喻家河水库大坝基础处理施工方法

刘安宇，杨仕志

(1. 湖北大禹水利水电建设有限责任公司，湖北 武汉 430070；2. 湖北省水利水电规划勘察设计院，湖北 武汉 430071)

喻家河水库大坝位于湖北省恩施市龙凤坝镇清水河上。工程大坝为碾压混凝土重力坝，由河床溢流坝段和两岸非溢流坝段组成。坝顶高程为543.00 m，坝基建基面高程483.00 m，相应的最大坝高为60 m。坝顶宽度5 m，大坝总长270 m，从左至右分10个坝段，其中1～3号坝段在左岸。

1 特殊的工程地质条件

水库工程坝区位于柏杨坪向斜西支北西翼地层，单斜地层结构。右岸坝段主要为吴家坪组薄层硅质岩，岩体较完整，上游段岩体完整性好于下游段岩体。下游段岩体局部裂隙夹泥。河床坝段主要为厚层灰岩夹硅质岩互层，硬脆碎特征或厚层灰岩夹硅质岩互层。左岸坝段主要为大隆组泥灰岩夹页岩，层间结合较差。结构面较发育-发育，不利于坝基稳定。综上河床坝段和右岸坝段采用常规处理措施即可满足建基面要求，但左岸工程地质条件较差，明显不满足工程建基面要求，需要进行处理。

工程大坝于2015-04-28日正式开工建设，逐步揭示大坝河床及左岸衔接部位及左岸岸坡工程地质条件较复杂，现场重新补充勘探显示2号坝段及3号坝段斜坡段岩体风化破碎现象十分突出，存在下伏缓倾角推覆断层F，断层之间有弱夹层，具有“上硬下软”岩性结构特征，临坡开挖边坡强风化岩体厚度较厚。造成原岸坡地层弱风化下限划分较浅，与原勘探不符，开挖建基面不满足地基基础设计要求。

大坝左岸开挖范围地层属推覆断层F上盘地层，地层岩性由大隆组泥灰岩夹页岩、大冶组薄层夹中厚层白云质灰岩组成，总体倾向左岸偏下游，近断层影响带岩层褶皱发育，临坡卸荷裂隙及地下水溶虑作用形成强风化岩体。开挖边坡为缓倾角逆向岩质边坡，虽然整体结构属于稳定类型，但由于地层岩性结构差异风化特征，在左坝肩开挖过程中，出现临坡岩体松弛变形、局部滑塌现象，根据施工期补充勘察，确认上部强风化岩体及崩塌堆积物。

2 设计、施工提出的处理措施

根据大坝基础开挖揭露的建筑物地基地质条件及发现的工程地质问题，设计中突出解决两大问题：一是左岸的地基处理问题，主要解决地基的渗漏和地基破碎问题，其措施是采取帷幕灌浆；二是左岸坝体的稳定问题，如果按照与右岸相同的坝体断面，其抗滑稳定不能满足要求，其解决措施是对左岸坝体采取“特殊措施”，即采取上下游拖板、深层固结灌浆、锚桩等综合处理措施。对于喻家河水库大坝左岸这种特殊地基，其灌浆方法还有其特殊性，本文根据笔者亲身的经验和体会，将帷幕灌浆和固结灌浆的基础处理问题作粗浅的叙述。

2.1 前期工作

第一步是先导孔和试验段工作。根据先导孔、试验段和灌浆平洞地质资料，左岸灌浆帷幕分三个区：坝基段(包括1、2、3号坝段斜坡段坝基)、近坝岸坡段(左岸坝头接灌浆平洞内50 m范围)和远坝段(灌浆平洞50～170 m范围)。

根据前期勘察及先导孔岩性分布，左岸坝肩基础中上部灰岩段岩性为泥质灰岩、白云质灰岩，构成推覆断层上盘地层，岩体结构破碎，透水性极强。岸坡段顺河向卸荷裂隙带构成近坝段上下游的岩溶裂隙渗漏通道，灌浆平洞内该段帷幕灌浆试验段灌浆孔在高程480～500 m区间溶蚀裂隙细沙充填，属于重点截渗区域。左岸坝肩基础下部硅质岩岩性段构成推覆断层下盘地层，岩体结构较完整，岩性相对不透水，构成左岸坝肩基础及近坝段下部相对隔水层。

为了大坝渗流稳定安全，防渗设计的总体思路是：坝基段和近坝岸坡段帷幕底部进入相对隔水层硅质岩岩性段，形成封闭帷幕，远坝段由于相对隔水层较深，帷幕端点也没有达到相对隔水层，拟采取悬挂式帷幕，帷幕底线参考地下水位并通过渗流分析合理确定。

