灌浆防渗在新冲坑水库除险加固工程中的应用

莫海春，陈 勇

（广东珠荣工程设计有限公司，广州 510610）

新冲坑水库位于广东省罗定市苹塘镇良官管理区，距苹塘镇东南约4 km，属西江流域罗定江一级支流围底河的白石河支流。水库于1972 年10 月动工兴建，1974 年10 月建成蓄水投入运行。水库坝顶高程为190 m，最大坝高25 m，坝顶长度75 m，坝顶宽度5 m，如图1 所示。坝址以上控制集雨面积2.42 km2；水库正常蓄水位为187.20 m，相应库容为48.61 万m3；设计洪水标准为20 a 一遇，设计洪水位为189.11 m，相应库容59.60 万m3；校核洪水标准为200 a 一遇，校核洪水位189.74 m，总库容63.39 万m3，工程等别为Ⅴ等，工程规模属小（2）型。

图1 水库大坝平面图（高程：m。尺寸：mm。）

新冲坑水库枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物组成，本工程挡水建筑物、泄水建筑物及取水建筑物为5 级建筑物，次要建筑物为5 级建筑物，临时建筑物级别为5 级。

经地勘检测发现，大坝填土层主要由粉粘粒组成，含砂砾石。由颗粒分析成果可得：填土粉粘粒含量平均为66.9%，砂粒含量平均为11.2%，砾石平均含量21.9%。大坝填土层天然含水率19.7%～32.7%，天然密度1.74～1.92 g/cm3，干密度平均值为1.47 g/cm3，孔隙比为0.752～1.052，呈可塑～坚硬状。坝体填土标贯试验结果一般3～19 击，平均值8.2 击，大部分填土的密实度均匀性差，平均压实度为87.0%，压实度不满足SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》中大坝填土压实度95%～97%的要求，大坝填土填筑质量较差。根据地质钻孔结果表明，大坝坝基为强风化岩体，坝体与坝基的渗透系数都较大。经现场注水实验结果表明，坝体内渗漏量较大，渗漏通道应为坝体裂缝，钻探过程中坝体前立面发生了较大面积的渗水。同时根据现场调查发现，水库长年处于低水位运行，始终无法正常蓄水，坝后坡脚下游也存在渗漏现象。因此，大坝存在严重的渗漏问题，坝体与坝基的结合部位存在接触渗漏问题，影响水库安全运行。

1 坝体加固方案比选

1.1 方案一：坝体塑性砼防渗墙+坝基帷幕灌浆

塑性混凝土是不同于普通混凝土的一种新型防渗材料，水泥用量较低，掺加了较多的黏土等材料，具有低强度和大应变等特性，对于改善墙体的应力状态具有重要意义[1]。要使该防渗墙保持塑性砼的物理力学性质和防渗功能，主要在于合理控制水泥和黏土的用量，并且要充分搅拌使其均匀。原材料和配合比适当的塑性混凝土能够兼顾力学性能和抗渗的要求，避免墙体裂缝，达到最佳的整体防渗效果[2]。

本方案采用塑性砼防渗墙对坝体进行防渗处理，总长90 m，塑性砼防渗墙采用配合比指标为：最大成墙深29.3 m，墙底伸入岩层2.0 m，墙厚0.4 m。

根据地质钻孔资料揭露，坝基粉质黏土层与坝体填筑土结合部渗透系数均大于1.0×10-4cm/s，坝基岩土渗透性不满足规范要求，拟对坝基进行帷幕灌浆处理，帷幕灌浆孔单排布置，孔距2.0 m，通过防渗墙内预埋Φ110 mm 钢管，管底封堵，帷幕灌浆底边线按照10 Lu 线以下3.0 m 控制。

1.2 方案二：高喷墙坝体防渗+坝基帷幕灌浆

高压喷射灌浆技术是通过在地层中的钻孔内装入喷射管，用高速射流（水、浆液或空气）直接冲击、切割、破坏和剥蚀原地基材料，受到破坏、扰动后的土石料与同时灌注的水泥浆或其他浆液发生充分的掺搅混合、充填挤压，至凝结硬化，成为结构较密实、强度较高和有足够防渗性能的构筑物，以满足工程需要的一种技术措施。施工前需进行高喷灌浆现场试验，以确定有效桩径、浆液性能要求、适宜的孔距和墙体防渗性能等[3]。施工过程中操作起来比较简单，既可以降低现场施工人员的工作强度，同时还可以节省劳动时间。因此，高压喷射灌浆技术是一项非常高效的施工技术，对水利水电行业的发展起到了巨大的推动作用[4]。

高喷防渗墙采用两排套接的结构布置形式，单管法施工，一般桩径为0.5～0.9 m，为确保坝体内形成连续的防渗墙结构，本次按照梅花型布置孔距0.8 m，排距0.6 m。坝基进行帷幕灌浆处理，帷幕灌浆孔单排布置，孔距2.0 m，同方案一。

1.3 方案三：坝体劈裂灌浆+坝基帷幕灌浆

劈裂灌浆是利用水力劈裂原理，对质量不好和存在隐患的土坝在坝轴线上钻孔、加压灌注泥浆形成新的防渗墙体的加固方法，堤坝体沿坝轴线劈裂灌浆后，在泥浆自重和浆、坝互压的作用下，形成与坝体牢固结合的防渗墙体，从而对大坝起到防渗和加固的作用[5]。劈裂灌浆技术在我国工程加固中应用时间较早，随着科技不断创新，该项技术应用已经非常成熟。劈裂灌浆会针对坝体渗漏或其他质量问题而发挥作用，并不是单纯地加强坝体局部或者整体的质量[6]。

