白垩系砾岩坝基防渗相关设计问题探讨

刘东康，陆彦睿

(1.青海省水利水电勘测设计研究院，青海 西宁 810001；2.青海省江海质检公司，青海 西宁 810012)

青海地处青藏高原，地质条件复杂，大部分水库坝址位于高陡倾角板岩和白垩系红层中，特别是第三系红层土石坝坝基防渗设计和建设管理中存在诸多问题。海东市文祖口和牙扎两座小(1)型水库坝基为白垩系砾(砂)岩，按常规方法进行设计和施工存在诸多问题，设计单位进行了相关研究，本文就坝基开挖与保护、灌浆盖板厚度与锚固、浅表层固结灌浆、帷幕灌浆压力和验收标准等问题进行探讨。

1 工程概况

文祖口坝高44.3m，牙扎坝高57.3m，两坝均为粘土心墙坝。文祖口大坝左岸坝基为白垩系砂岩夹砾(砂)岩，钙-铁质胶结，砂砾岩属较软岩，为中厚-厚层状结构，岩体内陡倾角裂隙中等发育，强风化厚度5～9m，岩体破碎，呈镶嵌结构。砂砾岩比重为2.61～2.65；弱风化岩层饱和抗压强度16.1～35.4MPa，软化系数为0.31～0.88。强风化砂砾岩纵波波速为1623～2361m/s，平均为1849m/s。弱风化砂砾岩纵波波速为2090～4329m/s，平均为3136.7m/s；牙扎坝基左岸为白垩系砂砾岩，物理力学性质与文祖口砂砾岩基本相同，右岸为加里东期安山岩。

2 问题探讨

2.1 截水槽开挖与保护

软岩强风化层一般裂隙发育，破碎严重，可灌性较差。牙扎和文祖口水库原设计截水槽开挖至强风化层下部，施工时由于强风化层完整性差，建基面挖至相对完整基岩。要求建基面满足：①无浮土、虚渣、松动块和干缩崩解层及泥质；②岩体相对完整，为弱～微风化层状或块状；③断层带、层间挤压带、软弱夹层、大裂隙等适当挖槽混凝土回填[1]。施工中没有严格按要求预留保护层，坝基开挖后等待基坑验收放置时间较长，未能及时保护和浇筑灌浆盖板，造成表层岩石风化和裂隙发育，灌浆效果不理想。王甫洲水电站和尼那水电站对第三系红层软岩进行的爆破松动试验表明：基岩开挖爆破对建基面以下一定深度的岩体完整性影响较大，坝基开挖时预留1.2～1.5m保护层是必要的。从尼那电站坝基红层开挖敞露试验区物探成果(如图1所示)看，坝基开挖敞露后基岩因遇水易膨胀软化(或泥化)、失水收缩干裂，完整性和强度明显降低，波速以每天2.83%～3.0%的速率衰减，单轴抗压强度也由11.5MPa下降到9.2MPa[1]。实践证明对白垩系软岩-较软岩坝基开挖时适当预留保护层和及时采取覆盖保护是必要的[2]。

图1 尼那红层物探成果

2.2 灌浆盖板与锚干

为了使防渗体与基岩能够紧密结合，防止接触冲刷，一般在粘土心墙与基岩之间布设混凝土盖板，同时为坝基灌浆提供盖重。通常混凝土盖板厚度60～120cm，牙扎和文祖口水库大坝混凝土盖板厚度0.6m，在0.2～0.3MPa灌浆压力下盖板出现了30多条裂缝，平均间距5.5m，缝宽0.05～0.35mm。这是因为混凝土与遇水以软化、泥化的砾岩、砂岩之间胶结远不如与硬岩间胶结，盖板与基岩间存在相对多一些缝隙，承受的灌浆压力也要相对大一些。事实上混凝土盖板在施工期是一种受力结构，主要承受分布不均匀的灌浆压力，应按受力结构考虑灌浆盖板的厚度。对于遇水易泥化的软岩-较软岩坝基应适当加大混凝土盖板厚度，必要时进行配筋，这是提高盖板抗裂能力和浅表层灌浆压力的必要措施。牙扎坝基局部补充灌浆时，将混凝土盖板厚度由0.6m加厚到1.0m，在灌浆压力0.4MPa的灌浆压力下，10m段长仅在盖板表面出现了0.1mm的微裂逢，说明加厚灌浆盖板可有效提高灌浆压力和防止裂缝[3]。

