新疆某水库除险加固综合处理技术的应用探究

焦学荣

（新疆沙湾县水利局乌兰乌苏水管所，新疆 沙湾 832021）

1 工程介绍

新疆某水库始建于1973 年，是一座以灌溉、防洪为主的小型水库，大坝为碾压式均质水坝，灌溉面积达541.7 hm2，由于当时施工技术有限，实际建成的水坝总库容为70×104m3，远小于设计库容（105×104m3），经过40 多年的运行消耗，水坝的坝基渗漏严重，为了保证水库的安全运行，近十几年水坝每年的蓄水量均小于55×104m3。对水坝进行地质勘测发现，当水库蓄水量接近55×104m3时，大坝距后坝坡坡脚5 m 处坝址出现严重冒水翻砂现象。水库在2009 年进行过一次除险加固，加固后水坝水位可达到962.54 m，水库的库容最高可达80×104m3。

对水坝进行地质勘测发现，坝体主要由含砾粉土组成，水坝建筑坝体土质较松散，总体建筑质量较差。坝基的主要成分由第四纪松散砾石和凝灰质砂岩组成。砾石层的主要颗粒成分组成为：＜0.075 mm 粒径占3.9%，0.25 mm～0.075 mm 粒径占5.1%，0.5 mm～0.25 mm 粒径占1.7%，2 mm～0.5 mm 粒径占6.7%，10 mm～2 mm 粒径占20%，20 mm～10 mm 粒径占19%，40 mm～20 mm 粒径占23.9%，60 mm～40 mm 粒径占11.1%，＞60 mm 占8.5%，经勘测砾石层的总厚度为9 m，渗透系数为1.8×10-2cm/s。水坝下部基岩强风化带土质的渗透系数为3.2×10-2cm/s。

2 施工方案选择

该水坝是一座以灌溉、防洪为主的小型水库，除险加固的目的主要是增加水库库容，降低坝基的渗漏，延长水坝的使用寿命和服务安全性。针对此工程特点，主要进行水坝的防渗施工处理[1]。

传统水库除险加固主要采用混凝土防渗墙的施工工艺，这种施工工艺存在以下缺点：一是施工难度较高，工程量较大，施工成本较高；二是弹性模量值较高导致墙体的应力较高，混凝土防渗墙的服务寿命较短，建成的水坝强度和抗渗性较差，另外墙体施工厚度较大，工期较长，相对增加了施工成本；三是对原水坝的坝体扰动较大，对坝基会产生不利影响。

采用高压喷射灌浆（坝基沙砾石层垂直防渗）和帷幕灌浆（坝基强分化层垂直防渗）综合处理技术有明显优势，此施工方式对原水坝扰动较小，施工方式较简便，成墙效率较高，施工成本较少，经高压喷射灌浆和帷幕灌浆综合处理技术进行水坝的除险加固施工后水坝的弹性模量较小，墙体的应力值也较小，水坝强度和抗渗性较高，符合本工程施工要求[2]。结合本工程特点，决定采用高压喷射灌浆和帷幕灌浆综合处理技术进行除险加固施工。

3 灌浆施工设计

高压喷射灌浆技术在进行施工时利用钻机钻孔到工程设计深度，利用高压泥浆泵将带有喷嘴的注浆管道插入需要加固位置进行高压射流冲击相应土体。在冲击力、离心力、重力共同作用下破坏施工范围内的土体结构，形成一定比例浆液，进行有规律的重新排列，在浆液凝固后形成复合团结体，从而提高结构的承载力，降低渗流[3]。本工程采用三管喷射装置进行高压喷射灌浆施工。

3.1 加固机理

3.1.1 高压喷射灌浆加固机理

三管喷射装置（能输送水、气、浆三个通道的喷射装置）进行高压喷射灌浆施工时，能够从喷射管喷出水压力35～40 MPa、水量70 L/min 超高压水流及气压0.5～0.7 MPa、气量60 L/min 的一般压力圆状气流，将施工范围内的土体结构破坏，再由浆液通道喷射管喷射进浆密度1.6 g/cm3、灌浆压力0.6～1 MPa、喷射浆量60 L/min、摆动速度6 r/min、摆动角度30°的水泥浆液进行替换充填。（上述参数是结合本工程实际情况的实际施工参数）

3.1.2 帷幕灌浆加固机理

帷幕灌浆是按照实际工程情况提前布置一排或多排灌浆孔，然后进行浆液灌注施工填充水坝岩层缝隙，使之形成一道连续的阻水幕，增加水库坝基强分化层的防渗效果，使之符合水库除险加固要求。结合本工程特点采用布置一排灌浆孔，孔距设置为2 m。

3.2 灌浆设计

3.2.1 高压喷射灌浆防渗墙施工厚度

根据工程特点在水坝947 m 高程处设置前坝脚单排灌浆孔，坝基位置的防渗墙施工穿过透水层后应再施工0.5 m，直至深入基岩层。经工程设计分析，高压喷射灌浆孔的最大深度为15.5 m，坝基位置灌浆孔的最大深度为9.5 m。

高压喷射灌浆防渗墙厚度计算公式依据《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DLT5200-2004）[4]要求得出：

