水库地震崩塌堆积天然坝体帷幕灌浆设计与施工

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摘  要： 小南海水库系1856年地震山崩堵塞溪流形成的一座中型天然水库，天然坝体结构松散，渗漏加剧，为加强天然坝体的防渗性能，减少水库渗漏，采取帷幕灌浆进行大坝防渗整治。本文详细介绍了大坝防渗整治设计、施工及质量检查方法。由于地震崩塌堆积天然坝体防渗整治，国内无先例，国外罕见，没有经验可供借鉴。因此，小南海水库天然坝体帷幕灌浆设计、施工及质量检查方法具有一定的探索性，其成功经验对类似工程的防渗整治具有一定的参考价值。

    关键词：小南海水库  地震崩塌堆积体  帷幕灌浆  施工         1、工程概况     小南海水库位于重庆市黔江区小南海镇境内，是1856年地震山崩堵塞老窖溪形成的一座中型天然水库。水库集雨面积98.8km2,大坝防渗整治前水库正常蓄水位高程670.5m，总库容7087万m3，有效库容2930万m3。由于天然坝体结构松散，渗漏加剧，多年平均渗漏水量约1000万m3，致使坝体产生管涌渗透变形，危及大坝安全。为了确保坝体安全，加强天然坝体的防渗性能，减少水库渗漏，保护地震遗址，在设计多方案论证基础上，经主管部门批准，采取帷幕灌浆进行大坝防渗整治。由于地震崩塌堆积的天然坝体中帷幕灌浆属“国内唯一，世界罕见”，没有经验可借鉴，亦没有对应规程规范可遵循，因此，帷幕灌浆设计、施工及质量检查方法具有一定的探索性。     1.1 天然坝的形成及分布范围     天然坝形成于1856年黔江—咸丰地震，地震崩塌堆积体堵断老窖溪形成小南海天然水库。天然坝体长约1000m，坝高一般60～70m，部分达80～100m，顶宽度为100～230m，坝底宽度为1200～1300m，坝体总体积约为4000～4600万m3。     1.2 工程地质条件     ⑴天然坝体主要由地震崩塌堆积的页岩及粉砂质页岩块碎石夹孤石，以及堆积、风化或沉积碎屑组成。 天然坝体物质结构在垂向上存在明显差异，横向上差异不明显。高程633.40～659.00m以上坝体孤石含量为28.09～56.52%，孤块碎石粒径明显比下部大，孤石最大直径达10.0m以上。该部分结构松散，局部有架空结构。钻孔注水试验测得渗透系数为39.38～176.31m/d，属强—极强透水层。     下部坝体高程633.40～659.00m以下至高程608.47～622.41m之间，孤石含量为0.00～17.96%，块碎石含量较上部坝体增加，孤块碎石粒径明显较小，部分被粉细砂或粘土充填，基本无架空现象。钻孔注水试验测得渗透系数为6.53～60.80m/d，属较强—强透水层。     ⑵地震崩塌堆积体之下掩埋了原河流及Ⅰ级阶地堆积物。     ⑶天然坝体下伏基岩为志留系中统罗惹坪群（S2Lr1）第一段灰色及灰绿色页岩，并夹有介壳灰岩透镜体。钻孔压水试验测得，基岩强弱风化带岩体透水率为2.3～3.3Lu，新鲜岩体透水率为1.7～3.3Lu，均属弱透水岩体。     ⑷坝体渗漏点主要位于大坝右侧天然溢洪道内，分布在不同层面的三个高程带上；天然坝右半部上游坝坡分布有管涌入口，一般呈圆～椭圆状，直径一般0.10～0.30m，大部分位于块碎石与孤石的接触部位。     1.3 施工时段及完成工程量      灌浆工程施工时段及完成工程量见表1。 表1         工程各时段及完成工程量           项 目          内 容 技施设计前灌浆试验 生产性试验灌浆 主体工程施工 钻      孔（m） 3068.7 3899.15 44529.59 镶铸孔口管（m） 88 224 2544 灌     浆（m） 3055.5 3737.15 44169.09 压水试验（段） 14 11 41 完成时段 2000.1.3～4.7 2000.7.27～2001.2 2001.3～2002.1       2、帷幕灌浆设计     ⑴根据天然坝体工程地质条件和帷幕灌浆试验，结合水利部专家组咨询意见，设计帷幕轴线长748.138m，三排孔，相邻2排排距有1.5m、2.0m两种，孔距有3.0m、3.5m两种，设计帷幕孔724孔，帷幕孔深入坝基岩体1.0m。     ⑵设计灌浆压力：两边排Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆压力为0.2～0.8Mpa，两边排Ⅲ序孔灌浆压力为0.2～1.2Mpa，中间排各序孔灌浆压力为0.3～1.4Mpa。     ⑶灌浆材料及浆液配比：灌浆材料为普通硅酸盐水泥和粘土为主，遇大漏浆及大通道时使用砂子和水玻璃。     灌浆浆液采用水泥粘土浆。边排孔采用水泥：粘土为1：0.6，中排孔采用水泥：粘土为1：0.4的水泥粘土浆，水固（水泥+粘土）比采用3、2、1三个比级，即灌浆浆液重量比水泥：粘土：水为1：0.6：1.6，1：0.6：3.2，1：0.6：4.8，1：0.4：1.4，1：0.4：2.8，1：0.4：3.2共六个比级。     ⑷质量标准：因坝体防渗帷幕的主要目的是减少渗漏，确保坝体安全，故根据坝体结构特征不同区段选取不同的防渗标准：帷幕灌浆试验区桩号坝0+409.100～0+394.130m、坝0+644.631～0+626.631m坝段透水率＜10Lu；桩号坝0+752.638～0+644.631m、坝0+626.631～0+409.100m和桩号坝0+394.130～0+4.500m坝段透水率＜15Lu。     