高压喷射灌浆防渗墙在高台县小海子水库修复中的应用

张兴锋

（甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院 甘肃张掖 734000）

1 工程概况

小海子水库位于河西走廊的张掖市高台县南华镇小海子村南，距县城约15km，是一座注入式中型平原洼地水库，水库通过引黑河水调蓄。水库分隔为上中下三库。中坝始建于1958年，长5.5 km，形成了目前的中库；1987年在中库上游兴建了目前的上库；2002年在水库除险加固过程中，新建了4.836km长的下坝，形成了下库。

新建的下坝坝型为均质土坝，坝顶高程1370.5m，坝顶宽5.0m，最大坝高8.67m。水库设计总库容1048.1万m3，正常蓄水位1368.1m。

2007年4月19日，小海子水库下库发生溃口事故，水库溃口位于新建成的下坝中间部位，桩号2＋681.0～2＋722.5m处；决口处坝高约8.1m，溃口宽度约41.5m，决口时最大流量约90m3∕s；坝基上部为厚度3m左右的砖红色或土黄色粉质粘土层，下部为粉细砂层。

小海子水库地处祁连山前冲洪积倾斜平原前缘与细土平原的过渡带上，地形平缓，地势开阔。地层岩性在地表为第四系全新统湖沼相堆积或风积层——部分为灰褐色粉细砂、部分为土黄色淤积质砂壤土，一般厚度0.5～2.5m；下部为第四系全新统冲洪积层，总厚度22.5～24.5m，其中在中、下库西部及西北部分为上下两层即上层为砖红色或土黄色粉质粘土或粘土，厚度4.1～2.2m （西厚东薄）；下层为灰黄色或青灰色粉细砂、细砂及中粗砂的韵律结构沉积，厚度约20～22m。在中下库东部地层逐渐演变为粘土层与砂层的互层结构，单层厚0.8～1.2m。深部25m以下则为第四系中上更新统巨厚层的砂卵砾石层。

2 溃坝原因分析

从坝后排水沟粉质粘土 （或粘土）相对隔水层被破坏，地下承压水有了渗流出口开始，到水库蓄水之后，坝基便存在渗流破坏问题。

根据以上渗透变形判别和渗透破坏临界水力比降的确定结果：坝基下第①层浅砖红色粉质粘土层的破坏形式为流土型，其临界水力比降Jcr①＝1.1，允许水力比降J允许①＝0.55；

第②层灰～灰白色轻粉质壤土的破坏形式为过渡型，其临界水力比降Jcr②＝0.42，允许水力比降Jcr②＝0.21；

第③层青灰色细砂的破坏形式为管涌型，其临界水力比降Jcr③＝0.39，允许水力比降J允许③＝0.19；

第②层和第③层土之间存在接触冲刷，其接触冲刷的临界水力比降Jk.kp＝0.18，允许水力比降Jk.p＝0.12；

如果第②层土缺失，第①层和第③层土直接接触也存在接触冲刷问题，其接触冲刷的临界水力比降，允许水力比降Jk.p＝0.08。由此可见，接触冲刷的临界水力比降很小，比它们各自介质本身的临界水力比降小得多。因此，当坝后排水沟粉质粘土 （或粘土）相对隔水层被破坏，地下承压含水层有了渗流出口开始，首先产生接触冲刷破坏，并逐渐向上游发展，这种接触冲刷破坏的过程是较缓慢的，它必需有一定的细粒土流失的时间和积聚场所或排泄渠道，而新旧排水沟交汇后又相交于输水渠道排水，且纵坡较大，其细粒土排泄很畅。随着水库蓄水位的抬高，待实际水力坡降达到大于细砂层和轻粉质壤土或粉质粘土层的临界水力比降后，这种接触冲刷破坏将很快转换成管涌型和流土型 （或过渡型）破坏，而这种型式的破坏将是急速的，它会很快造成坝基被掏空，坝前坝后形成渗漏通道，导致坝体沉降、坍塌，最终酿成决口垮坝。这就是小海子水库发生大坝溃决的地质因素；而区域性地下承压水 （承压水头约0.5m）及其库水越流补给地下水则是大坝溃决的水力因素。

经进一步的地质勘探及大量试验证明，小海子水库确系坝基下轻粉质壤土或粉质粘土与下部砂层间的接触冲刷破坏所致，接触冲刷的临界水力比降很小，比它们各自介质本身的临界水力比降小得多，所以在区域承压水的作用下首先产生接触冲刷，如果没有渗流出口，这种接触冲刷是无害或其危害是潜在的，在坝后新开挖的排水沟及相交于输水渠排水提供了渗流出口和细颗粒堆积与排泄的条件，再加上在排水沟内抽水灌溉，更进一步加剧了细颗粒的运移，使得接触冲刷变为有害的渗流破坏，进一步发展转变为砂层的管涌破坏和土层的流土破坏，随着细颗粒的逐步带走，在坝底及坝前铺盖下部形成了空洞，在坝底下最大，向上游延伸逐渐变小，这在开挖追踪漏水通道时已经揭示清楚，这种破坏随着时间的推移，最终导致了大坝的溃决。这是国内罕见的在特殊水文地质条件下所导致的坝基接触冲刷破坏，在以后工程设计中对多层不同介质接触冲刷应引起足够重视。

