碧螺水库均质土坝安全鉴定和除险加固初步探讨

刘源

（益阳市水利水电监理公司 益阳市 413000）

1 碧螺水库的不安全因素及其成因

碧螺水库位于资江中游北岸一级支流碧螺港上游，坝址控制集雨面积18.7km2，大坝坝顶高程117.90m，其校核洪水位、设计洪水位及正常蓄水位分别为113.75m、113.04m、112.41m。水库正常库容1326万m3，设计灌溉面积0.13万hm2（1.95万亩），坝后电站装机2台共285 kW，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电、养殖等综合效益的中型水利工程。碧螺水库大坝为均质土坝，按50年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核，坝顶高程117.90m，最大坝高30m，坝顶轴线长92m，坝顶宽8.5m，坝顶上游侧设有防浪墙。经安全鉴定，该大坝定为三类病险坝。

（1）坝体渗漏严重，大坝下游无排水设施。

大坝始建于1958年，属典型的“三边”工程。由于大坝填土辗压质量差，坝体密实度不够，加上大坝下游无排水设施等原因，造成坝体渗漏严重，浸润线高。经稳定复核，上下游坝坡稳定安全系数均不满足规范要求。

（2）坝基及绕坝渗漏严重。

建坝时，坝基清基不彻底，基础开挖深度平均1.5m，对强风化基岩未作处理，因此坝基上部基岩破碎，透水性很强，渗漏严重。其次大坝两岸坝肩开挖仅0.5m左右，对风化层未作进一步处理；加上两岸山体单薄，岩石节理、裂隙发育，岩体破碎；存在较严重的绕坝渗漏。

（3）泄洪隧洞及灌溉发电隧洞漏水严重。

大坝左岸山体内泄洪和发电两条隧洞，洞周围岩破碎，管壁裂缝，漏水严重。

泄洪洞经过的左岸山头岩石性属泥质板岩，风化严重，裂隙发育，强度低，且夹有破碎石英岩脉和泥质软弱夹层，开挖时垮塌十分严重。该洞衬砌完成后，碧螺水库正式投入运行。但随着库水位的上升，泄洪洞即发生渗漏，当水位超过进口顶部后，渗漏现象加剧，一部分渗水由隧洞内衬管壁漏入管内，有几十个漏水孔穴，另一部分渗水沿隧洞内衬外侧周围，逐渐汇流向下游渗出，在出口形成多达80m2的溢水区，虽经多次加固处理，仍未彻底解决问题。

灌溉发电隧洞于1962年开挖后，即做了钢筋混凝土衬砌。但由于隧洞周岩较破碎，衬砌混凝土已部分开裂破坏，且因工程年久失修，高水位时，隧洞出口附近时常有数股浸水涌出。另外，进口闸门及启闭设备已使用了40余年，锈蚀老化严重，闸门启闭不灵，难以正常运行。

2 除险加固措施

2.1 大坝坝体渗漏及坝坡加固

2.1.1 冲抓防渗墙工程

115.6m高程至坝基采用双排冲抓套井回填粘土防渗墙处理，在上游侧坝体内将原来松散的填土挖除，重新用粘土填筑一道防渗墙，以满足坝身防渗要求。填筑防渗墙的土料选用素粘土，其粘粒含量要求在35%～50%，含水量控制在22%～24%，不满足含水量要求的土料需采取洒水或晒干处理，设计干容重参考为1d>1.55t/m3（施工时根据土料压实试验，按压实度96%确定），渗透系数小于1×10-4cm/s。防渗墙轴线布置于坝外肩线上游5.75m处。根据《碾压式土石坝设计规范》第4.2.4条：防渗体顶部不应低于非常运用的静水位，因此防渗墙顶高程采用水库校核洪水位113.75m为基数，考虑风浪爬高及适当超高，设计墙顶高程为115.6m，相应最大墙高27.9m，总长80.84m，两端嵌入岸坡全风化基岩，墙底直达原坝基开挖面，并与坝基帷幕灌浆衔接。当下游坝坡渗透出逸坡降为0.18，小于无粘性土的容许渗透坡降，大坝即满足渗流稳定要求。

2.1.2 施工操作技术及其要求

（1）造孔。

造孔顺序是：先主井，后套井，即1、3、2、5、4、7、6……。施工顺序是：先上游，后下游，从左岸向右岸延伸。

造孔注意事项：造孔时，保持井孔垂直，是施工操作的关键。严格控制井孔最大偏斜值，对于单孔偏斜值不超过20cm为宜。以保证井与井之间能互相套接，不致产生漏缝。

（2）回填。

钻孔达到设计孔深后，应立即回填。位于库水位以下的井段，应加快施工速度。回填土料的物理指标必须符合设计要求，严格控制土料含水量是保证施工质量的重要环节。

（3）夯实。

夯锤用C20混凝土制成，上部为球冠状，下部为圆柱形，直径0.9m，高1m，重1240kg。对料场土进行现场夯实试验，根据设计要求的干容重 （压实度92%的试验容重），确定土的最优含水率、夯实功、夯击次数等。