3、帷幕灌浆施工     帷幕灌浆前对坝顶帷幕轴线部位进行开挖平整，浇筑宽6.0m、厚0.3m的压重混凝土（竣工后作为坝顶公路），先钻灌第1、2段，再镶铸长4.0m的孔口管，以保证灌浆效果。     3.1 灌浆方法     采用小口径无芯钻孔、孔口封闭、孔内循环的方法进行灌浆施工。根据天然坝体的工程地质特点，采用稀泥浆护壁钻孔，解决了成孔难的问题，且帷幕孔灌浆段成孔后，不进行清水冲洗和灌前压水试验。     3.2 施工顺序及灌浆段长划分     帷幕灌浆孔施工按分序加密的原则进行，先施工下游排，再施工上游排，最后施工中间排。同排中先Ⅰ序孔，后Ⅱ序孔，再Ⅲ序孔。     第1、2段段长2.0m，第3段段长3.0m，第4段及其以下各段均为5.0m，最大段长不超过8m。     3.3钻孔     钻孔主要采用300型地质钻机，φ60mm金刚石钻头无芯钻进，终孔入基岩时换用φ56mm的金刚石钻头取芯钻进。采用KXP-1型测斜仪进行孔斜检测，所有钻孔均没有孔斜超出设计要求。     3.4 水泥粘土浆变换标准     每段灌浆前用灌浆浆液置换孔内钻孔泥浆，记录仪打出的第一介读数不作为变浆依据。当水固比为3：1的浆液注入量达500L，而灌浆压力和浆液注入率无明显变化时变浓一级。当水固比为2：1的浆液注入量达800L，而灌浆压力和浆液注入率无明显变化时变浓一级。当浆液注入率大于40L/min，灌注量达800L后压力和注入率无明显变化时越一级变浓。钻孔时，孔口一直不返浆的灌浆段，可直接灌注最浓一级浆液。     3.5 抬动观测     每个单元均设有抬动观测孔（桩），在灌浆过程中及时进行抬动观测，并做好记录。发生抬动现象时，通过降低灌浆压力或注浆速率等措施，使抬动值在设计允许范围内。     3.6 灌浆结束标准和封孔     灌注水泥粘土浆时，在设计压力下，当浆液注入率不大于1L/min时，继续灌注30min或浆液注入率不大于2L/min时，继续灌注40min结束；灌注水泥粘土砂浆时，在设计压力下，浆液注入率不大于1L/min时，稳定3—5min即可结束。     终孔灌浆结束后，用最浓一级的水泥粘土浆置换孔内稀浆，用终孔段的灌浆压力机械封孔，上部空余部分人工封孔。     3.7 钻孔和灌浆过程中特殊情况的处理措施     由于天然坝体物质组成和物质结构的特点，在坝体内形成架空和“砂窝”层（“砂窝”指天然坝体内孤块石之间及其架空空洞内堆积的风化页岩碎屑层），这是帷幕灌浆钻孔、灌浆及其质量检查的难点。     钻进中遇到架空且长时间护壁泥浆漏失时，立即停钻并提钻，根据架空段高度投入碎石，然后压塞灌浆。钻进中若遇到不架空但长时间不返泥浆的孔段，立即停钻，采用水泥粘土浆进行灌注。     由于架空段和不返泥浆段的耗浆量大，灌浆一般难以结束，需采取如下措施：     ⑴灌浆过程中出现大漏浆时，优先采用无压、低压、浓浆、限流、间歇灌浆方法；     ⑵按上述第⑴条原则操作，若浆液注入量累计达2000L后，仍不能回浆或升压力时，采用机械灌注水泥砂浆或水泥粘土砂浆，直至结束。     ⑶水泥砂浆灌注难以结束时，采用掺水玻璃的办法灌注直至不进浆结束。     4、灌浆质量检查     灌浆质量检查，采用钻检查孔分段压水试验的方法。     为保证检查孔注水试验的准确可靠性，设计特别强调钻孔禁止用泥浆护壁。因用清水钻检查孔时总是发生缩径和塌孔事故，使检查孔施工曾出现一度受阻无策，成为本工程重要的关键技术问题。经两次多位专家咨询及先后5种不同工艺试验，最终选用“分级跟管护壁、小孔径清水回转钻进超前导孔、静水头分段压水试验”方法较好地解决了灌浆质量检查问题。     5、帷幕灌浆效果分析     共完成帷幕灌浆孔736孔，帷幕灌浆钻孔总段长51497.46m，灌浆总段长50961.76m，灌入水泥14350.26t,粘土7424.68t，平均单位耗干料（水泥+粘土）427.28kg/m。     5.1 检查孔静水头压水试验成果     每个单元工程均设一个检查孔，共作检查孔18个，静水头压水试验66段次，孔段合格率100%。其中帷幕灌浆试验区布置2个检查孔，透水率值最大为4.7Lu（防渗标准为10Lu）。除试验区以外的其余坝段布置16个检查孔，透水率值最大为14Lu（防渗标准为15Lu），全部满足设计要求。      5.2 灌浆成果分析     帷幕灌浆各排序孔单位水泥粘土注入量对比分析见表2。     从表2看出,注入量随孔序加密呈递减规律。下游排帷幕孔单位干料（水泥+粘土）注入量为528.27kg/m，上游排为476.49kg/m，中间排为283.48kg/m，上游排比下游排减少9.8%，中间排比上游排减少40.5%。下游排Ⅱ序孔单位干料注入量比Ⅰ序孔减少12.3%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔减少22.2%；上游排Ⅱ序孔单位干料注入量比Ⅰ序孔减少5.5%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔减少24.0%；中间排Ⅱ序孔单位干料注入量比Ⅰ序孔减少12.5%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔减少18.7%。            表2     各排序孔单位水泥粘土注入量对比表            单位：kg/m

