均值為7.45×10-4cm/s，屬中等透水性，滲透性不滿足規范要求，壩體浸潤線偏高，不利于壩坡穩定[1]。現場檢查發現，庫水位在高程378.51m 時，主壩下游排水棱體頂部以上存在3 處面積較大的散浸帶，總面積約263m2。

3 壩體防滲加固方案比選

南川水庫主壩最大壩高為14.0m，最大壩高均不超過15m，主要的防滲處理在壩身，主壩壩體防滲加固方案比選用工程中常見的高壓旋噴灌漿和混凝土防滲墻兩種型式。

3.1 高壓旋噴灌漿方案（方案1）

該方案沿壩軸線進行高壓旋噴灌漿，并向左岸山體延伸11m，右岸壩肩上游延伸13m，旋噴孔穿過壩基覆蓋層，并嵌入基巖1m。高壓旋噴灌漿軸線長168m，最大孔深15m，采用單排孔布置，孔距0.8m，抗滲等級W6，允許比降[J]=60～80。為保證壩下輸水涵管周邊的防滲效果，在旋噴灌漿軸線與壩下輸水涵管的交匯處，沿壩下輸水涵管兩側布置3 排充填灌漿孔，每排2 個孔，排距2m，中間排布置在旋噴灌漿軸線上。充填灌漿范圍為涵管頂以上5m，涵管底以下5m[2]。

3.2 混凝土防滲墻方案（方案2）

沿壩軸線增設混凝土防滲墻，防滲墻穿過壩基覆蓋層，并嵌入基巖1m。混凝土防滲墻軸線長168m，最大墻深15m，混凝土防滲墻厚0.6m，抗滲等級W6，允許比降[J]=60～80。考慮到混凝土防滲墻施工成槽影響，壩下輸水涵管周邊與混凝土防滲墻結合部難以施工并封閉，對該部位壩體采取充填灌漿處理。

方案1（高壓旋噴灌漿）優點是施工速度較快，缺點是施工質量難以控制，黏土中旋噴灌漿防滲效果、耐久性和可靠性較混凝土防滲墻稍差。方案1 投資為338.67 萬元。

方案2（混凝土防滲墻）優點是防滲加固較徹底，防滲可靠性較高，缺點是施工程序相對復雜，成槽過程中對壩體及基攏動大，施工機械對施工場地要求高，施工速度慢，施工時間較長。方案2 投資為459.77 萬元。

混凝土防滲墻方案的工程直接投資比高壓旋噴灌漿方案多121.10 萬元，經綜合比選，本次除險加固設計采用方案1（高壓旋噴灌漿）為推薦方案[3]。

4 壩體防滲加固方案設計

根據《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》（DL/T 5200—2019）相關規定，封閉式高噴防滲墻的鉆孔宜深入基巖或相對不透水層0.5～2.0m。本次水庫除險加固灌漿應把庫水位放至死水位或盡可能在水庫低水位期進行，確保灌漿質量。校核洪水位以上只鉆孔不灌漿[4]。

依據本工程壩址區的地質條件情況，壩體灌漿軸線與壩軸線重合。高壓旋噴灌漿采用單排套接布孔形式，孔距0.8m，灌漿頂高程379.63m，底部深入基巖1m。高壓噴射灌漿應按分序加密的原則進行，灌漿分2 序進行，Ⅰ、Ⅱ序灌漿孔間距均為1.6m。先進行第Ⅰ序孔的鉆灌，第Ⅰ序孔鉆灌結束后，進行第Ⅱ序孔的鉆灌。相鄰孔的作業間隔不小于24h。

4.1 主壩壩體防滲加固設計

主壩高壓旋噴灌漿中心線沿壩軸線布置，并向左岸山體延伸11m，右岸壩肩上游延伸13m，旋噴孔穿過壩基覆蓋層，并嵌入基巖1m。高壓旋噴灌漿軸線長168m（樁號主壩0-011—0+157），最大孔深15m，采用單排孔布置，孔距0.8m。土層鉆孔進尺共2738m，基巖鉆灌漿孔進尺共224m，高壓旋噴灌漿總進尺2693m。設置檢查孔以檢查灌漿質量，每個單元工程布置1 個檢查孔，檢查孔布置在墻體中心線上，鉆孔自上而下分段進行，采取芯樣和采用靜水頭進行壓水試驗。檢查孔鉆土層孔進尺共274m，鉆基巖孔進尺共22m，檢查孔灌漿共247m。

