沙坝碾压混凝土双曲拱坝漏水问题的防渗处理研究

龚高武

（湖南宏禹水利水电岩土工程有限公司长沙市410007）

1 沙坝碾压混凝土坝体漏水概况

沙坝水电站大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝高86 m，坝顶宽6 m，坝底宽26 m，坝顶轴线长146 m，于2006年底建成开始蓄水试运行。随着库水位升高，坝体内混凝土温度出现异常，初始阶段，各高程内温度出现突然升降变化，先是一次骤降（8～13）℃，后又在4天内骤升8℃左右，坝体后漏水明显，部分呈射流状外泄，且随水位升高，坝体背水面漏水明显加剧，相继出现20余处较大的漏水点，且伴随大量湿润面出现，严重影响大坝安全运行。坝体漏水处理工程于2008年元月开始进行。

2 坝体漏水的主要途径及原因

水库蓄水后，由于渗漏问题的出现，先后对坝体混凝土进行了钻孔取芯、压水试验、物探声波测试等；综合检测、监测资料分析发现，坝体漏水途径及原因为：

（1）上游面常态、变态混凝土（防渗层）存在不同形式的漏水通道；

（2）局部碾压混凝土层间结合不良；

（3）局部碾压混凝土离析，粗细料分离，含浆量不够，注浆不足，形成架空；

（4）局部仓面浇筑时间过长，又未能及时处理，形成冷缝；

（5）局部混凝土存在欠碾，不泛浆及胶结不良现象；

（6）变态混凝土施工时，加浆时间与加浆量控制不够严格，影响了局部混凝土的密实性；

（7）两坝肩混凝土与基岩接触面虽进行了接触灌浆，但仍存在漏水现象。

3 坝体防渗补漏灌浆方案研究

在了解碾压混凝土拱坝坝体自身结构、漏水途径、孔隙分布特征的基础上，结合灌浆补强要素，探索碾压混凝土坝体漏水特例的综合处理方案。

3.1 漏水处理基本方案的建立

（1）截断上游坝面的进水通道，采用放空库水，在迎水面上涂涮防渗层。

（2）修复坝体内防渗功能，在坝体内靠前变态混凝土层内进行防渗帷幕灌浆，截断向碾压混凝土内的渗漏途径。

（3）结合防渗，对碾压混凝土进行固结灌浆补强处理。（4）对局部混凝土裂缝进行修补，增强坝体混凝土自身的完整性。

3.2 坝体漏水防渗灌浆试验

在建立基本方案的基础上，迎水面涂涮防渗层由于库水只能通过▽570高程冲沙孔放水，▽571以下尚有30余米无法进行水下作业施工，根本上不能起到整体防渗作用，故将坝体防渗的重点放在防渗帷幕的设置上。

（1）防渗帷幕灌浆试验。

试验钻孔布置：帷幕线紧贴变态混凝土布置，采用双排钻孔，孔距2.0 m，排距（0.2～2.5）m，钻孔角度随拱坝迎水面曲面角度变化改变，按85.5°～88°控制，呈梅花型布置，分Ⅲ序施工，分别选定右岸非溢流坝段及下部廊道内4＃溢流坝段各10孔进行试验灌浆；

试验灌浆压力：区别不同部位、不同孔深选择。坝顶上游排孔（0.5～18.5）m 0.2 MPa；往下逐渐变为（0.1～0.05）MPa；以防坝前迎水面出现击穿破坏，后施工的下游排孔孔口至孔底由0.2 MPa逐步提高至0.6 MPa；下部帷幕先施工的上游排自孔口至孔底采用（0.3～0.6）MPa，后施工的下游排采用（0.4～0.8）MPa；