岩体裂隙充填物允许坡降的确定：左岸坝基坝肩为裂隙岩体，属破碎和较破碎，岩性为中厚层块状白云质灰岩夹页岩，页岩夹薄层状灰岩、泥灰岩或灰岩，泥灰岩夹页岩，互层结构，沿坝肩卸荷裂隙发育，并有强风化带分布，容易形成渗漏通道。渗透变形主要是裂隙充填物的颗粒位移和掏空，属机械管涌。根据野外和平洞调查，本工程岩体裂隙充填物为岩屑和粘土，局部裂隙张开，充填较密实。裂隙充填物的渗透坡降参考经验值。根据资料并结合本工程岩体特点，裂隙充填物的渗透临界坡降取值2.3，允许坡降为临界坡降为1.5。

左岸岸坡地质结构以F断层为界分为两个地质单元：F断层下盘为吴家坪组硅质岩夹灰岩，岩体相对较完整，属相对隔水岩组。F断层以上(高程489～470 m)受构造影响，岩体破碎，呈碎块状结构，左岸岩体处在F断层上盘，地层岩性自上而下为薄层白云质灰岩、泥灰岩夹页岩、薄层硅质岩夹灰岩。地层产状倾向80°～90°倾角18°～20°。层间褶皱发育，舒缓波状，岩体破碎，松散，裂隙张开充填泥质和岩屑，局部发育陡倾顺河向卸荷裂隙。

2.2 左岸基础帷幕设计

1、2、3号坝段和左岸灌浆洞进口50 m范围内帷幕灌浆为3排，排距0.75 m，间距2.0 m；左岸灌浆洞内其他帷幕灌浆为2排，帷幕灌浆孔距2.00 m，孔深根据先导孔成果确定，按深入相对不透水层(q≤5 Lu)以下5.00 m控制。基于固结灌浆施工中耗灰量巨大，为查明左岸帷幕灌浆底线以及为大面积帷幕灌浆提供经验，现场进行了帷幕灌浆试验，并以此成果调整帷幕底线。帷幕灌浆施工顺序为：下游排、上游排、中间排。

2.2.1 左岸帷幕灌浆试验

喻家河水库左岸坝肩及坝顶灌浆平洞岩体属于极强透水岩体，前期坝肩固结灌浆出现吸浆量过大，注浆孔持续不起压不回浆现象。为保证有效防渗，在左岸帷幕灌浆施工前进行专项帷幕灌浆先导孔及帷幕灌浆生产性试验研究[1]。帷幕灌浆先导孔选取设计左岸帷幕线17个Ⅰ序孔进行，试验段选取灌浆平洞内41.5～49.5 m的8 m段长进行三序孔生产性灌浆试验，施工顺序为：下游排、上游排、中间排。图1为左岸试验段帷幕灌浆孔及检查孔孔位布置图。

图1 左岸试验段帷幕灌浆孔及检查孔位布置图

帷幕灌浆试验段检查孔有5段小于5 Lu，其余均在5～10 Lu之间，虽然试验段透水率不满足规范和设计要求，但从总体来看，能将大部分孔段透水率大于100 Lu的试验段灌到小于10 Lu，说明试验段总体达到了试验目的,工艺可用于指导左岸大面积帷幕灌浆施工，对于局部检查孔透水率大于5 Lu部位采用补灌的方式使其达到规范和设计要求。根据帷幕灌浆先导孔成果，设计部分加深了坝肩至洞内50 m的三排帷幕灌浆底线。其他洞内帷幕灌浆按照悬挂帷幕的要求，经渗流稳定计算满足要求后适当提高了帷幕底线，未完全深入相对不透水层。

2.2.2 左岸帷幕灌浆后渗流稳定计算

左岸帷幕灌浆形成后的渗流稳定计算工况：上游水位取校核洪水位，下游取最低水位。

经过计算分析表明，左岸渗流稳定满足地质专业提出的允许坡降1.5的要求，其中灌浆洞内由于上下游山体雄厚，故渗流坡降很小。1号坝段由于坝底面较窄，渗透坡降最大，达到了1.29，2号坝段次之，但也达到了0.70。设计也计划在左岸增加渗流观测设施等[2]。确保大坝渗流稳定。

