多种防渗技术在泉上水库主坝加固中的联合应用

李玉杰

(三明市水利工程站，福建 三明 365000)

1 工程概况

泉上水库位于宁化县泉上镇青瑶村，距宁化县城约47km，坝址以上集雨面积26km2，主坝为均质土坝，坝顶高程469.00m，坝顶宽度6m，坝顶长212m，最大坝高32.80m，设计洪水位466.18m，校核洪水位466.85 m，正常蓄水位464.5m，水库正常库容1158万m3，总库容1370万m3，是一座以灌溉为主，结合防洪、养殖等综合利用的中型水库。水库于1971年10月动工兴建，1974年9月基本建成，水库设计灌溉面积1067hm2，有效灌溉面积933hm2。水库涉及保护下游宁化县泉上镇青瑶村和明溪县盖洋镇2万多人，1000hm2耕地。

2 工程地质

水库区附近具有多条断裂带，且正处于闽西南拗陷带和隆起带的交接中段，整体地质结构极为复杂。

坝区的断裂构造发育，根据区域地质资料及前期勘察发现。坝址河床偏右斜，通过一条断层产状EWS∠700的F8断层，断层破碎带宽约1.5-3m，劈裂碎裂岩，带内岩体破碎呈全强风化，断层性质为逆断层。断层上盘地层岩性为震旦系上统盖泽群三溪寨组+龙头组(Z2s+1t)的千枚状粉砂岩，深灰色变质凝灰质砂岩，岩层产状：N200-30ESE∠30-500，下盘为石炭系下流林地组(C1t)的紫灰色，紫红色薄层状千枚状粉砂岩，灰白色含砾石英砂岩。岩层产状：N200-30ESE∠20-300。该断层在地表风化形成冲沟，从库内右岩斜穿至大坝下游，下游为第四系堆积物覆盖。坝基还发育有NE向NW向的断裂构造，节理发育。

3 险病情况

泉上水库主坝渗漏的主要位置为背水坡桩号0+000-0+120，高程455-458m之间湿坡，湿坡面积250m2，桩号0+150-0+250，高程453m以上湿坡，湿坡面积200m2，左坝肩有一处集中漏水，逸出点高程453m，观测渗漏量为0.05-0.1L/s。另外根据主坝填土的基本性质实验，主坝填土为砂质黏土，填土的含水率平均值为25.2%，湿密度平均值18.8g/cm3，干密度平均值15.4g/cm3，孔隙率平均值为41.8%，渗透系数6.8×10-4-1.6×10-6cm/s；主坝坝基为强风化粉砂岩、石英砂岩，透水率6-17Lu，风化层厚12-35m，属弱-中等透水。

4 防渗加固方案的选择

针对主坝存在的问题，如采用单一的防渗技术难以达到除险加固的目的，经分析论证，根据主坝病险的不同部位、病险程度、病险原因等，有针对性地采用不同防渗技术相结合的处理方案。根据主坝填土的性状和大坝渗漏情况及坝体结构布置特点，坝身防渗选取充填灌浆、劈裂灌浆、土工膜结合高压旋喷垂直防渗墙等3种方案进行比较，经综合考虑施工工期和水库灌溉任务和预算投资，选定坝体防渗采取劈裂灌浆防渗方案。坝基采用帷幕灌浆，坝体和坝基接触带利用高压旋喷灌浆构筑桩体作为劈裂灌浆泥墙和坝基帷幕的搭接，高压旋喷灌浆形成的桩体同时起到帷幕灌浆盖板压浆作用[1]。灌浆压力控制指标，见表1。

表1 灌浆压力控制指标

5 施工方法及质量控制

防渗加固按由上到下顺序施工即先进行坝体劈裂灌浆，再进行坝基面和填土间接触带的高压旋喷灌浆(灌浆深2-3m)，最后再进行坝基帷幕灌浆；时间安排上均为全坝段完成一种灌浆后再进行其后灌浆作业，未交叉施工，以确保同一坝段已灌防渗体完整，作为盖板压浆作用的旋喷桩体成桩14d后方可进行下一步帷幕施工，实际施工时间间隔为20d以上。主坝灌浆孔平行坝轴线布置，均分为两序施工，劈裂灌浆孔位布置两排，一排在坝轴线一排为轴线下游1.5m；高压旋喷灌浆孔位两排等距离布置坝轴线上下游侧，孔距排距均为1m，帷幕灌浆孔位布置在坝轴线上游0.5m(与高压旋喷一序孔同孔位)，通过相对集中的孔位布置使劈裂灌浆泥墙、高喷桩体、帷幕基本在同一平面，达到整体防渗效果[2]。

5.1 坝身劈裂灌浆

5.1.1 布孔与造孔

灌浆布置双排孔，第一排孔布设在大坝坝轴线上，第二排孔布设在第一排孔下游1.5m，孔距均为5.0m，呈梅花型全断面布设；造孔顺序先上游排，后下游排，采用150型地质钻机钻孔，密度为1.2g/cm3左右的稀泥浆护壁钻进至填土层下限，并严格控制造孔铅直度，偏斜度不得大于孔深的2%，孔深偏差≤0.5m。

5.1.2 制浆

使用专门的搅拌机将适量的水和土料进行搅拌，直至混合搅拌成浆，之后使用沉淀池和过滤网将浆内的杂物以及大直径颗粒进行清除，保证浆体质量。在开展灌浆作业前，应使用灌浆搅拌机和过滤筛再次对其进行搅拌和过滤，过滤筛的规格应为35孔/cm2。泥浆的密度控制在1.38g/cm3，在灌浆过程中，工作人员应以一小时为时间间隔对输浆量和浆液密度进行检测，并将检测结果记录在册，一旦发现问题应立刻调整，以确保灌浆质量。

