某水库新建混合型大坝坝基防渗帷幕施工设计及试验

杜 相

(中国水利水电第十工程局有限公司，成都 610032)

1 工程背景

某水库是一座以防洪和供水为主要功能，兼具农田灌溉、旅游、养殖等多种功能为一体的小(Ⅰ)型水利工程，设计库容为4 500×104m3，工程建成后不仅可以使下游67.8 km2范围内的防洪标准由20年一遇提高至100年一遇，还可以为周边地区提供2 000×104m3的工业和灌溉用水。水库大坝为混合坝型设计，其中混凝土坝段长42.95 m，土坝段长326.62 m，新建水库大坝长369.57 m，坝顶高程为50.3 m。

2 坝基防渗帷幕设计

水库新建大坝坝址的地质构造比较简单，没有明显的断层，仅在坝址砂岩中存在X状分布的两组剪切节理。坝址区地下水比较丰富，上层滞水主要受降水补给，水量的季节变化较大，孔隙潜水主要分布在河道两岸的砂砾石层中，高程与河流水位基本一致；承压水分布在深层裂隙中，为远距离补给，没有排水通道。根据工程设计阶段的地质调查资料，坝基表面的覆盖层主要是沙壤土与堆积的砂砾石。构成河谷基底的为白垩纪砂岩和砾岩，岩体表面风化比较严重，其中表层的强风化带厚度为6.5～8.5 m，下部的弱风化岩体厚度为18～20 m左右。根据压水试验结果计算，坝基部位的年渗漏总量可达58.6×104m3，并主要集中于上部的漫滩以及阶地砂卵石部位。因此，施工中需要清除上层的沙壤土，并对坝基进行防渗帷幕处理，设计灌浆线与坝轴线重合，主河床的灌浆长度为265.5 m，防渗帷幕的深度设计为基岩面以下18～20 m[1]。

3 试验过程

3.1 选择试验渠段

关于帷幕灌浆的参数，目前并没有成熟的理论以及可以应用于工程实际的数学计算方法[2]。原因是影响灌浆质量的因素较多且不易掌握，而每个影响因素的变化，均可能对灌浆质量造成显著的影响。因此，要确定合理的帷幕灌浆参数，进行现场试验是必不可少的[3]。基于此，研究选择桩号坝 0+125～0+145的坝基结合槽部位进行帷幕灌浆现场试验，试验段总长度为20 m。帷幕灌浆的试验孔为两排设计，分别位于灌浆轴线的两侧且与轴线等距，并按照3个次序进行注浆试验[4]，具体的布设示意图见图1。

图1 试验孔位布置示意图

3.2 灌浆工艺与材料

本次现场试验采用的是灌浆孔口封闭，自上而下分段循环灌浆的方式进行[5]。同时，由于试验段长度较短，试验施工区十分集中，因此所有的灌浆设备、材料以及试验设备均安排在距离施工地点10 m的平台上。灌浆工艺按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL62-2014)要求，并结合试验现场的实际设计，具体的流程图见图2。

图2 灌浆工艺流程示意图

3.2.1 钻 孔

放线确定试验孔孔位之后，搭建排架固定钻机进行钻孔，在钻机安装时确保牢固平稳和主轴方向竖直，钻孔的直径为75 mm，孔距误差控制在10 cm以内，孔底偏差值控制在25 cm以内。钻孔的施工顺序按照I 序孔、Ⅱ序孔和Ⅲ序孔顺序进行。

3.2.2 钻孔冲洗与压水试验

现场试验过程中，裂隙冲洗与固结灌浆的压水试验同时进行，压力值设定为灌浆压力值的80%[6]。灌浆前需要对裂隙进行冲洗，标准为回水干净无杂质。压水采用单点法自上而下进行，对遇水性能恶化的地层则不进行压水。

3.2.3 灌浆材料与设备

灌浆试验用水泥为亚泰建材生产的坚霸牌42.5普通硅酸盐水泥，经实验室检验，该水泥的物理力学性能完全满足相关要求；灌浆试验用水为大坝上游无污染的地表水；灌浆采用的是纯水泥浆液，其浓度和开灌水灰比按照相关规范要求执行。灌浆试验采用的是最大压力7 MPa、排量为200 L/min的GK-200 型灌浆泵；压力表安装在灌浆口进浆部位并在使用前标定，适应GK-312型灌浆自动记录仪对灌浆参数进行记录，保证获得真实的灌浆参数信息；灌浆塞采用的是直径75 mm的挤压式灌浆塞。