2.1.3 施工中出现的问题及其处理

（1）冲抓套井技术在高水位情况下，因坝体受渗水影响而使造孔和回填夯压困难，施工期应采取空库和降低库水位条件下实施，采取施工期当年提前放空水库等措施，以免冲抓坑内进水影响上料夯填质量。

（2）由于原筑坝土料中夹有石块，会使钻头偏斜，影响井孔垂直度，采用“勤检查，多清理”的办法，控制井壁偏斜。对偏斜值过大的个别井孔，采取“两次造孔法”及时回填，分层夯压。

（3）于库水位以下的井段，井内常发生积水、冒水、塌孔等现象，采用“连续作业，快速施工”的办法。对于冒水、塌孔，则一般采用“打副孔”和“两次造孔法”处理，使造孔达到设计高程。

2.2 坝基及绕坝渗漏加固工程

2.2.1 大坝坝基帷幕灌浆设计

根据碧螺水库地质钻探，该大坝坝基为岩基，但岩石节理裂隙发育，风化层较厚，渗漏严重，确定对其进行帷幕灌浆。

灌浆帷幕的布置：大坝坝基帷幕灌浆沿冲抓防渗墙轴线布置。因两岸山体岩石裂隙、破碎带发育，存在绕坝渗漏，以及泄洪、发电两隧洞严重渗漏等缘故，设计将坝基帷幕灌浆向左岸延伸至发电隧洞以上位置，右岸帷幕灌浆需延伸至溢洪道右侧；保证坝体防渗与山体防渗连续，以形成整体的连续防渗体。

坝基帷幕灌浆孔设一排，帷幕灌浆孔中心线位于上游两排冲抓套井孔中线处。帷幕灌浆施工平台利用冲抓套井施工平台，坝基设计帷幕平面总长度89m，共钻孔60个。灌浆采用自下而上分段钻灌的方式，分三序孔施灌，第一序孔间距6m，第二序孔间距3m，第三序孔间距1.5m。

帷幕深度设计根据《碾压式土石坝设计规范》第5.2.8条规定，帷幕深入相对隔水层（q≤5Lu）内（3～5）m，由于本工程基岩破碎严重，隔水层埋藏深，钻进深度达到30m时，吸水率仍超过规范要求，达10Lu以上，因此帷幕设计孔深按最大坝高的0.7倍考虑，取（15～20）m，帷幕灌浆顶部与防渗冲抓体紧密结合。灌浆方法采用自下而上分段灌浆法，帷幕灌浆段长5m，分四段灌注。

2.2.2 灌浆工艺流程

灌浆工艺流程为：按钻孔、冲洗、压水实验、施灌的程序进行，待凝一定时间后再灌下一段，每段灌浆重复上述工艺直到结束封孔。

灌浆帷幕与坝体内冲抓防渗墙紧密接合。灌浆时，同一排内严格先钻灌第一序孔，再钻灌二、三序孔。后序排上的第一序孔在前序排上最后次序孔均灌完15m后再开始钻进。

帷幕灌浆钻孔位置与设计位置的偏差没有大于10 cm，灌浆孔宜选用较小的孔径，孔口宜埋设孔口管，孔深符合设计规定。垂直的帷幕灌浆孔，其孔底的偏差值，孔深20m，最大允许偏差不得大于0.25m，孔深30m，不得大于0.5m。

灌浆段灌浆前应进行循环式钻孔冲洗，冲洗压力为灌浆压力的80%，冲洗要求直至回水洁净延续10min才结束。

各次序灌浆孔的各灌浆段在灌浆前进行简易压水试验。灌浆采取自下而上的分段灌浆，灌浆段每段长5m，灌浆开灌水灰比（重量比）根据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范3.5.4条确定在5∶1左右，灌注浆液由稀到稠，逐级变换，帷幕灌浆水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1等7个比级，逐级定量灌注（每级初定为300L）。当到某一水灰比，且灌浆压力不变的情况下，浆液注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，即保持该水灰比继续灌浆压力和注入率改变不显著时，应改变一级浓度；当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓，直至注入率不大于0.4L/min时，再注浆60min，即可结束灌浆。