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3 溃口修复设计

针对溃口存在的问题，主要采用抛厚卵石，挤密压实基础后再回填砂砾石，然后回填壤土坝体等常规的修复措施。对于溃口附近600m及其余坝基存在接触冲刷破坏的坝段共计2790m，经比较后采用高压喷射灌浆防渗墙进行垂直防渗处理，以彻底切断接触冲刷破坏途径。

高压喷射灌浆法，就是采用高压水或高压浆液形成高速喷射流束，冲击、切割、破碎地层土体，并以水泥基质浆液充填、掺混其中，形成桩柱或板墙状的凝结体，用以提高地基防渗或承载能力的施工技术。

本次垂直防渗采用高喷防渗墙形式。高喷防渗墙是由选喷柱形桩、摆喷扇形断面桩或定喷状墙段，其中的一种或两种、三种彼此组合搭接起来，形成的地下防渗墙。根据该工程的地质条件采用三管法摆喷对接形式。

高压喷射灌浆施工参数的确定是防渗墙成墙质量的重要环节，严格按照规范操作和高喷灌浆施工技术参数进行施工，是确保施工的关键，其中确定孔距是一个难点，是保证工程经济和工程安全的一个重要参数。设计时施工主要技术参数由室内配方和现场试验决定，该工程施工主要技术参数如下：

（1）高喷灌浆的孔距为2.0m，高喷灌浆的成墙厚度≥20cm。

（2）防渗墙钻孔为垂直孔，其偏斜应小于0.3%。

（3）高喷灌浆孔位与设计孔位偏差应小于5cm。

（4）高喷灌浆的形式为摆喷，摆角15°。

（5）提升速度：提升速度的快慢直接影响浆液用量，提升速度过快，则墙后不稳定、易产生空洞，且切割半径不符合要求，会造成防渗墙搭接处产生薄弱环节。提升速度太慢，则冒浆量过大，造成水泥浪费，因此需根据灌浆试验确定不同土层的提升速度。结合其它工程经验，初步确定细砂层的提升速度为8cm／min，粘土层的提升速度为12cm／min，具体参数施工时可根据现场试验确定。

（6）高喷灌浆的水压为25～35MPa，流量为80L／min；空气压力为0.5～0.7MPa，风量为1.1～2.0m3／min；水泥浆压力为0.8～10MPa，流量为80L／min。

（7）注浆水泥浆比重控制在1.6～1.7g／cm3，回浆比重控制在1.2g／cm3。

（8）高喷墙的位置：高喷墙布置平行于坝轴线、在大坝前坝脚下游2m处，与坝体一起形成完整的防渗体。

（9）高喷墙防渗范围：溃口段采用高压喷射灌浆，控制范围100m。由于该段冲坑部分最大冲深达到8m，考虑清淤与工程安全，确定溃口段高喷墙高度为12m，自坝底起深入到未受扰动的砂层中以下3m，以保证工程安全。

表1 高喷墙墙体性能指标

（10）高压喷射灌浆材料：该工程的高压喷射注浆的主要材料是水泥，水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥强度等级≥32.5，灌浆所用的水泥应保持新鲜无受潮结块，其细度为0.080mm方孔筛余量不大于5%，水泥浆由制浆机搅拌而成，水灰比1.0～1.5，搅拌时间不小于2min。

4 施工中参数调整

2009年9月11日，施工单位在设计高喷灌浆段进行了三管法摆喷试验，试验孔距按2.0m、1.5m和1.0m三种孔距布置。各种孔距各布置5个孔，总共15个孔。9月18～9月20日完成了试验段施工。24日，在设计单位、监理单位及业主的参与下，对高压摆喷试验段的防渗墙进行了开挖检查，经检查，孔距2m的试验区段，高喷后孔与孔之间不能形成连续的墙体，墙体断口长度为40～50cm；孔距1.5～1.0m的试验区段，高喷后墙体连续完整，搭接处墙体厚度能达到设计厚度，连接良好，成墙效果好，均能满足设计要求。

根据试验段试验成果，最终选取孔距为1.5m。其余参数经试验后采用以下参数，具体见高喷墙施工采用参数表2。

表2 高喷墙施工采用参数

5 结语

针对小海子水库溃坝原因分析，对溃口及部分坝段坝基存在的接触渗透破坏用水平防渗无法阻断，在设计中采用高压喷射灌浆防渗墙进行处理，并在施工过程中对相关设计参数进行了试验调整，形成完整连续的高喷墙，对接触面进行了阻断，有效防止了接触渗透破坏的发生，取得了较好的效果。工程于2010年9月通过竣工验收，目前运行情况良好。小海子水库坝基接触渗流处理成功取得的经验和相关施工参数，对其它类似工程具有较好的借鉴意义。

1 SL274－2001，碾压式土石坝设计规范［S］.

2 GB50287－99，水利水电工程地质勘察规范［S］.

3 刘杰著.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训［M］.

4 张兴锋等 .高台县小海子水库决口修复方案初步设计报告［R］.

5 DL／T5200－2004，水利水电工程高压喷射灌浆技术规范［S］.