在面板堆石坝趾板设计中一般都设置均匀布设间排距1.5m左右的锚杆[4]，牙扎水库施工图审查意见明确提出取消锚杆，可能的原因是认为锚杆不承受永久荷载，或简单地将砾岩(砂)岩等同为粘土岩，锚固效果差。文祖口坝在砾岩坝基与混凝土盖板之间设置了入岩4.5m间排距1.5m，直径25mm的锚杆，5根锚杆破坏形拉拔实验表明：锚杆抗拔力均大于10t的设计标准，抗拔力在10.5～15.5t之间。文献[5]表明在软岩中锚杆有效深度一般3.5m，深度4.0m左右钢筋应力接近于零。为了验证牙扎水库建成后坝基灌浆帷幕抵抗水力劈裂能力[4]，在已完成灌浆的灌浆盖板上进行锚杆实验，试验段66m，共布置16根锚杆，锚杆布设间排距1.5m，入岩4.5m，直径32mm。锚杆施工完成后对盖板下浅表层进行补充压水试验，并监测盖板抬动，实验表明：仅增加锚杆实验压力由0.3MPa提高到了0.76MPa时抬动仅20μm，又一次验证了锚杆的作用。

以上文献和实验表明软岩-较软岩设置锚杆能够有效发挥锚杆的作用，提高灌浆压力，间排距以1.2～1.5m、深入基岩4.0～5.0m的锚杆作用相当于3～5m厚的混凝土盖重。在盖板上、下游设0.3～0.5m深齿槽有利于防止沿盖板与基岩面的跑浆、漏浆。锚杆直径以φ25mm～φ32mm为宜，锚杆端部劈叉和微膨胀砂浆注孔有利于提高抗拔力[6]。

2.3 固结灌浆

笔者认为土石坝基进行固结灌浆是必要的，目的除提高浅层基岩的完整性外，更重要的是增强坝基浅表层基岩抗渗性和在低灌浆压力下形成“低压宽帷幕帷”，且为帷幕灌浆造盖[5]，有利于防止基岩抬动。众所周知，无论是硬岩还是软岩，浅表层帷幕灌浆压力较深层帷幕灌浆压力要小得多，一般0.2～0.5MPa，灌浆扩散半径有限，布置适当孔排距和深度的固结灌浆孔可有效增加浅表层帷幕厚度，可加大帷幕孔距和减少排数。在面板堆石坝设计中，一般都对趾板进行“均布式”固结灌浆，孔深设计上也考虑近幕排适当加深，有些坝对近帷幕固结孔进行了加密，虽然帷幕孔仅布置1或2排，但浅表层的关键部位帷幕的实际厚度要比深层要厚，有利坝基渗流安全[7]。

牙扎水库设计审查时按专家意见取消了固结灌浆，文祖口水库坝基固结孔仅设2排，孔排距为3m，施灌时灌浆压力0.1～0.2MPa，固结灌浆未能形成整体效果，检查孔表明0.2MPa灌浆压力下有效扩散半径为0.6～0.8m。寺坪电站坝基布置灌浆孔4排，孔深8m，排距1.5m，孔距2.0m，并且有一排固结孔位于两排帷幕之间，采用小口径管口封闭灌浆方法，起灌压力0.2MPa，目标压力0.5MPa[4]，灌浆效果明显好于牙扎水库。

软岩-较软岩坝基处理除加强清基、加厚灌浆盖板和加强锚固尽可能提高灌浆压力外，应加强固结灌浆，一般以2～4排为宜，孔排距以1.5～2.0m为宜。固结孔深宜根据坝高确定，以5～15m为宜，中间排结合帷幕可适当加深，使浅表层帷幕有效厚度大于或至少相当于深层帷幕厚度[5]。