灌浆材料：主要灌浆材料采用PO42.5级普硅水泥，当遇到灌段出现失水回浓或透水率达5 Lu以上，而注入量又小于20 L/m时，改用超细水泥灌注；

灌浆段长：孔口段3 m，其他段长一律采用5 m；

浆液水灰比：普硅水泥浆液选定为1∶1、0.8∶1、0.5∶1，超细水泥浆液1∶1。两种水泥浆液内均掺加0.5%的高效减水剂；

灌浆方法：分别选用孔口封闭法、自上而下分段灌浆法、自下而上分段灌浆法进行试验比较，选定适合漏水处理工期、灌浆效果要求的施工方法；

试验效果检验：在试验地段每组均布置2孔进行压水试验和声波检测。

（2）灌浆试验成果分析。

采用选定的试验方法、工艺参数、材料进行灌浆试验，两组灌浆试验成果分析表明：

坝体混凝土孔隙率大，可灌性强，上、下部单位注入量分别达到140 kg/m、100 kg/m以上；

单排序次上单位注入量无明显差别，先灌段上游排较后灌段下游排大20%左右，表明混凝土孔隙沿水流方向连通性好于沿坝轴线方向；

检查孔钻进时回水基本正常，岩芯上孔隙分布较多的段次，见到了明显的水泥结石，但在细砂分布的部位，采取率仍较低，多呈岩粉状从孔口回水中返出，透水率较灌前I序孔减少了10～100倍；但上部试验区大于10 Lu的段次达到68%，30%的段次为（5～10）Lu，仅2%的段次小于5 Lu；下部有40%的段次大于10 Lu，29%的段次为（5～10）Lu，仅31%的段次小于5 Lu，远远不能满足坝体设计防渗要求；

灌浆前后同孔位、同断面声波值提高了11%～36%，平均声波速度达到了3 750 m/s以上，但低于3 000 m/s的测点仍占5%左右，主要为单孔声波中混凝土内相邻层面间。单孔声波值较跨孔声波值稍低，低值点分布较分散。

试验结论：通过选定的参数灌浆后，坝体混凝土完整性、透水性改善明显，但透水率离设计要求相差太大，需对参数进行调整，并进一步结合生产性试验确定。

（3）生产性试验。

参数调整：上、下部各选择5孔进行生产性试验，采用孔口封闭自上而下分段孔内循环法施工，段长3 m，若遇钻孔回水减少明显或消失，立即灌浆；上部帷幕灌浆压力上游排增加到（0.3～0.4）MPa，下游排调整为（0.4～0.8）MPa，下部帷幕上游排调整（0.5～0.6）MPa，下游排（0.5～1.2）MPa；浆液水灰比改为2∶1开灌；最后序次孔采用超细水泥灌注。灌后3天进行压水试验检查，以尽快确定施工参数。

试验结果：参数调整后，坝体混凝土灌段上部帷幕仍有22%的段次大于10 Lu，78%的段次在（5～10）Lu之间，下部帷幕有38%的段次大于10 Lu，38%的段次（5～10）Lu，小于5 Lu占24%；透水率仍然满足不了设计要求。

3.3 防渗帷幕施工方案的确定

综合分析试验资料后认为：坝体碾压混凝土的透水性主要受其孔隙分布的不均一性和连通性程度制约。考虑到工程的安全性，方案的经济性及可实施性，确定帷幕施工方案如下：

防渗帷幕线紧靠坝前原变态混凝土层（原防渗层）布置，通过灌浆处理，恢复防渗层功能；

防渗帷幕灌浆钻孔采用单排布置，孔距初定1.0 m，若处理效果仍不理想，不排除加密到0.5 m的可能性；

灌浆施工采用孔口封闭自上而下分段孔内循环法；灌浆段长3.0 m，若遇钻进无回水，立即进行灌浆；

灌浆压力按部位分别确定，尽可能采用较高的灌浆压力，但必须确保不破坏原混凝土。依此原则，上部帷幕采用（0.4～1.0）MPa,下部帷幕（0.5～1.2）MPa；

灌浆材料：以PO42.5级普硅水泥为主；上部帷幕混凝土透水率小于10 Lu时和下部帷幕混凝土小于5 Lu采用超细水泥灌注；

浆液水灰比：采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1，当浆液浓度达1∶1以上和采用超细水泥时，须加入适量高效减水剂，有效降低浆液粘滞度；

