大坝工程防渗灌浆技术及其防渗加固处理措施研究

李洪涛

（甘肃省临泽县梨园河水利管理处，甘肃 张掖 734200）

1 引言

我国地域辽阔，但水资源分布不均，且洪涝频发，建设水库大坝可以在丰水期储存水资源，避免洪涝灾害，在缺水期放出水资源以平衡水资源消耗，该措施对维护社会和国家经济稳定发展具有促进作用。 基于此目的，我国广泛分布着大大小小的水库大坝，大部分建于河川上游，在我国大陆建设有水库大坝超过8.7 万座，总库容4 987 亿m3，其中，95%以上为小型水库[1]。 除了避免洪涝灾害，基于农业用水、工业用水、水上航运、水力发电等方面的目的， 选择高效节约便于工程应用的地理位置也是重要的选址策略。 因大坝建设的目的较多，一旦产生渗漏问题，对当地经济也会产生多方面的灾难性影响。 为了避免因其渗漏乃至溃坝产生的危害，需要定期对大坝进行巡检，及时填补渗漏处，加固大坝。 针对大坝所处地理环境，地势高低，受哪种季风带影响，以及大坝的建设的目的，进行有针对性的防渗漏处理是十分重要的防溃坝措施。

2 工程概况及质量评价

在进行大坝防渗灌浆工程处理前， 需要对水电站大坝项目及其缺漏破损进行系统性评价， 其主要评估内容涵盖地理位置、地理环境、建设目的、设计标准、水系特征、常见灾害类型、破损位置等。 研究以甘肃省张掖市黑河二龙山水电站工程为例，对其存在的问题及工程设计情况进行分析[2]。 该水电站工程采用引水式开发方式，其电站总装机容量为50.5 MW，年发电量为1.739×108kW·h，属中型Ⅲ等工程，主要构筑物由引水枢纽、引水系统和发电厂房3 部分组成。 建设地点位于甘肃省张掖市西南131 km 的黑河大峡谷中段，电站上游接3 道湾水电站，下接大孤山水电站，是《甘肃省张掖市黑河（黄藏寺—大孤山） 河段梯级开发方案优化报告》 中黑河水能规划的第4座梯级电站。项目区为地下水环境质量功能区Ⅲ类区，能够保证枯水期（11 月～次年3 月）2.83 m3/s，丰水期（4～10 月）6.34 m3/s 最小下泄流量的要求。 首部枢纽利用阶地地形布置宽浅式梯形明渠，渠尾设进水节制闸、退水闸和压力隧洞进水前池以及侧堰等，主体工程均布置在开发河段的右岸。

工程区位于青藏高原的东北部祁连山地震带， 属新构造运动强烈活动区，地震活动强度大、频度高。 根据GB 18306—2001《中国地震动峰值加速度区划图》，工程区50 年超越概率为10%时，地震动峰值加速度为0.2g，对应该区地震基本烈度为Ⅷ度，地震反应谱特征周期为0.40 s。 多年平均年降水量为393.0 mm；多年平均年蒸发量为1 527.4 mm；平均气温0.7 ℃，绝对最高气温30.5 ℃（1971 年7 月）， 绝对最低气温-31.1 ℃（1975 年12 月），日温差较大；最大冻土深2.5 m。 本流域的降水分布，由南向北，自东向西逐步递减，祁连山区为黑河的产流区， 北部戈壁沙漠为径流消失区， 走廊地带为二者的过渡区。工程地主要岩性为卵砾石和沙砾石等高含水介质层。该工程位于地震带且其工程项目较容易受到极端天气的影响，故对其工程建设质量要求较高。

对坝体破损的说明则主要基于坝体土料，结构，渗漏分布及大小，透水程度，渗漏原因及坝体排水系统的建设，其中，渗漏位置主要分为坝体、坝基、坝肩。 根据工程质量调查报告结果显示，张掖市有73.08%的水库大坝工程质量不合格，坝基处理不满足规范要求的有13 座，坝肩岸坡处理不满足规范要求的有9 座，坝体填筑质量不符合要求的有14 座。

