绕坝渗漏—粘土固化剂防渗灌浆设计与施工

陈 灿

（永州市水利水电勘测设计院，湖南 永州 425000）

1 引言

金钩挂水库位于金钩村境内的冷水河上，于2014年动工兴建，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、村镇供水等综合利用的水利工程。水库正常水位261.38 m，总库容988.60 m3。大坝、溢洪道及放水设施等共同组成水库枢纽工程。水库大坝为粘土均质坝，坝顶轴线长178.00 m，最大坝高38.60 m，坝顶高程264.60 m。

坝址河谷地形为 “U”型，冷水河由NE流向SW，两岸山体厚实对称，河床中基岩基本上裸露。坝区地层主要为白垩系下统地层，岩性为中厚层浅灰色、紫红色砾岩、砂砾岩，夹有粉质页岩、粉砂岩，局部为泥质胶结、钙质胶结。砂砾岩，砾石多为灰岩，粒径2～4 cm，约占30%左右，分布于整个坝址区。

坝区地表由于覆盖层较厚，基岩地层年代较新，地表地质调查未发现大的断裂构造。松散堆积层孔隙潜水、基岩裂隙水为其地下水主要类型，水文地质条件简单。

基础处理。在坝顶轴线设置截水槽，其断面形式采用梯形，槽深1.5～3m，槽底宽3～6m，边坡为1∶1。同时，对基岩进行帷幕灌浆防渗，帷幕灌浆孔沿截水槽轴线布置一排，溶洞处另增设一排，帷幕孔距、排距均为2 m，帷幕深入基岩深度按透水率10 Lu值控制。考虑两岸覆盖层较厚，其渗透系数不大于1×10-4cm/s，为节约工程投资，施工时未对两岸残坡积覆盖层进行防渗灌浆处理。

水库运行过程中，当库水位高于245.00 m高程时，大坝右岸下游侧与山体接合部位有少量渗水及坡面散浸现象，且渗水量、坡面散浸面积随库水位的上升而增大。经实地踏勘，结合地质、施工、检测、监理及现场调查等资料对比分析，确认大坝渗漏属绕坝渗漏，坝肩残坡积覆盖层存在渗漏通道。

2 防渗处理方案

2.1 渗漏原因

根据地质勘察成果，坝址区地层岩性主要为白垩系下统地层中厚层砂砾岩、砾岩，夹粉质页岩、粉砂岩，砾岩属泥质、钙质胶结，其水溶性大，在地下水作用下，易溶蚀，岩石中溶蚀、溶沟发育。基岩上部残坡积覆盖层本身也是由砾岩经过水的侵蚀、风化慢慢形成的，溶沟、溶槽同样发育，因此，右坝肩山坡残坡积覆盖层中存在渗漏通道，是形成绕坝渗漏的主要原因。

2.2 防渗处理方案比选

针对水库大坝右坝肩存在的绕坝渗漏问题，选取了套井冲抓回填、水泥灌浆、粘土固化剂浆液灌浆3个防渗方案进行比选，比选过程如下。

方案1：套井冲抓回填。根据大坝坝基开挖施工后的地质资料得知，因砾岩溶蚀严重，坝基开挖后，发现坝基基岩面凹凸不平，呈山峰状。因岩性相同，由此可以推断，右坝肩基岩面也一样呈山峰状凹凸不平，若采用套井冲抓回填防渗，则冲抓非常困难，不但施工质量没有保障，而且施工工期长。同时，冲抓回填施工受冲抓深度、水位、天气、施工场地制约。粘土需要量大，对粘土质量要求高，需占用耕地，取土困难，成本大。

方案2：水泥灌浆。浆液以水泥为主，水泥用量大，成本高。需要经过先导孔试验，才能确定灌浆深度、灌浆压力、灌浆浓度等，试验期长，工期长。水泥与粘土不相容，水泥浆夜对地表水、地下水的污染较大，不环保。

方案3：粘土固化剂浆液灌浆。浆液材料以粘土为主，固化剂和水泥为辅。浆液无毒、易清洗，水泥消耗量小，成本低，对环境土壤、地表水和地下水的水质无污染。粘土固化剂浆液不析水、可泵性、稳定性好，凝结时间可控。结石体强度高，抗渗、抗侵蚀、抗震能力强。施工方便，受场地、气候等方面的影响较少。

经比选，方案3较优，施工简单方便，水泥用量小，防渗效果佳，灌浆成本低。既达到了防渗的目的，又节约了资源，保护了环境，选择方案3作为推荐方案。

3 灌浆设计

3.1 钻孔布置

根据水库大坝渗漏部位、渗漏流量大小、坝肩地质条件、浆液扩散半径、防渗帷幕厚度等因素确定钻孔布置。在右坝段至右岸山体间共布置3排帷幕灌浆孔，其中中间排孔沿坝顶轴线位置布置，在距坝轴线1.0 m处的上游侧和上游侧，分别布置上游排孔和下游一排孔，两排灌浆孔轴线均与坝轴线平行。灌浆孔孔距1.5 m，排距1.0 m，钻孔呈梅花形布置，灌浆孔浆液扩散半径不小于0.80 m。灌浆范围为桩号H0+000～H0+124，详见坝肩灌浆平面布置图（图1）和坝肩固化灌浆剖面图（图2）。