式中：δ——代表高压喷射灌浆防渗墙厚度，cm；

H——代表大坝上、下游压力水位差，m；

L——代表高压喷射灌浆防渗墙允许的水力坡降。

大坝上、下游压力水位差H 经计算分析数值为17.50 m，根据《规范》中高压喷射灌浆安全系数取值范围为3～5，可以确定高压喷射灌浆防渗墙允许的水力坡降L 取值范围为200～400，最终结合本工程计算出高压喷射灌浆防渗墙厚度δ 为20 cm，在进行实际施工时高压喷射灌浆防渗墙厚度在20 cm 以上，符合施工设计标准。

坝基砂砾石经高压喷射灌浆防渗墙施工后，实际坡降值为0.005，远小于工程要求的砂砾石允许坡降值（0.03），可以确保防渗施工后坝基渗透在可控范围内。

3.2.2 帷幕灌浆施工厚度

大坝坝基及坝肩的除险加固防渗施工结合本工程的施工条件，决定坝基及坝肩的帷幕灌浆施工采用预埋灌浆法进行，帷幕灌浆厚度计算依据《能源部、水利部水利水电规划设计研究院碾压土石坝设计手册》要求得出：

式中：T——代表帷幕灌浆施工厚度，m；

H——代表大坝上、下游压力水位差，经计算取值17.5 m；

β——代表通过帷幕的水头衰减系数，取值0.7；

Iα——代表帷幕允许的水力坡降，取值18。

从公式（2）可以得出帷幕灌浆施工厚度T 应大于等于0.68 m。本工程采用预埋灌浆法进行帷幕灌浆施工，实际帷幕灌浆施工厚度T 为1.4 m，远大于理论帷幕灌浆施工厚度，符合工程施工要求。

3.2.3 坝体及坝基的渗流量分析

坝体及坝基的渗流量分析主要包括计算断面的选择、计算参数的确定、计算程序确认及相应计算结果。

计算断面的选择，根据工程特点选择河床覆盖层较深的断面（桩号0+080）及坝岸边坡覆盖层较浅的断面（桩号0+030）作为本工程渗流量分析的计算断面。计算参数的确定，水坝坝体主要结构土质为含砾粉土，渗透系数取值5×10-4cm/s，水坝2009 年加固后坝体土质为低液限黏土，渗透系数取值2×10-6cm/s，水坝基岩位置强风化带渗透系数取值3.2×10-4cm/s，高压喷射灌浆防渗墙渗透系数取值1×10-8cm/s，帷幕灌浆防渗的渗透系数取值帷幕灌浆1×10-6cm/s。计算程度确认，本工程坝体及坝基的渗流量计算分析选择平面稳定渗流计算程序STSE99（DOS 版）进行计算，运用此计算程序得出坝体及坝基的渗流量计算结果见表1。

从表1 显示结果可以看出，水坝坝体及坝基经此次除险加固后取得了良好效果，大坝的渗流面积大大减少。

表1 坝体及坝基的渗流量计算结果

3.2.4 灌浆孔距及布置方式

灌浆孔距合理布置是科学施工的关键，对工程质量和施工造价将产生直接影响。本工程结合此水库施工特点采用折线形摆喷的布置方式，灌浆孔隙之间的距离均在1.5 m，灌浆完成后对灌浆孔距及布置方式进行试验分析，确定布置合理，符合水坝除险加固设计要求。

4 除险加固施工中的注意事项

第一，施工前应进行场地平整，提前挖好排浆沟、钻机定位准确并放置水平，钻杆与地面垂直，进行钻孔施工时，钻孔倾斜率要小于0.3%。进行钻孔定位施工后，灌浆设计孔位和实际孔位施工偏差要小于5 cm。

第二，进行灌浆施工时要提前配置好水泥浆液，合理控制水灰比及浆液比重。灌浆施工时严格按照施工流程进行。

第三，本工程采用三管喷射装置进行高压喷射灌浆施工，进行喷射灌浆施工时要在地面进行水、气试喷，然后转移至工程设计深度，高压喷射时轴线方向呈折线形。

第四，在进行高压喷射灌浆施工时主要分两步进行施工，通过对本工程实际灌浆施工发现，在利用喷射管喷出超高压水流及气一般压力圆状气流将施工范围内的土体结构破坏时（第一工序），当施工强度不够，不能顺利破坏土体结构，水坝墙体具有不均匀特点、浆液通道喷射管喷射水泥浆液穿透能力较弱（第二工序），这时易导致灌浆密度小造成防渗效果较差，甚至出现灌浆孔洞。所以在实际施工时，要保证第一工序的施工质量，待第一工序达到一定强度后再进行第二工序的喷浆施工，这种施工方式能保证防渗效果。灌浆施工完成后开展注水试验，共试验6 段，渗流系数最大值为8.2×10-6cm/s，渗流系数最小值为6.6×10-7cm/s，均符合工程质量要求。

5 结语

结合本水库实际工程特点，进行除险加固施工时，采用高压喷射灌浆和帷幕灌浆综合处理技术进行水坝坝基的沙砾石层和强风化层的防渗施工时，对原水库扰动较小，施工方式较简便，能明显降低坝基渗漏，增加水库库容，延长水坝的使用寿命和服务安全性。此除险加固方式可以为类似工程提供参考价值。