高压喷射灌浆在土石坝除险加固工程中的应用

王羽

（广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院，广西河池 547000）

1 工程概况

南川水库位于环江毛南族自治县下南乡下南社区境内，地处上忙地下河的上游源头新川河河段，地理位置坐标东径108°19′，北纬24°46′，坝首距县城70km，距下南乡政府1.2km。水库1957 年开始施工，至1958 年春筑坝高8m，建成蓄水。1959 年与1964 年又分别进行加高，其中1959 年时在1958 年坝高的基础上加高2m，1974 年时又在坝下游坝面加厚2m，在原坝顶加高2m。1998 年底至1999 年初，破坝重建1＃副坝放水管，干砌内坡，外坡种草。2006 年初干砌2＃副坝内坡。2007 年7 月，主坝右坝脚出现管涌，内坡沉陷，当时用沙袋堆压抢险，同年12 月在主坝内坡设混凝土面板防护，面板底部设有截水墙。2007 年2 月对溢洪道底板及边墙进行加固，出口修建排洪渠，防止排洪冲跨农田。2010 年除险加固，主要是对主坝进行坝基帷幕灌浆加固、新建防汛公路，新建坝顶公路，新建管理房等。水库坝址以上集雨面积5.51km2（包括上纳引洪渠4.8km2，由于水库积雨面积小，历年很少蓄满水，1963 年冬将上纳引洪渠修通后才形成现状蓄水面貌），原设计总库容144×104m3，本次除险加固水文复核为139×104m3，是一座以灌溉为主的小（1）型水利工程。水库死水位为368.13m，正常蓄水位为378.80m，设计洪水位为379.41m，校核洪水位为379.63m，死库容为6×104m3，兴利库容为120×104m3，总库容为139×104m3。南川水库枢纽主要由大坝（1 座主坝、3 座副坝）、溢洪道、输水设施（主坝输水设施、1#副坝输水设施）、引洪（水）渠（上纳引洪渠、贵南高铁引水渠）等建筑物组成。

2 主坝存在问题

主坝坝体填筑质量较差，坝体破坝回填结合部碾压质量差，压实度平均值为90.91%，压实度不满足规范要求。坝体在多次加固填筑过程中，填料性质各异，对坝体防渗不利。现场注水试验成果表明，劈裂灌浆心墙填筑土渗透系数为3.5×10-4～13.0×10-4cm/s，平均值为7.25×10-4cm/s，属中等透水性；下游坝坡填筑土渗透系数为7.40×10-4～7.50×10-4cm/s，平均值为7.45×10-4cm/s，属中等透水性，渗透性不满足规范要求，坝体浸润线偏高，不利于坝坡稳定[1]。现场检查发现，库水位在高程378.51m 时，主坝下游排水棱体顶部以上存在3 处面积较大的散浸带，总面积约263m2。

3 坝体防渗加固方案比选

南川水库主坝最大坝高为14.0m，最大坝高均不超过15m，主要的防渗处理在坝身，主坝坝体防渗加固方案比选用工程中常见的高压旋喷灌浆和混凝土防渗墙两种型式。

3.1 高压旋喷灌浆方案（方案1）

该方案沿坝轴线进行高压旋喷灌浆，并向左岸山体延伸11m，右岸坝肩上游延伸13m，旋喷孔穿过坝基覆盖层，并嵌入基岩1m。高压旋喷灌浆轴线长168m，最大孔深15m，采用单排孔布置，孔距0.8m，抗渗等级W6，允许比降[J]=60～80。为保证坝下输水涵管周边的防渗效果，在旋喷灌浆轴线与坝下输水涵管的交汇处，沿坝下输水涵管两侧布置3 排充填灌浆孔，每排2 个孔，排距2m，中间排布置在旋喷灌浆轴线上。充填灌浆范围为涵管顶以上5m，涵管底以下5m[2]。

3.2 混凝土防渗墙方案（方案2）

沿坝轴线增设混凝土防渗墙，防渗墙穿过坝基覆盖层，并嵌入基岩1m。混凝土防渗墙轴线长168m，最大墙深15m，混凝土防渗墙厚0.6m，抗渗等级W6，允许比降[J]=60～80。考虑到混凝土防渗墙施工成槽影响，坝下输水涵管周边与混凝土防渗墙结合部难以施工并封闭，对该部位坝体采取充填灌浆处理。

方案1（高压旋喷灌浆）优点是施工速度较快，缺点是施工质量难以控制，黏土中旋喷灌浆防渗效果、耐久性和可靠性较混凝土防渗墙稍差。方案1 投资为338.67 万元。

方案2（混凝土防渗墙）优点是防渗加固较彻底，防渗可靠性较高，缺点是施工程序相对复杂，成槽过程中对坝体及基拢动大，施工机械对施工场地要求高，施工速度慢，施工时间较长。方案2 投资为459.77 万元。

混凝土防渗墙方案的工程直接投资比高压旋喷灌浆方案多121.10 万元，经综合比选，本次除险加固设计采用方案1（高压旋喷灌浆）为推荐方案[3]。

4 坝体防渗加固方案设计

根据《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T 5200—2019）相关规定，封闭式高喷防渗墙的钻孔宜深入基岩或相对不透水层0.5～2.0m。本次水库除险加固灌浆应把库水位放至死水位或尽可能在水库低水位期进行，确保灌浆质量。校核洪水位以上只钻孔不灌浆[4]。