孔斜控制：钻孔斜度严格控制在1%以内，严禁偏出坝体以外；

其它要求执行《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T 5418-2001。

检查孔按灌浆孔10%进行压水试验试验，取芯检查，并进行28天后的单孔声波检测；希望透水率85%以上段次小于3 Lu，其余段次不大于5 Lu，平均波速达到3 750 m/s以上，小于3 000 m/s测点数不超过3%，且不集中。

4 坝体防渗帷幕灌浆的特征规律

坝体各部位均按拟定要求完成了单排孔距1 m的灌浆施工，累计完成混凝土钻孔12 530.17 m，灌入水泥1 452.5 t，检查孔1 318.3 m，压水试验407段，声波检测1 572.24 m。

4.1 坝体各部位防渗帷幕水泥单位注入量与灌后透水率、声波改变情况

（1）上部帷幕。

右岸非溢流坝段：单排方案前灌浆孔单位注入量190.2 kg/m,单排I序孔117.1 kg/m，Ⅱ序孔114.1 kg/m，Ⅲ序孔93.0 kg/m；灌后透水率＜3 Lu者15.5%，（3～5）Lu者占24.2%，（5～10）Lu占44.8%，仍有15.5%的段次大于10 Lu，最大值为19.6 Lu；灌后平均波速达到3 910 m/s以上，小于3 000 m/s的测点为0.5%；坝后仍有多处漏水点存在。

左岸非溢流坝段：单排方案前施工孔单位注入量174.1 kg/m,单排I序孔150.5 kg/m，Ⅱ序孔162.1 kg/m，Ⅲ序孔161.7 kg/m；灌后透水率＜3 Lu的12.3%，（3～5）Lu的占29.8%，（5～10）Lu占52.8%，大于10 Lu占5.3%，坝后漏水点基本消失；灌后平均波速达到3 970 m/s以上，小于3 000 m/s的测点为2.1%。

溢流坝段（仰孔施工）：单排方案前施工孔单位注入量264.9 kg/m,单排I序孔240.6 kg/m，Ⅱ序孔169.3 kg/m，Ⅲ序孔81.3 kg/m；灌后透水率＜3 Lu的66.7%，（3～5）Lu的占33.3%，坝后漏水点基本消失。

（2）下部帷幕（▽561高程以下）。

单排方案前施工孔单位注入量83.2 kg/m,单排I序孔87.2 kg/m，Ⅱ序孔89.3 kg/m，Ⅲ序孔68.8 kg/m；灌后透水率＜3 Lu的73.6%，（3～5）Lu的占13.2%，（5～10）Lu占11%，大于10 Lu占2.2%；灌后平均波速达到4 380 m/s以上，小于3 000 m/s的测点基本消失,坝后漏水点基本消失。

4.2 坝体碾压混凝土内孔隙分布及透水性特征

碾压混凝土由于进仓前的粗细骨料分离，粗料集中处形成架空，无法搌捣密实，根本上造成了大量孔隙的存在，给坝体漏水提供了大小各异、分布毫无规律的渗漏途径。

（1）坝体碾压混凝土内孔隙率大，透水性强烈。

根据漏水处理的试验初期钻孔压水试验和灌入水泥量分析，坝体内平均孔隙至少达到1.5%以上，局部形成架空，钻孔时，回水消失，物探孔亦无法用水注满孔口，灌浆在坝前坝后未出现冒浆情况下，回浆消失，3 m钻孔灌段内一次性灌入水泥7.2 t，浆量为6 000 L之多，方才慢慢出现回浆和升压等。

（2）各部位混凝土内孔隙分布与透水性具明显的不均一性特征，相邻部位差异性大。钻孔中相邻孔段及同孔内上、下段次内透水性、孔隙连通性和混凝土完整性各不相同。混凝土内孔隙大小、多少、连通程度、透水性与混凝土浇筑质量、离析程度直接相关，离析程度高、碾压欠密实的部位孔隙率高、连通性好、透水性亦愈强烈。