3 帷幕灌浆施工

由于该施工部位地质条件特殊，在此前相同地质条件下各灌浆孔段注入量均超大，对该部位灌浆主要采用先回填或充填灌浆，再进行压力固结灌浆，最后按相应压力灌浆达到防渗效果。根据之前灌浆情况总结分析，该灌浆部位均采用少灌多复，结合浓浆间歇，灌入一定数量后停灌待凝，并根据累计注入量情况掺入砂浆或添加速凝剂等灌注方式。

具体操作如下：①对于钻孔无回水孔段，上下首次送浆采用1∶1纯水泥浆按1.6 t/m灌注，若注入量无变化，则掺入砂浆灌注，砂浆应充分搅拌，保证其和易性。砂浆累计注入量亦按1.6 t/m控制，若注入量仍无明显变化，则添加速凝剂灌注，直至灌满孔段顶部以上浆液不下降为止。②中间排用纯水泥浆灌注，采用少灌多复的原则，开灌水灰比按规范和设计要求控制，累计注入量达2.0 t时，则停灌待凝24 h以上再扫孔复灌。直到满足设计灌浆压力和灌浆结束标准方可进行下一段钻灌施工。③灌注水泥砂浆时，水泥砂浆的重量比为水∶水泥∶砂=0.1∶1∶0.5，砂的用量可以根据试验注入效果适当调整。④采用速凝剂(水玻璃)灌注时，水泥与水玻璃的重量比为水泥∶水玻璃=100∶(5～10)，初凝时间为50～60 s，水玻璃的用量根据现场试验调整确定[3]。

灌浆压力根据设计技术要求如下：

1)帷幕灌浆试验孔及先导孔灌浆压力从0.6～1.0 MPa逐渐达到2.0 MPa，在施工中控制接触段及其第二段的灌浆压力，并进行严格的抬动观测孔安设和观测，必要时灌浆压力可作适当调整。

2)灌浆应尽快达到设计压力，但对于注入率较大或易于抬动的部位应分级升压。

3)压力表必须安装保护装置，保证读数正确。压力值宜读取压力表指针摆动的中值。对于无回浆无压力孔段，先采用浓浆灌注，待有回浆时则采用分级升压法灌注，最后采用设计压力灌注至结束[4]。

4 左岸基础固结灌浆设计与施工

1)固结灌浆设计。2号和3号坝段505.00 m以下固结灌浆、间排距3.0 m；平均每孔钻混凝土约11 m，钻基岩约15 m，均按照孔口封闭法，自上而下灌浆工艺灌浆。

1号和2号坝段505.00 m以上固结灌浆底部高程由476.0 m逐步上抬至534.4 m，入岩深度28.02 m逐步递减到8.0 m。间排距3.0 m。

2)固结灌浆施工。左岸1、2、3号坝段固结灌浆过程中，发现部分孔无法起压，对于此类孔，采取了浓浆、待凝、扫孔复灌等措施，需要消耗更多水泥用量。

3)固结灌浆质量检查。在左岸坝段的坝体上下游底部作了拖板延长与地基的接触面积并进行深层固结灌浆。钻灌过程采用自上而下分段造孔灌浆。该区域固结灌浆后后续检查孔回水明显从孔口翻出，钻孔中水位稳定，具备声波测试及压水试验条件。随后对其进行了6个孔的声波测试及压水试验。

结合声波测试成果，根据《水利水电工程勘察规范》(GB50487-2008)，固结灌浆后坝基岩体的完整性略有提高，由破碎级提高至较破碎级。1、2号坝基的固结灌浆检查孔S9～S12的完整性明显提高，由较破碎级提高至较完整级。

根据固结灌浆检查孔试验要求进行了分段阻塞，分段压水试验结果表明，经过固结灌浆坝基岩体抗渗提高明显，从漏水到不透水，检查孔压水试验满足要求小于10 Lu占比75%，还有15%由于止水部位障碍做简易全孔压水试验，换算值也小于10 Lu；可以视作90%的压水试验指标满足固结灌浆检查孔的设计要求[5]。

5 灌浆效果

根据左岸地层帷幕灌浆先导孔和灌浆试验揭露的水文工程地质条件，左岸坝基及近坝库岸下伏硅质岩作为相对隔水层调整左岸帷幕灌浆底线。根据灌浆试验确定以待凝复灌循环水泥灌浆工艺为主。坝肩50 m以外，根据地下水位观测孔复核的地下水位及渗流稳定计算确定采用悬挂帷幕。既能保证工程安全，也减少了不必要的工程投资。经现场施工后质量检查和蓄水验证，证明固结灌浆、帷幕灌浆工艺选择合适，灌浆质量可靠。后期还要加强渗流观测，发现异常及时处理。