防滲墻厚度按《水工建筑物地基處理設計規范》（SL/T 792—2020）的式6.2.4 進行計算：

式中：T——防滲墻設計厚度，m；H——作用于防滲墻的最大設計水頭，m；J——防滲墻允許滲透比降，根據混凝土、黏土混凝土、塑性混凝土、固化灰漿、自凝灰漿等墻體材料不同，取20～100，普通黏土混凝土取J=60～80。

經計算，高噴防滲墻墻體最大作用水頭約為14.35m，取[J]=60，墻厚T＝23.92cm，為保證防滲墻的施工質量，考慮施工、地質條件等因素，參考類似工程經驗，高噴防滲墻中間搭接部位厚度取60cm。主壩高壓旋噴灌漿橫剖面如圖1 所示。

圖1 主壩高壓旋噴灌漿橫剖面

4.2 高壓噴射灌漿參數的選定

在現場高壓噴射灌漿作業開始前，應選擇地質條件具有代表性的區段，并按選定的配合比進行高壓噴射灌漿的板墻成墻工藝試驗，以選定孔距以及噴射流量、壓力、擺速和提升速度等工藝參數[5]。本次設計高壓旋噴灌漿施工參數如表1 所示。

表1 高壓旋噴灌漿參數建議值

5 壩體防滲加固前滲流安全復核

選取河床段最大壩高斷面作為大壩滲流分析典型剖面，對主壩加固前滲流安全進行復核，穩定滲流計算采用北京理正軟件設計研究所開發的“邊坡穩定分析”設計軟件進行計算。

穩定滲流滲透有限元分析基本方程：

式中：[K]——透水系數矩陣；{H}——總水頭向量；[M]——單元儲水量矩陣；t——時間；{Q}——流量向量。

根據南川水庫地勘報告，主壩壩體填土細粒含量P為92.06%，土粒比重Gs 為2.60，主壩土體空隙比分別為e=0.925。

按《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487—2008）附錄G.0.6 及G.0.7 的規定，按式G.0.6-1 除以安全系數確定允許水力比降。

式中：J允許——滲透允許坡降；γs——土粒容重；γ——水的容重；n——土的孔隙率；k——安全系數，范圍為1.5～2，取值為2。

經計算，主壩及副壩土體的允許坡降J允許為0.415。

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189—2013）第8.1.2 條的有關規定，滲流計算考慮水庫運行中出現的各種不利水位組合，通過理正軟件計算成果如表2 所示。

表2 加固前大壩滲流計算成果

由表2 計算成果可知，主壩在正常運用條件正常蓄水位、設計水位及非常運用條件Ⅰ校核洪水位情況運行時，浸潤線從下游壩面逸出，滲流出逸點高于反濾排水棱體頂部高程，主壩滲流穩定不滿足規范要求。

6 壩體防滲加固后滲流安全計算

經對主壩壩體進行防滲加固處理，重新對主壩、1#副壩和2#副壩進行滲流安全計算，計算結果如表3所示。

表3 加固后大壩滲流計算成果

由表3 計算成果可知，主壩在各種計算工況下，壩體計算的最大滲透坡降均分別小于允許坡降0.415，壩體的局部滲透是穩定的。主壩壩體防滲加固后，主壩壩體滲流量有所減低。以上計算成果表明主壩采用高壓旋噴灌漿防滲加固，能有效地降低了下游壩體浸潤線，壩體滲流量有所減低，主壩及副壩在加固后滲流穩定均滿足規范要求[6]。

本工程在后續施工過程中對主壩灌漿后的旋噴樁成樁情況進行開挖測量，旋噴樁搭接厚度均滿足設計要求，灌漿實施后經歷汛期的檢驗，未發現壩后出現滲漏情況。證明本設計實踐效果良好，可以為同類型土石壩防滲加固設計提供參考。

7 結語

本文主要介紹了在小型土石壩除險加固中如何利用高壓噴射灌漿對土石壩壩體及接觸帶滲漏問題進行防滲處理，本次設計是采用三管法的高噴灌漿參數進行設計，根據本工程施工經驗，高壓旋噴灌漿設計孔距取0.8m 時，形成的高噴防滲墻搭接效果較好，經處理后的土石壩滲流情況控制比較理想。該工程經驗為其他類似除險加固工程提供參考。