（3）坝体混凝土透水性、可灌性受孔隙连通性程度制约，局部孔段内压水试验时，随时间延长，吸水量减少较多，甚至钻孔回水出现时断时续现象。

（4）▽561高程上、下坝体混凝土透水性存在明显差异。灌浆施工过程中，钻孔取芯、压水试验、单位注入量、声波检测、坝后漏水点分布均反映出这一特征。

4.3 拱坝碾压混凝土坝体灌浆的特征规律

通过按部位分序统计，结合灌浆过程中的各种情况综合分析，沙坝碾压混凝土拱坝坝体防渗帷幕灌浆具以下特征规律：

（1）坝体各部位可灌性强，水泥单位注入量多，同时反映出离析后的混凝土填筑碾压欠密实，孔隙率高。

（2）坝体各部位混凝土单位注入量、透水率改变情况及声波值、漏水点分布存在明显差别。

（3）坝体内相同部位不同高程、相同高程不同部位混凝土内孔隙分布、透水性差异明显，表现出强烈的不均一性。小部分钻孔内结束上段灌浆，注入量较小，再钻下段时，则出现钻孔回水消失；此外，相邻钻孔同一高程内前序孔注入量较小，而紧邻后序孔仍出现回水消失，更有甚者个别检查孔仍出现回水明显减少现象。

（4）坝体碾压混凝土内孔隙连通性具有一定的方向性，沿水流方向的贯通性好于坝轴线方向，可能受坝体漏水影响所致。灌浆试验期间，两排Ⅲ序施工，先灌的上游排孔灌浆压力明显低于下游排的情况下，上游排单位注入量仍较下游排高出近30%，而同一排上相邻序次孔则改变不明显。

（5）离析后的碾压混凝土漏水处理难度大，单排孔距1 m，普硅水泥结合超细水泥灌注，仍难于达到碾压混凝土标准的防渗要求，坝体防渗帷幕灌浆结束后，检查孔压水试验透水率离要求相差较远。左、右岸非溢流坝段为提高拱端坝体的完整性，帷幕灌浆后又实施两排孔的固结灌浆，完成后混凝土波速满足要求；考虑到坝体经过固结补强，透水率会进一步改善，再次实施帷幕压水检查，其结果透水率＜3 Lu占57.9%，（3～5）Lu的占32.9%，（5～8）Lu占9.2%，虽对混凝土内透水率有了较大改善，亦仅仅满足坝体透水率＜5 Lu达到85%，其余段次不超过8 Lu的特定要求。

（6）相同段次内压水试验透水率与注水试验透水率存在差异，表明混凝土孔隙透水率随压力变化而不同。在后续检查孔中，相同段次分别进行了压水试验与注水试验，按各自压力与流量值计算得出的透水率相差2～3倍，这一现象在灌浆试验期间也得到了印证，即同一试段因不同压力试验时计算其值不尽相同，说明混凝土孔隙内压水试验时，孔隙处于扩张状态。

5 几点体会

（1）选择碾压混凝土拱坝漏水处理方案，需综合考虑坝身结构、漏水途径、漏水量大小及原因、混凝土内孔隙的分布规律、透水性与连通性、可灌性、注浆材料、施工方法、工艺参数及要达到的工程防渗标准等因素，力求方案可行、经济、安全。

（2）类似沙坝碾压混凝土拱坝坝体漏水问题，采用水泥材料进行灌注，受其不均一性和连通性影响，能取得一定的防渗效果，但很难满足高标准的防渗要求。

（3）坝体漏水问题对工程安全的影响程度与处理关系重大，直接与安全性、经济性相关。就沙坝而言，拱坝坝体稳定，依靠拱圈的整体有效地将大坝承受的水的作用力传递到两岸拱端，因此，即使坝体混凝土内存在一定的孔隙，只要不集中，应该仍能满足力的传递要求，暂不会影响坝体整体稳定。但若对漏水不处理或处理不当，长期大量的渗漏水作用，渗漏水流不断地溶蚀带走混凝土中的氢氧化钙，势必给工程安全带来严重影响，随着时间推移，安全性会持续降低，不能小视，应加强对大坝的各种监测工作。