图1 坝肩灌浆平面布置图

图2 坝肩固化灌浆剖面图

3.2 帷幕厚度

根据SL 274-2001《碾压式土石坝设计规范》，灌浆帷幕厚度T按公式T=H/J计算，式中:H为最大设计水头（m），通过渗流分析计算确定；J为帷幕允许渗透坡降，其取值为：水泥粘土，可取3～4；粘土为6～8。

由渗流分析计算可得本例最大设计水头H=14 m，灌浆材料为粘土固化剂浆液，借鉴同类工程经验取值，取J=7，代入公式得帷幕厚度不小于2 m。

3.3 帷幕深度

本工程为小㈠型，最大坝高38.60 m，属中坝，灌浆深度按透水率10 Lu值控制。考虑坝肩基岩部分已做帷幕灌浆防渗处理，本次绕坝渗流灌浆设计仅对基岩上部未灌浆部位（即残坡积覆盖层）采取防渗灌浆措施。由大坝地质剖面图和渗透剖面图，确定灌浆深度为坝顶或地面至坝肩基岩面间的进尺，其最大进尺或最大钻孔深度为44.7 m。粘土固化剂灌浆孔应深入原帷幕灌浆线内，搭接长度不小于1.0 m，详见坝肩固化灌浆剖面图（图2）。

3.4 灌浆压力

坝肩所灌浆部位为第四系覆盖层残坡积土，为避免因灌浆压力过大而导致土体产生劈裂破坏，土体灌浆初始压力控制在0.1～0.2 MPa之间，并随着灌浆孔的增深，由上到下，灌浆深度每增深5 m，灌浆压力按0.05 MPa递增控制。当然，如果灌浆压力太小，同样会影响灌浆质量。注浆压力太小，则浆液扩散半径不够，结合部位的帷幕厚度不满足设计厚度的要求，不仅会降低防渗效果，严重的甚至会导致防渗失效。为防止出现此种情况，灌浆前，可在现场进行先导孔注浆试验，根据先导孔试验成果，来确定合理的灌浆压力。

3.5 灌浆材料

3.5.1 粘土固化剂

粘土固化剂为粉沫状固体，呈灰白色，无毒无味，由多种天然矿物材料通过高温活化处理，经研磨、混配、拌合而成。密度2.8 g/cm3～3.15 g/cm3，细度0.08 mm，筛余量小于或等于8%，含水率控制在2%内，比表面积不小于500 m2/kg。

3.5.2 粘土固化剂浆液

粘土固化剂浆液是由粘土、水泥、粘土固化剂三种材料加水，按一定重量百分比混合拌制而成，与水泥浆液、水泥粘土浆液、化学浆液等传统浆液相比，拥有下列不可替代的优点。

（1）浆液无析水性，灌浆范围内的地层空隙基本上能全部充满。粘土固化剂浆液是一种具有良好的流动性、稳定性、可灌性、保水性、粘聚性等性能的混合型浆液，颗粒浆材均匀、稳定地分布于浆液中，浆液既难分层离析，也难泌水逸出。当水料比小于2∶1时，浆液的析水率均小于5%，浆液中没有多余的水分逸出，经过灌浆处理后的地层，很难留下未被充填的空隙。

（2）容易控制浆液的初凝和胶凝时间。通过调节浆液配制参数（浆液的水料比、粘土固化剂的用量），来实现对粘土固化剂浆液的初凝时间和凝胶时间的控制，保障浆液在注浆管内输送和在地层中达到设计扩散半径所需要的时间。控制精度在几十秒至几小时之间。

（3）粘土固化浆液胶凝后体积膨胀明显，水中抗软化性能好，形成的结石体抗渗性能好，渗透系数可达到1×10-9cm/s。

（4）粘土为粘土固化剂浆液的主要材料，重量比占80%以上，价格低廉，就地取材方便。既可节约材料的购买成本，又能降低材料的运输费用。

（5）粘土固化浆液灌浆非常环保，对周边环境的影响很少，不会对地表水和地下水水质及环境土壤、空气等造成污染。

3.5.3 粘土固化剂浆液配置

工程注浆采用的粘土固化浆液由粘土、水泥、粘土固化剂三种材料加水混合拌制而成，其浆液材料配置方案见表1。

表1 粘土固化剂浆液材料配置方案表

水泥：采用标号32.5或42.5普通硅酸盐水泥。

粘土：土料要干净，不得含树根、杂草、腐蚀土等杂物。土粒为黏粒，砂粒含量小。就地取土，可挖取天然粘土、粉质粘土、红粘土、黄土及膨润土等。或购买商业粘土。

水：配制浆液用水可直接使用生活饮用水、灌溉用水或未受无化学污染的河水、泉水、井水及溪水等。

本工程灌浆浆液材料配比方案为：水泥20%，采用42.5普通硅酸盐水泥。粘土固化剂用量取水泥用量的15%。根据土工试验成果，土料场粘粒含量为35%，含砂量0.2%，渗透系数K=2.53x 10-6cm/s，储量3万m3，击实试验后土的最大干密度为1. 62 g/ cm3，满足设计要求，粘土就地挖取，重量比80%。水料比采用1.5∶1.0。