孔  序 排    序 Ⅰ序孔单位 注入量 Ⅱ序孔单位 注入量 Ⅲ序孔单位 注入量 各排序单位 注入量 下游排 650.61 570.50 443.73 528.27 上游排 562.15 531.33 403.84 476.49 中间排 346.03 302.88 246.26 283.48 各序孔单位注入量 520.76 468.16 360.32  

      3、开挖检查分析     溢洪道施工，在桩号坝0+668.231～0+605.900m范围内开挖深度7.0m ，从开挖揭露的灌浆后坝体地层结构看，大孤石裂隙以及较松散的堆积体中均被水泥粘土浆结石充填密实，浆液结石最大宽度达25cm，浆液在地层中扩散延伸长度达20m余。

溢洪道闸室段开挖右边坡垂直深度5米处的灌浆结石照片     5.4 渗流量观测系统观测资料分析

    灌浆施工期所建渗流量观测系统位于坝下游河床，渗流量观测从2001年7月22日至今，实测灌后最大渗流量为30.0L/s（相应库水位高程669.48m），是灌浆前库水位高程668.24m的渗流量5.2%，正常蓄水位670.50m的3.54%。 表3      灌浆前后相近库水位渗漏量对照表

 灌浆前 灌浆后 相近库水位渗漏量比值 库水位（m） 渗漏量Q₁（L/s） 观测日期 库水位（m） 渗漏量Q₂（L/s） 观测日期 Q₂/ Q₁ （%） 670.50 847★   669.48 30.0 2004.08.03 3.54 668.24 570 1998.10.12 668.24 13.9 2002.07.15 2.44 667.12 296 1998.11.01 667.57 10.0 2002.08.01 3.38 666.22 191 1998.11.14 666.51 10.6 2002.09.30 5.55 665.03 134 1998.12.01 665.13 8.7 2002.05.05 6.49 663.90 104 1998.12.14 664.07 4.4 2002.04.26 4.23 备注： 847★为设计根据多年观测资料计算值

      综上所述，小南海天然地震堆积坝体帷幕灌浆工程，设计合理，施工质量控制科学，防渗加固效果明显。     ６、结语     在小南海天然地震堆积坝体中作帷幕灌浆防渗加固工程，目前属国内唯一的先例。设计施工过程中，对钻孔、灌浆技术参数，灌浆材料、浆液配比、灌浆过程中特殊情况的处理、以及灌后质量检查方法等多项技术与工艺进行了较多的试验探索，并取得成功经验。     该工程的成功实施，为我国今后解决类似工程问题积累了宝贵的设计和施工经验。