本方案大坝防渗采用自下而上进行的灌浆方式，先对坝基进行帷幕灌浆，帷幕灌浆孔采用单排，孔距2m，同方案一。坝体采用劈裂灌浆，劈裂灌浆孔采用回转钻机在坝顶钻孔（孔径Φ89 mm），布置为双排梅花形，排距1.2 m，泥浆护壁，孔距2.0 m，分两序进行，如图2 所示。注浆钻孔时埋设孔口管，以防止孔口塌落及孔口返浆。

图2 方案三坝体加固剖面图（高程：m。尺寸：mm。）

上述3 种方案的优缺点及投资对比见表1。

表1 坝体加固方案优缺点对比表

经综合比较，本次设计选取防渗效果较好、施工设备简单、工程效果明显且投资相对经济的劈裂灌浆防渗墙作为坝体加固推荐方案。

2 大坝加固设计

2.1 坝基帷幕灌浆

坝基采用帷幕灌浆，帷幕灌浆中心线沿坝轴中心线向上游偏移1.2 m，孔距2.0 m 布置，灌浆深度深入10 Lu 线以下3.0 m。防渗边界线依据地勘提供的地质剖面，伸入相对不透水层，最大钻孔深度为45.3 m。

2.2 坝体劈裂灌浆

2.2.1 灌浆孔布置

在坝顶距坝轴线两侧0.6 m 处利用钻机钻孔，布置为双排梅花形，排距1.2 m，泥浆护壁，孔距2.0 m，分两序进行，先上游排一序，再二序；后下游排一序，再二序。注浆钻孔时埋设孔口管，防止孔口塌落及孔口返浆，钻孔的有效深度应穿过待注浆坝身并深入坝基层2.0 m，劈裂灌浆总长度1 300 m。

2.2.2 黏土灌浆设计指标

（1）灌浆后坝体渗透系数：K≤5×10-6cm/s。

（2）泥浆的设计干容重为1.4～1.6 t/m3（灌浆1 a以后）。

（3）灌浆工艺：孔底注浆，全孔灌注。

（4）灌浆压力：起始劈裂压力，孔口压力控制50～100 kPa；单孔最大压力，在孔底注浆条件下，按1.5倍左右起始劈裂压力控制；屈服压力，在坝体大部分被劈裂以后，采用自重灌浆方式。

（5）泥浆浓度：泥浆容重为1.3～1.6 t/m3。

（6）主要建材要求：造黏粘土要求塑性指数大于8～15，黏粒含量20%～30%，粉粒含量30%～50%，砂粒含量10%～30%，可溶盐含量小于8%，有机质含量小于2%。

2.3 大坝渗流及稳定计算

采用有限元方法对新冲坑水库大坝进行渗透稳定计算，拟定最大坝高处（坝中）为计算典型断面。大坝各土层物理力学性质见表2。

表2 坝体各土层物理力学性质指标表

2.3.1 渗流分析

采用河海大学Autobank7.7 水工设计软件进行渗透稳定计算，工况如下。

工况一：上游正常蓄水位与下游相应水位，即上游水位为187.20 m，相应下游无水。

工况二：上游设计洪水位与下游相应水位，即上游水位为189.11 m，相应下游无水。

工况三：水库水位从正常蓄水位187.20 m 降至死水位169.5 m 降落期的情况。

工况四：上游校核洪水位与下游相应的水位，即上游水位为189.74 m，相应下游无水。

工况五：水库水位从校核洪水位189.74 m 降至正常水位187.20 m 降落期情况。

经计算，大坝采用灌浆防渗加固处理后日均渗漏总量满足规范一般要求。此外，大坝渗流出逸点均处于坝脚排水棱体范围内，大坝各工况最大渗透坡降均小于规范允许值，见表3，渗透变形满足规范要求。

表3 渗流计算成果表

2.3.2 稳定分析

计算工况同上，采用简化毕肖普法计算，大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，见表4。

表4 边坡稳定计算成果表

经复核，坝基采用帷幕灌浆以及坝体采用劈裂灌浆防渗加固后，大坝渗透变形满足规范要求，坝坡抗滑稳定安全系数满足规范要求，大坝安全可靠。

3 结束语

灌浆防渗技术用于水库大坝除险加固工程，可以有效提高大坝的稳定性，但不同的灌浆方式具有不一样的优劣势，实际应用中要根据工程特定情况科学选择，以达到良好的防渗效果，并满足经济发展的需要。参考文献：

[1] 王厚根.塑性混凝土防渗墙的抗渗性和耐久性[J].科技与企业，2013（17）：164-165.

[2]肖树斌.塑性混凝土防渗墙的抗渗性和耐久性[J].水力发电，1999（11）：24-27.

[3]刘永生.东峡水库坝体高压喷射防渗墙施工技术[J].甘肃水利水电技术，2009（11）：60-61.

[4]马新余.水利水电施工中的高压喷射灌浆技术探讨[J].建材与装饰，2016（32）：30-33.

[5]张军辉.劈裂灌浆技术在水库大坝加固工程中应用分析[J].建材与装饰，2018（14）：290-291.

[6]胡皓.土石坝劈裂灌浆技术在病险水库防渗处理中的应用[J].内蒙古水利，2015（4）：113-114.