4 施工工艺

4.1 施工顺序

灌浆采用自上而下分段注浆法施工，按照先周边孔，后中间孔，分序逐渐加密的原则进行。本程灌浆施工顺序为：先灌注坝轴线下游侧排孔，后灌注坝轴线上游侧排孔，最后进行中间排孔的灌浆。每排孔分序、分段施工，其中上、下游侧两排孔按三序孔施工，中间排孔可按二序孔或三序孔施灌。灌浆工艺流程图见图3：

图3 灌浆工艺流程图

4.2 施工及测量设备

为满足粘土固化剂浆液灌浆施工要求，需要购置相应的施工设备和测量设备。有关设备配置情况分别见表2和表3。

表2 施工主要设备配置表

表3 测量主要设备配置表

4.3 制浆

利用当地天然粘土料制浆，可以按下列步骤进行：

（1）准备容积2～4 m3粘土粗浆池，浆池可购买同容积的容器，也可在施工现场混凝土浇筑、砌体砌筑或开挖而成。

（2）将合格的水和粘土按适当比例同时输入粉碎机，利用粉碎机制成粘土粗浆，并导入粗浆池。

（3）利用粗浆池析出粗浆中多余水，析水后，要求池中粗浆水料比不大于0.8∶1的。

（4）通过泥浆泵将粗浆池中的粘土粗浆送到高速搅拌桶中，高速搅拌约2 min后，用量杯取一杯，分别测定粗浆中土和水的含量。根据前面测定成果、粘土固化剂浆液水料比及灌浆段浆液配比，计算、量取所需水量，将其加入粘土粗浆中，搅拌2 min左右，粘土原浆制浆完成。

（5）根据粘土固化剂浆液设计配比要求，计算水泥和固化剂的各自用量，将它们混合在一起拌合均匀后，全部投入粘土原浆中，再经过7～10 min的高速搅拌，粘土固化剂浆液的配制过程结束。

（6）最后一步，对已配制好的粘土固化剂浆液进行过筛处理，筛去浆中杂物和粗颗粒，并将过筛后的浆液直接输送到高速搅拌桶中搅拌，搅拌时间7～10 min后，储存，待灌。

4.4 注意事项

（1）储存期超过3个月、过期和受潮结块的水泥禁止使用。

（2）不得使用质量不合格的粘土。就地开挖取土，粘土料要求干净、含砂量小，小于0.055 mm的黏粒粒径含量应大于25%，塑性指数大于或等于15。

（3）钻孔：定位要精准，与设计孔位的位置偏差不得大于0.10 m，孔深不小于设计孔深。孔底偏差不大于规范允许值：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。实际孔位、孔深要有记录。

（4）粘土固化剂浆液水料比常设置2∶1、1.5∶1、1.2∶1、1∶1四档，一般根据地质情况、灌注对象、灌注阶段按表4拟定水料比。

表4 粘土固化剂浆液水料比取值表

（5）防止劈裂破坏，灌浆压力控制是关键。灌浆压力偏小，浆液扩散半径偏小，形成的防渗帷幕厚度小于设计墙厚，达不到灌浆效果。灌浆压力偏大，易造成劈裂破坏。因此，在灌浆施工过程中，如发现注浆压力或注浆率异常增大，应立即暂停灌注施工，寻找原因，及时采取相应的处理措施。

（6）做好准备工作，特别是提前降低库水位。考虑坝坡抗滑稳定安全，库水位降低需要一个过程，库水位降落应尽量避免骤降情况出现，可根据水库泄流能力和施工进度计划，合理确定水库提前放水时间。

5 结束语

作为新一代灌浆材料，粘土固化剂浆液与水泥粘土浆液、水泥浆液、化学浆液等传统材料浆液相比，技术性能优势明显：浆液无析水性，流动性、初始

（4）定子安装高程调整时，可以用钢卷尺或用钢管自制一根测量杆，直接测量定子法兰面到支持盖水导轴承安装面的高差H，作为定子的控制尺寸。高差H计算：

H=定子上法兰面高程-水轮机水导安装面高程=20.364-14.965=5.399 m

4 结语

在立式机组安装和检修工程中，要避免常见的3种情况：一是机械地按照设计图纸标注高程不加复核的施工；二是认为定、转子铁心叠片高度为图纸标注尺寸，一般定、转子铁心叠片测量平均高度与标注尺寸会有差异，安装中需要考虑这个因素；三是以图纸标注的推力轴承镜板高度尺寸控制转动部分高程，这三种情况都是没有充分考虑“定子铁心平均中心高程与转子磁极平均中心高程一致” 的要求。

确定立式水轮发电机组定子及有关埋设的固定部分高程，需要满足关于“定子铁心平均中心高程与转子磁极平均中心高程一致”的规定，一般应根据相关部件测量实际尺寸，计算出相应高程，以计算结果作为实际安装控制高程，从而保证机组整体的安装质量，满足技术规范的相应要求。