3.2.4 灌浆方法

现场试验的帷幕灌浆采取自上而下分段灌浆的方法。其中，混凝土和坝基基岩接触段的灌浆段长为2.0 m，其余部位的灌浆段段长为5.0 m。前5段的注浆压力分别为0.4，0.8，1.2，1.6和2.0 MPa，以下各段的灌浆压力均采用2.0 MPa。在注浆过程中，接触段应该单独灌注并待凝不少于24 h，其余各段不需要待凝。此外，先导孔的各个孔段在压水试验完毕后应该及时进行灌浆。

3.2.5 浆液变换

灌浆试验采用循环灌浆模式，灌浆的浆液浓度也应该适时逐级变换，其基本原则如下：当单孔注浆量大于等于30 L/min时，考虑越级变换浓浆液；在灌浆压力不变的情况下，浆液的注入率不断减少或注入率不变的情况下注浆压力不断升高时，应保持浆液级别不变；当灌浆实践达到30 min或注浆量达到300 L时，如果注浆压力和注入量没有明显变化，应该将浆液的浓度提高一级继续注浆。

3.2.6 结束灌浆及封孔

当灌浆孔的注入率低于0.4 L/min或者在2.0 MPa的注浆压力下灌注30 min后结束灌浆[7]。达到灌浆结束标准后结束灌浆并封孔，在全部灌浆结束后要进行验收，然后进行封堵。

4 试验结果分析

在灌浆之前对各个试验孔进行压水试验，基于原始透水能力和各序列孔的单位吸水量的分析，对坝基的防渗能力进行评价[8]。压水试验结果见图3。

图3 压水试验结果

由图3可知，在I次序孔中，有30%注浆段的单位吸水量大于10 L/MPa·m·min；有10%注浆段的单位吸水量大于1 L/MPa·m·min；其余注浆段的单位吸水量均大于0.1L/MPa·m·min。在III次序孔中，所有注浆段的单位吸水量均小于1L/MPa·m·min。可见，单位吸水量会随着灌浆次序的增加而降低，这说明注浆效果相对较好。同时，在灌浆试验结束之后，再次进行压水试验。结果显示，仅有一个注浆段的单位吸水量大于2.5 L/MPa·m·min，其余各个试验段的单位吸水量均小于1 L/MPa·m·min。由此可见，在注浆之后，所有的单位均满足小于3 L/MPa·m·min的单位吸水量要求。对灌浆孔进行钻芯检验，结果显示岩层裂隙内充满了水泥浆填充物，显示注浆效果良好。

根据注浆孔间距为1.5,2.0和2.5 m共3种不同试验工况下的注浆后检查孔压水试验结果，注浆孔间距为1.5 m时，各段的透水率均在5 Lu以下，达到设计要求。注浆孔间距为2.0 m时，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，不满足设计要求；注浆孔间距为2.5 m时，后2段透水率在5 Lu以下，而前6段的透水率均大于5 Lu，不满足设计要求。因此，注浆孔的间距应该设定为1.5 m。

5 结论与建议

本次研究针对某水库新建大坝坝基帷幕灌浆施工，利用现场试验的方法对灌浆施工工艺和参数进行研究。结果显示，单点压水试验方法和自下而上的分段灌浆工艺是合适的，可以满足大坝坝基的防渗设计要求。同时，本次现场试验的结果可以对本工程以及具有相似地质特征的类似工程施工提供借鉴。根据试验成果，对该水库新建大坝坝基帷幕灌浆施工提出如下建议：

1) 根据现场试验成果，同时考虑施工的经济性要求，建议采用1.5 m的灌浆孔间距。

2) 在灌浆深度方面，可以深入透水率小于5 Lu后再钻进一段终孔。

3) 建议采取自下而上的分段灌浆方式，混凝土和坝基基岩接触段的灌浆段长为2.0 m，其余部位的灌浆段段长为5.0 m。前5段的注浆压力分别为0.4，0.8，1.2，1.6和2.0 MPa，以下各段的灌浆压力均采用2.0 MPa。