依据本工程坝址区的地质条件情况，坝体灌浆轴线与坝轴线重合。高压旋喷灌浆采用单排套接布孔形式，孔距0.8m，灌浆顶高程379.63m，底部深入基岩1m。高压喷射灌浆应按分序加密的原则进行，灌浆分2 序进行，Ⅰ、Ⅱ序灌浆孔间距均为1.6m。先进行第Ⅰ序孔的钻灌，第Ⅰ序孔钻灌结束后，进行第Ⅱ序孔的钻灌。相邻孔的作业间隔不小于24h。

4.1 主坝坝体防渗加固设计

主坝高压旋喷灌浆中心线沿坝轴线布置，并向左岸山体延伸11m，右岸坝肩上游延伸13m，旋喷孔穿过坝基覆盖层，并嵌入基岩1m。高压旋喷灌浆轴线长168m（桩号主坝0-011—0+157），最大孔深15m，采用单排孔布置，孔距0.8m。土层钻孔进尺共2738m，基岩钻灌浆孔进尺共224m，高压旋喷灌浆总进尺2693m。设置检查孔以检查灌浆质量，每个单元工程布置1 个检查孔，检查孔布置在墙体中心线上，钻孔自上而下分段进行，采取芯样和采用静水头进行压水试验。检查孔钻土层孔进尺共274m，钻基岩孔进尺共22m，检查孔灌浆共247m。

防渗墙厚度按《水工建筑物地基处理设计规范》（SL/T 792—2020）的式6.2.4 进行计算：

式中：T——防渗墙设计厚度，m；H——作用于防渗墙的最大设计水头，m；J——防渗墙允许渗透比降，根据混凝土、黏土混凝土、塑性混凝土、固化灰浆、自凝灰浆等墙体材料不同，取20～100，普通黏土混凝土取J=60～80。

经计算，高喷防渗墙墙体最大作用水头约为14.35m，取[J]=60，墙厚T＝23.92cm，为保证防渗墙的施工质量，考虑施工、地质条件等因素，参考类似工程经验，高喷防渗墙中间搭接部位厚度取60cm。主坝高压旋喷灌浆横剖面如图1 所示。

图1 主坝高压旋喷灌浆横剖面

4.2 高压喷射灌浆参数的选定

在现场高压喷射灌浆作业开始前，应选择地质条件具有代表性的区段，并按选定的配合比进行高压喷射灌浆的板墙成墙工艺试验，以选定孔距以及喷射流量、压力、摆速和提升速度等工艺参数[5]。本次设计高压旋喷灌浆施工参数如表1 所示。

表1 高压旋喷灌浆参数建议值

5 坝体防渗加固前渗流安全复核

选取河床段最大坝高断面作为大坝渗流分析典型剖面，对主坝加固前渗流安全进行复核，稳定渗流计算采用北京理正软件设计研究所开发的“边坡稳定分析”设计软件进行计算。

稳定渗流渗透有限元分析基本方程：

式中：[K]——透水系数矩阵；{H}——总水头向量；[M]——单元储水量矩阵；t——时间；{Q}——流量向量。

根据南川水库地勘报告，主坝坝体填土细粒含量P为92.06%，土粒比重Gs 为2.60，主坝土体空隙比分别为e=0.925。

按《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）附录G.0.6 及G.0.7 的规定，按式G.0.6-1 除以安全系数确定允许水力比降。

式中：J允许——渗透允许坡降；γs——土粒容重；γ——水的容重；n——土的孔隙率；k——安全系数，范围为1.5～2，取值为2。

经计算，主坝及副坝土体的允许坡降J允许为0.415。

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189—2013）第8.1.2 条的有关规定，渗流计算考虑水库运行中出现的各种不利水位组合，通过理正软件计算成果如表2 所示。

表2 加固前大坝渗流计算成果

由表2 计算成果可知，主坝在正常运用条件正常蓄水位、设计水位及非常运用条件Ⅰ校核洪水位情况运行时，浸润线从下游坝面逸出，渗流出逸点高于反滤排水棱体顶部高程，主坝渗流稳定不满足规范要求。

6 坝体防渗加固后渗流安全计算

经对主坝坝体进行防渗加固处理，重新对主坝、1#副坝和2#副坝进行渗流安全计算，计算结果如表3所示。

表3 加固后大坝渗流计算成果

由表3 计算成果可知，主坝在各种计算工况下，坝体计算的最大渗透坡降均分别小于允许坡降0.415，坝体的局部渗透是稳定的。主坝坝体防渗加固后，主坝坝体渗流量有所减低。以上计算成果表明主坝采用高压旋喷灌浆防渗加固，能有效地降低了下游坝体浸润线，坝体渗流量有所减低，主坝及副坝在加固后渗流稳定均满足规范要求[6]。

本工程在后续施工过程中对主坝灌浆后的旋喷桩成桩情况进行开挖测量，旋喷桩搭接厚度均满足设计要求，灌浆实施后经历汛期的检验，未发现坝后出现渗漏情况。证明本设计实践效果良好，可以为同类型土石坝防渗加固设计提供参考。

7 结语

本文主要介绍了在小型土石坝除险加固中如何利用高压喷射灌浆对土石坝坝体及接触带渗漏问题进行防渗处理，本次设计是采用三管法的高喷灌浆参数进行设计，根据本工程施工经验，高压旋喷灌浆设计孔距取0.8m 时，形成的高喷防渗墙搭接效果较好，经处理后的土石坝渗流情况控制比较理想。该工程经验为其他类似除险加固工程提供参考。