古黄河水利枢纽工程深厚覆盖层防渗技术探究

(1.淮安市淮安区水利建筑工程公司，江苏 淮安 223200；2.淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏 淮安 223400；3.江苏淮源工程建设监理有限公司，江苏 淮安 223001)

1 工程概况

古黄河水利枢纽工程，位于江苏淮安涟水县古黄河流域下游3km处，工程由节制闸、水电站和公路桥构成，节制闸与水电站均位于流域河槽以内，呈一字布置，节制闸位于河段河道南侧深泓，水电站位于河道北侧凹弯段，为河床式水电站。古黄河水利枢纽旨在抬高杨庄闸至涟水县城河段河道水位，借助河川库容保证城市供水。 2011年3月—2016年3月，工程历时5年建设，耗资2.26亿元。

古黄河水利枢纽工程区基岩裸露，强风化层浅，海拔高，地震烈度大，覆盖层深厚。古黄河河床属粉质砂土，受洪水冲刷水土流失严重，局部河段河槽弯度巨大，水流紊乱，险工患段普遍存在，因此修建水利工程首先要充分考虑水流运动。

2 深厚覆盖层防渗技术

2.1 防渗方案

在考虑工程区地质条件和现有技术水平的基础上，针对该水利枢纽工程深厚砂砾石覆盖层深度150多米的实际情况，决定实施“上墙下幕”结合垂直防渗[1]。上部布设80m×1m(深×厚)的塑性混凝土结构防渗墙，并于其下部设置3排70m深的灌浆帷幕。防渗施工开始前在距离墙轴线2.50m的上下游位置沿墙轴线方向分别布设1排孔距2.50m的钻孔，用于灌浆管的敷设。防渗墙施工过程中，预埋1排φ150、孔距2.50m的焊接钢管(排浆管)，且按10m间隔设置定位架。防渗墙施工结束后，向墙下进行钻孔灌浆通过预埋灌浆管完成，并由灌浆管和排浆管形成封闭帷幕。古黄河水利枢纽工程区域自然条件恶劣，如果实施水平平铺防渗，则工程后期及运行过程中维修工作量将大大增加，安全隐患突出，出于防渗效果和后续运行管理方面的考虑，宜进行“上墙下幕”结合垂直防渗(见图1)。

图1 “上墙下幕”结合垂直防渗技术

2.2 防渗墙施工

该水利枢纽工程防渗墙施工工序主要有导向槽和防渗墙开挖槽孔、泥浆护壁、清孔、换浆、浇筑混凝土、敷设接头管、导管浇筑、拔管等。为满足3台冲击钻同时施工作业要求，防渗墙施工槽段划分为Ⅰ期6.50m和Ⅱ期6.70m。

2.2.1 钻劈成槽

古黄河水利枢纽工程深厚覆盖层地基中大块漂石大量存在，局部地段多处架空，如果实行钻抓成槽则发生塌孔、漏浆、卡斗等事故的可能性很大，为此，工程深厚覆盖层防渗墙施工采用“钻劈成槽”技术，施工过程中主孔钻进主要通过高性能冲击钻设备完成，而后劈打附孔，劈打附孔过程中劈落的钻渣通过放置于邻近主孔内的接渣斗盛接，盛满后直接提出，施工工效得到保证。

在运用“钻劈成槽”技术钻进槽孔时如遇漂石、块石等“探头”形态的孤石，必将影响钻进速度，导致钻孔偏斜，甚至卡钻，为确保施工顺利进行，该工程采取定位爆破、岩芯钻机钻孔爆破[2]的方式事先炸掉漂石、块石等“探头”孤石。

2.2.2 接头拔管

防渗墙止水防渗是否成功关键在于防渗墙槽段连接部位是否完整封闭，为此，必须实施可靠的连接措施。该工程深厚覆盖层防渗墙槽段连接采用接头管法和钻凿法技术工艺，深度不足50m的槽段采用钻凿法，深部槽段则采用接头管法。

槽孔内部混凝土浇筑结束后必须及时拔除接头管，拔除接头管的时间应根据混凝土初凝时间确定。按照设计规范所确定的混凝土配合比配置0.1m3混凝土，其初凝时间为8～15h，这也就是接头管起拔时间。该工程采用HZX-80拔管机，拔孔直径50～190mm，拔管深度20～90m，最大拔除速度1450mm/min，额定起拔力800kN，电机功率5.50kW。

2.3 帷幕灌浆

2.3.1 灌浆材料

古黄河水利枢纽工程深厚覆盖层实施水泥黏土帷幕灌浆，原石渣填筑体充填水泥黏土浆液，黏土主要为红黏土(物理性能参数见表1)。

表1 工程帷幕灌浆所用红黏土物理性能

该工程设计要求的固料配合比为：水泥材料通过80μm方孔筛筛余量不大于5%，水泥 ∶黏土=1 ∶1～1 ∶0.6，具体的灌浆施工中开灌水固比4 ∶1，此后按照水固比4 ∶1、3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1依次调整浆液。浆液黏度较大则必须添加高效减水剂以增大流动性[3]。