其次，为了保证灌浆质量，整个灌浆过程应在设计压力下进行，但当遇大的孔洞或裂隙发育段，注入率大（大于30～40L/min）时，为了避免浆液串流浪费，则应采用低压、浓浆、限流法分级升压灌注。设计灌浆压力表层孔段灌浆压力0.5MPa，底部孔段1MPa，灌浆压力从上至下逐渐增大，灌奖压力表上的值上部孔段0.3MPa，下部孔段0.6MPa。以上述灌浆压力做为依据，实际施工时灌浆压力，在灌浆过程中根据实际钻孔灌浆试验对其进行校核、修正。施工时灌浆压力不允许超过临界破坏压力，以免影响藻浆效果。

最后采用“分段压力灌浆封孔法”自下而上灌注水灰比0.5∶1的浓浆封孔。封孔灌浆压力同该段灌浆压力，当注入率不大于1L/min，延续30min停止，灌注结束后闭浆24h。如采取孔口封闭灌浆法施工，按《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》3.7条规定的要求施工。

灌浆前后都应作压水试验，以此检验灌浆效果。帷幕灌浆结束后检查孔数不少于灌浆孔总数的10%，即不少于5孔，检查孔压水试验按《辗压式土石坝设计规范》第5.2.8条透水率q＞5Lu（吕容单位）的孔段，应采取补灌措施，最后检查孔应按技术要求进行灌浆和封孔。

2.3 泄洪洞除险加固工程

2.3.1 根据初设选定方案

泄洪隧洞除险加固工程采用如下措施，沿泄洪洞全长进行钢筋混凝土内衬，内衬前先将隧洞进口段原内衬混凝土凿除15cm原出口段原有内衬混凝土表面凿毛（凿毛深度5mm左右），再浇筑新的钢筋混凝土内衬，以确保新老混凝土结合良好。隧洞围岩采取固结灌浆加固，内衬与围岩之间进行回填灌浆或灌注混凝土以增强内衬与围岩间的整体性，改善受力条件。另外更换进口钢闸门及全套启闭设备，以保证泄洪闸门能正常进行。

钢筋混凝土内衬采用C20混凝土浇筑，内衬沿整个洞长进行，总长119m。内衬混凝土内配单层钢筋；伸缩缝按照原衬砌伸缩缝分缝，缝宽2cm，缝内嵌柏油杉板，采用宽22cm、厚1.2mm的紫铜片止水。

2.3.2 固结及回填灌浆施工

灌浆施工依据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》要求，严格控制工程质量。

（1）灌浆孔的布置。灌浆孔排距3m，孔距2m，出口段每排布孔4个，进口段每排布孔3个，洞内造孔；灌浆深度2m，灌浆长度119m，回填灌浆1121.6m2。

（2）造孔。采用风钻钻孔，钻孔孔径不小于38mm，孔深为（1.25～1.4）m，深入基岩1.0m。

（3）埋管。灌浆埋管采用钢管，钢管尺寸由灌浆器械而定，初拟Φ=35m。埋管深度不少于30cm，埋管外露（10～15）cm，以便与注浆管连接。钢管与内衬管壁之间的空隙，用水泥砂浆或环氧砂浆封堵，保证其承压强度。

（4）冲洗和压水试验。用0.3MPa的压力水进行裂隙冲洗，冲洗时间不少于30min，直至钻孔回水变清。灌浆前每个孔都应作简易压水试验，以了解吸水率和确定灌浆水灰比。

（5）灌浆次序。灌浆应按先回填灌浆（回填衬砌与围岩之间的空隙）后固结灌奖的顺序进行。环间钻灌按Ⅰ序孔进行，Ⅰ序孔间距4m，ⅠⅠ序孔间距2m，同一排灌浆孔应在水泥初凝之前全部灌完，且1d内不得对邻孔进行灌浆。灌浆由出口向进口推进。

（6）浆液配合比与浆液调换。

水泥灌浆应遵循先稀后深、逐级加浓的原则进行。浆液水灰比按6∶1、4∶1、2∶1、1∶1等4个配比进行。当水泥浆注入量大于400L，而吸浆量及灌浆压力无明显变化时，改变一级浆液，对吸浆量大于200L/min的孔位，一次转入浓浆灌浆或采用灌注水泥砂浆，在设计压力下，吸浆量不大于0.4L/min，持续半小时，即可停灌。

（7）封孔。灌浆结束后可能出现返浆，因此灌浆后应闭浆待凝。封孔用水泥、砂、膨胀剂，配合比为1∶1∶0.6的膨胀水泥砂浆封孔抹平管壁，封孔前必须将钢管外露部分锯掉。

（8）检查标准。检查孔数按灌浆孔数的10%考虑，在设计压力下不吸浆或在10分钟内注入水灰比4∶1～2∶1的浆液不超过10L即为合格。检查孔可利用部分灌浆孔，专门设计的检查孔必须按灌浆要求进行封孔。