2.4 帷幕灌浆

帷幕灌浆是构建坝基防渗体系的必要措施，SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》的6.3.10条规定：灌浆帷幕宜采用一排灌浆孔。对地质条件差，基岩破碎带部位和喀斯特地层宜采用两排或多排孔[7]。牙扎水库坝基为砂砾岩，属软岩-较软岩，抗浆力劈裂能力小，属地质条件差的范畴，至少应采用2排孔，设计采用1排不符合规范规定，灌浆试验也证明了这一点。虽然第一次设计变更在上游侧增加了一排，但由于无锚杆锚、固结灌浆间排距大，灌浆压力低，浅表层灌浆效果还是达不到≤5Lu的设计要求[8]，不得已中间又加了一排，先后进行了两次设计变更。文祖口同样由设计的1排帷幕增加为2～3排才达到≤5Lu的设计标准。寺坪电站就小口径关口封闭法和孔内阻塞灌浆法进行了A、B两组对比试验，A组灌浆效果明显好于B组，小口径孔口封闭法可有效提高灌浆压力，最大灌浆压力可达2.33MPa；B组采用常规的孔内阻塞灌浆法，绕塞现象普遍，难以达到设计灌浆压力，灌浆压力较小，一般不超过1.0MPa，最大压力值小于1.5MPa；两组均达到了透水率≤3Lu的要求[3]，可见良好的固结灌浆、合理的灌浆设计和合适的灌浆方法对坝基防渗的作用不容忽视，且小口径管口封闭法灌浆效果好于常规的孔内阻塞灌浆。

因此，软岩-较软岩强度低，采用1排帷幕灌浆难以满足设计要求，采用2～3排的帷幕灌浆是合理的，孔排距宜适当减小一般排距1.0～1.5m为宜[6]。在帷幕孔深的设计上可以考虑主、副帷幕相结合，浅孔深度可为深孔的1/2～1/3。

2.5 灌浆压力

较软岩-软岩岩体抗劈裂能力差，容易出现基岩劈裂和抬动[9]，一般不宜采用较高压力。牙扎和文祖口坝基5～10m在0.7～1.0MPa灌浆压力下均发生了基岩劈裂抬动和地表冒浆。甘肃竹林寺水库灌浆实验表明[6]，当灌浆压力(砂砾岩)≤0.6MPa时，压力与吃浆量呈递增关系；当灌浆压力>0.7MPa时，这种关系不明显；如果灌浆压力≥1.0MPa，基岩发生劈裂和抬动。

对于基岩强度较低的软岩-较软岩进行灌浆压力设计时，要通过灌前压水试验研究基岩极限抗劈裂能力，在灌浆压力设计上应留有余地，一般以0.5～1.5MPa为宜，具体通过灌浆试验确定[10]。

2.6 压水试验

质量监督部门在验收牙扎坝基灌浆帷幕时，提出坝高57.0m压水试验压力按DL/T5148- 2012《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》附录B应为1.0MPa[11]，施工时根据灌浆实验确定的浅表层10m范围内灌浆压力0.3～0.5MPa，这就出现了矛盾，致使验收无法进行拖延工期。设计单位认为砂砾为较软岩层，抗浆力劈裂能力差，应按特殊情况对待，只要浅表层对帷幕经行了加排、加厚处理，可以采用灌浆压力0.8倍进行压水试验。事实上很多已建土石坝工程都采用了较低的灌浆压力，这些水库都能运行正常。类似工程浅表层帷幕灌浆压力见表1，可见对于软岩-较软岩、断层破碎带和风化岩层没有必要过分追求高灌浆压力，通过增加浅表层固结灌浆和增加帷幕排数可以保证帷幕的防渗效果。

表1 类似工程浅表层帷幕灌浆压力

3 结语

软岩-较软岩坝基不同于硬岩，容易出现遇水软化和干缩裂缝，施工时适当预留保护层，并及时保护有利于保持基岩完整和坝基防渗系统建立，加大灌浆盖板厚度和适当的锚固措施有利于提高灌浆压力和防渗效果。固结灌浆是心墙坝基防渗处理的必要措施，根据岩性结合灌浆帷幕设计合理布置固结孔排距和孔深有利于提高浅表层灌浆压力和防渗帷幕的厚度。灌浆试验应将基岩浆力劈裂研究作为重要工作内容，不宜过度最求高的灌浆压力以防止基岩劈裂影响灌浆效果，帷幕质量检查时也应根据不同岩性和灌浆试验合理确定压力，避免因试验压力过大造成对帷幕的破坏。