3 大坝防渗灌浆技术

根据黑河二龙山水电站工程实际情况， 提出以下几种防渗灌浆技术。

3.1 帷幕灌浆技术

如图1 所示， 帷幕灌浆技术是将一定浓度的浆液注入间距适宜的钻孔中压至岩土体的缝隙或者孔洞内， 在大坝内形成结构和强度稳定，且有高抗渗性的幕墙。 从而达到防渗堵漏的目的[3]。 常选择宾汉塑性流体作为浆液，因宾汉塑性流体流动时具有较大的阻力， 可以在降低其中的砂子等粗颗粒下沉和分离的速度的同时，保持长时间的可泵性。 灌浆工序上遵循缩小孔距和合理性兼顾的原则， 通过逐渐加密灌注钻孔的方式，有序提高灌浆压力，增大浆液扩散范围和凝结密实度。 单一孔的工序需要在钻孔后进行冲洗，再进行压水试验，根据压水试验结果进行终孔和封孔。 分段灌浆方法可分为3 种形式：自上而下、自下而上、综合分段法。 需注意的是，在底层变化剧烈的地区因灌浆区域裂隙多样，需要先关注黏度不高的稀浆，以填补细小缝隙。

图1 帷幕灌浆技术灌浆工序示意图

3.2 冲抓套井回填黏土防渗墙技术

冲抓井回填黏土墙技术示意图如图2 所示， 其是在土石坝的渗流区沿坝轴线或上游钻洞，根据渗漏情况决定排孔。 钻孔的直径通常为110～120 cm。 孔中填入黏土，分层压实，在坝体中形成黏土柱，这样连续建造地下黏土墙，切断坝体或坝基的渗流通道，达到防渗的目的。

图2 冲抓套井回填黏土防渗墙技术示意图

在处理水库和大坝的渗流问题上， 冲孔套井回填黏土防渗墙的技术已经十分成熟。 该技术具有机械设备简单、施工方便、工程量小、工效高、黏土投资少、防渗效果好等优点。 缺点是孔径较大，回填土量也较大；适用于水上施工，在水下或渗透线以下施工难度较大；黏土回填量较大；该方法适用于无法灌浆处理的窄壁坝的渗漏处理，对心墙坝、均质坝的处理效果很好，但只能对坝高小于30 m 的坝面防渗加固。

3.3 水泥土搅拌桩防渗加固技术

水泥土搅拌桩防渗加固技术是一种在水利工程中广泛应用的地基处理技术。 该技术通过运用特制搅拌机械，深入地基将水泥与土壤进行充分混合， 生成一种土-水泥复合材料，从而提高地基的承载能力和稳定性。 生成的土-水泥复合材料结合了土壤与水泥的优点，具备较高的强度和稳定性。 在土和水泥的混合过程中，水泥的水化反应会填充土壤孔隙，形成致密的防渗层，有效提升地基的抗渗性能。 此外，该技术还能根据工程需要调整水泥掺量和搅拌深度， 以满足不同水利工程的防渗加固要求。 在水利工程中，水泥土搅拌桩技术常被用于基坑支护、防渗帷幕等结构的建设，其优秀的防渗能力和加固效果为工程的安全稳定提供了有力保障。

4 大坝防渗灌浆加固处理措施

4.1 坝基、坝肩帷幕灌浆防渗处理方案

黑河二龙山水电站大坝土料材质为黏土心墙， 近地面为燕山期花岗岩地质， 结合工程水文地质和施工条件， 大坝坝体、坝肩除险加固防渗设计方案为：对坝基、坝肩进行帷幕灌浆防渗加固，对坝体使用水泥土搅拌桩进行防渗加固。

根据实地勘察资料、水库原始设计资料，为了确保大坝在施工蓄水期和后期使用不会出现渗漏问题，按照透水率<5 Lu的设计标准，设计帷幕灌浆方案。 在进行正式灌浆前，需要就大坝土料材质和施工位置进行灌浆试验， 以调整帷幕灌浆施工方案。