砂砾石土深厚覆盖层钻孔施工可能遇到漏浆、塌孔、卡钻、埋钻等安全事故，因此灌浆施工应采用掺加优质膨润土的高密度强黏度泥浆，特殊施工地段还必须在水泥中掺加正电胶、纯碱、聚丙烯酰胺、烃甲基纤维素、腐殖酸钾等增稠剂[4]，增强膨润土性能，提升造浆率，确保泥浆护壁施工效果。

2.3.2 孔口封闭灌浆

古黄河水利枢纽工程深厚覆盖层帷幕灌浆施工在80m以下砂砾石土层进行，采用孔口封闭灌浆的施工工艺：孔口管段钻进、灌浆→孔口管镶铸→初凝至少72h→第一灌浆段钻进、灌浆→第二灌浆段钻进、灌浆→……→终孔灌浆→封孔。

孔口封闭灌浆属于高压灌浆技术，传统的低压灌浆主要是充填、渗透灌浆，高压灌浆则是劈裂和挤密灌浆。由于灌浆过程中灌浆孔内壁土体所承受的拉应力等同于灌浆压力，因此高压灌浆压力必将劈裂灌浆孔内壁土体，拓展延伸原来的孔隙通道，提升砂砾石土的可灌注性能，加快其吸浆速率。浆液受到高压作用后泌水固结，增加固结体强度的同时保证了灌注效果。

灌浆压力应根据现场施工地质条件具体确定，该工程中排孔灌浆压力为2.50～3.50MPa，边排孔灌浆压力为1.50～2.50MPa，在一定的灌浆压力下持续减少浆液注入量，或者在既定的注入率下持续升高注浆压力，则水灰比必须调整。各级浆液注入量达到1000L或注浆时间达到1h但注浆压力和注入率无明显改变时，应增加浆液浓度；孔段浆液注入率不大于1L/min后，应继续灌浆0.5h，之后结束灌浆。

2.3.3 压水试验

帷幕灌浆施工结束后，为检查古黄河水利枢纽工程深厚覆盖层帷幕灌浆施工的防渗效果，进行了压水试验。试验结果表明，帷幕透水率在0.15～14.65Lu范围，渗透系数在2.25×10-6～2.35×10-4cm/s范围，防渗效果良好。

3 防渗效果监测情况分析

为进行古黄河水利枢纽工程深厚覆盖层“上墙下幕”垂直防渗性能的检测，对工程安全状况及运行态势进行客观评价，技术人员进行了砂砾石土深厚覆盖层渗流情况的跟踪监测。为与混凝土防渗墙监测断面对应，渗流监测断面选取坝0+150、坝0+220和坝0+310，并在监测断面坝轴线设置坝上5m、坝下10m、坝下80m和坝下150m的观测垂线。

2016年1月20日—2016年11月20日大坝蓄水期间，随着水位上升，上游5m处渗压计压力以0.078～0.112m/d速率上升，上游水位以0.078m/d速率上升，水位过程线见图2。随上游水位的上升，枢纽大坝坝基下游渗压计以0.002～0.045m/d速率小幅度升高。水位过程线见图3～图5。

图2 蓄水期内0+150断面上游5m处渗压计水位过程线

监测结果表明，古黄河水利枢纽工程深厚覆盖层防渗系统初蓄期间运行良好，“上墙下幕”结合垂直防渗技术应用在该工程深厚砂砾石覆盖层中防渗效果良好。

图3 蓄水期内0+150断面下游10m处渗压计水位过程线

图4 蓄水期内0+150断面下游80m处渗压计水位过程线

图5 蓄水期内0+150断面下游150m处渗压计水位过程线

4 结 论

古黄河水利枢纽工程坝址覆盖层深厚，最深可达160m，工程地质条件极为复杂，坝基防渗难度较大，其防渗设计和施工在国内少有成功经验可以借鉴。在深入研究工程深厚覆盖层地质条件的基础上，提出符合工程实际的施工方案和技术措施：上部修建80m×1m(深×厚)的塑性混凝土结构防渗墙，并通过钻劈成槽施工，下部设置70m深度的灌浆帷幕。2016年3月，古黄河水利枢纽工程下闸蓄水的同时对坝基渗流情况所进行的监测分析表明，初蓄期间大坝防渗系统状态稳定，砂砾石深厚覆盖层“上墙下幕”结合垂直防渗技术方案防渗效果良好。运行三年后，再次监测结果显示，古黄河水利枢纽工程深厚覆盖层“上墙下幕”结合垂直防渗系统设计合理，质量良好，运行稳定，可为推动砂砾石土地基筑坝防渗技术在我国水利水电工程领域的应用提供重要参考。