帷幕灌浆方案设计如下：首先，从左岸到右岸沿坝轴线布置灌浆孔线，帷幕线与5 Lu 渗透控制线相交，高出正常蓄水位15.66 m，依据地形变化适当抬升。 针对水库工程地质情况，进行分段式灌浆，随施工进行，每段灌浆压力递增。 在大坝坝基补强灌浆阶段，使用纯压式灌浆，结束灌浆后使用全孔灌浆技术进行封孔。帷幕线接水泥土搅拌桩防渗墙向两岸延伸。建立防渗帷幕线，线总长560 m。 帷幕灌浆三序孔施工孔孔径为2 m。 针对地下层岩破损大的问题，为避免库水经该部位渗漏，在正上方对灌浆孔进行加深加固。 左坝肩帷幕进行山体表面灌装，灌装位高于正常蓄水位15.66 m，山体内方向延伸52 m，右坝肩灌装位高于正常蓄水位15.66 m。

在帷幕灌浆加固施工结束后需进行防渗效果检验， 使用孔压水试验在原渗漏部位进行透水率检验， 确定其满足设计要求，施工质量达标进行验收，若不达标需进行补强灌浆。

4.2 坝体水泥土搅拌桩防渗墙处理

因大坝坝体渗透系数较大，且下游存在塌坑风险，为进一步消除大坝渗水安全隐患， 选择的防渗加固设计方案为复合防渗方案。 选择混凝土搅拌桩技术与帷幕灌浆进行结合针对渗透点和周边进行针对性防渗，施工方案如下。 混凝土防渗墙技术的重要施工作业是钻孔作业，为保证施工质量，先对坝体已有的混凝土表面进行高强度刷洗， 以使后续铺加的混凝土能与之无缝对接，减少表面孔隙的产生。 混凝土搅拌桩布置在与坝中轴线相平行的上顶面上。 铺设搅拌桩线，其左起与岸坡相接触，右至大坝左岸墙体。 参照坝基帷幕线对大坝坝体沿坝轴线作混凝土搅拌桩防渗墙进行防渗。 坝体水泥土搅拌桩防渗墙处理方案如图3 所示。

图3 坝体水泥土搅拌桩防渗墙处理示意图

图3 中防渗墙顶端桩孔位于平行于坝顶线上方0.5 m 处，防渗墙底部垂直嵌入坝基岩线，墙体厚度0.3 m。 施工与帷幕灌浆技术相似，采用三序桩成墙法，用多头小直径深层搅拌截渗桩基就位、调平，通过主机动力传动推动钻头向土层中下层沉刨设计深度。 然后再提升搅拌机至孔口。 施工工序如下，将桩机移至预期位置后，连接浆液运输管、下沉钻杆喷嘴喷浆、多次搅拌并喷浆至孔口。 完成喷浆作业后，需及时清洗管路及喷嘴，之后再移动桩机位置换下一个桩位重复上述作业。 混凝土采用硅酸盐混凝土，根据地质和湿度调整水灰比，桩位允许偏差50 mm，垂直度偏差1%，桩径允许偏差4%，相邻桩施工间隔时间≤24 h。 需要注意的是，在灌浆施工中，为了保证混凝土质量，在搅拌工程需要添加适量减水剂，若是出现吸浆现象需要混合时加入粉砂，若是出现漏浆则需要加入水玻璃。

5 结语

水库大坝建设对保障我国居民正常用水和防涝减灾具有重要意义，对大坝进行定期维护，使用新技术增加其稳定性，进行防渗加固处理是十分有必要的策略。 在对水坝进行的防渗加固处理措施中，防渗灌浆技术处于核心位置，其可以与多种技术进行结合， 有针对性地对水坝易渗水点或破损处进行加固处理。 而帷幕灌浆技术也是广泛使用的防渗灌浆技术，研究对其进行了详细介绍， 并简述了其他几种可用于结合使用的防渗加固技术，在实际应用过程中，根据大坝材质和工程状况有针对性地结合使用，可产生高效的防渗加固效果。