5.1.3 灌浆

1)先灌河床段，后灌岸坡段，在灌浆中分两次序施灌，一序孔距10m，二序孔距5m。先对第一序孔轮灌，采用“少灌多复”的方法，待第一序孔灌浆结束后，再进行第二序孔灌浆。开始灌浆时用稀浆，泥浆的密度控制在1.2-1.4g/cm3，待孔口压力突然下降或为负压后，改用浓浆，泥浆的密度控制在1.4-1.6g/cm3。施工中监测坝体裂缝、冒浆、位移情况，按照预设的压力灌浆，劈开坝体后裂缝宽度不得超过2cm，停灌后坝体回弹，裂缝闭合才可复灌。

2)灌浆时，采用孔底注浆全孔灌注的方法灌注，起劈压力控制在0.3-1.0Mpa，灌浆压力控制在0.05-0.5MPa。在灌浆前，把注浆管放入离孔底0.5-1.0m处，然后用黏土把注浆孔上段0.5-1.0m处周围密封。

3)每次最大灌浆量控制在0.5-1.0m3/m，每孔灌浆次数不少于5次，每次时间间隔5d以上。如果不能定向劈裂，采用减少灌浆压力和减少单次灌浆量(单次灌浆量小于5m3)，实行轮灌，增加复灌次数或相邻两孔或几孔同时灌浆的方法进行[3]。

5.1.4 终孔标准和封孔要求

当浆液升至孔口，在无压的情况下反复不少于3次进行轮灌，待孔内泥浆面基本不再下降时，即可终灌。在对每一孔口完成灌浆作业后拔出注浆管，之后使用密度在1.5t/m3以上的稠浆进行灌注，并对浆面进行观察。若是浆面出现下降的现象，可继续开展灌浆作业，直至其不再下降。该作业结束后，应将孔内清水抽出，并使用密度在1.6g/cm3以上的浓浆进行灌注，最后将孔口封堵并压实。

5.2 坝基接触带高压旋喷灌浆

1)布孔与造孔：坝基接触带高压旋喷灌浆布置两排，第一排孔布设在大坝坝轴线上游0.5m，第二排孔布设在大坝坝轴线下游0.5m，孔距均为1m，全断面梅花型布置。造孔分二序施工，先施工一序孔，采用泥浆护壁回转钻进，JJX-3A型钻孔测斜仪，进行孔斜偏斜率的检测，钻孔偏斜率控制在1.0%以内。

2)制浆：使用32.5R普通硅酸盐水泥按比例配制水泥浆，制浆过程中定时检测浆液比重和搅拌时间，浆液比重控制在1.50-1.70g/cm3，浆液过筛后使用。

3)试喷：下喷射管前，需要对各项工艺参数进行检查，保证其满足施工要求，一般进行水、气喷射检测工作，在此过程中，还应调准喷射方向，检查各管路是否畅通。

4)下喷射管：各项参数符合要求后，即可将喷射管下至设计深度，调准喷射方向，经现场技术员和监理工程师检查合格后开始喷射灌浆，浆压控制在0.3Mpa，气压控制在0.7Mpa，水压控制在38Mpa。

5)喷射提升：对喷射管深度进行查看，当其到达要求深度后，将水、气以及浆液进行输送，按10cm/min速度喷射提升，喷射至填土层下限上部1m左右，以保证和劈裂灌浆泥墙衔接。

6)冲洗：当喷射至设计高度后，喷射完毕，应及时将各管路冲洗干净，不留残碴，以防堵塞。

7)充填：喷射结束后，开展静压充填灌浆作业，直到液面稳定为止。

5.3 坝基帷幕灌浆

1)布孔与造孔：帷幕灌浆在坝轴线上游0.5m处布置单排孔，孔距2.0m，最大孔深36.3m。为全断面布设，造孔采用150型回转式地质钻机，灌浆钻孔孔深以坝基相对隔水层为界线。

2)洗孔及压水试验：在开展洗孔作业时，主要是冲洗裂隙，使用的方法为压力水冲洗法，直到回水澄清达标为止。该作业时长为十分钟，单孔应在三十分钟以上，并对孔内残留物进行检测，应该二十厘米以下。应注意的是，若是孔的灌浆时间与冲洗作业时间的间隔在24h之内，则不可对此类孔开展冲洗作业。当冲洗工作结束后，应立刻对孔进行灌浆，若是未能及时开展灌浆作业且时间间隔超过二十四小时，则本次冲洗无效，下次灌浆前应再次开展冲洗作业。另外，冲洗结束后应开展压水试验，保证其压力是灌浆压力的八成，所使用的试验方法为单点法。

3)灌浆：在开展灌浆作业时，主要使用32.5R普通硅酸盐水泥，分两序进行，所使用的灌浆方法为自上而下分段孔内循环灌浆法，整体长度4.5-6.0m，在裂隙渗透严重的地段，段长缩短至3-4m。灌浆压力控制在1.0Mpa，浆液水灰比也发生变化，其比级为5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1。

浆液变化原则为：在灌浆压力和注入率其中一个保持不变的情况下，不可对水灰比进行改变。当浆液注入量≥300L或灌浆时间达到30min时，在该情况下的灌浆压力和注入率没有发生变化，则需要对水灰比进行调整，将其该改为浓一级，当注入量>30L/min 时，可视情况越级变浓。灌浆压力应尽快达到设计值，并分段提高接触段和注入率大的孔段压力，在规定压力，如灌浆的吸浆量<0.4L/min 时，持续30min即可结束灌浆。

4)封孔：在开展封孔作业时，应使用全孔灌浆封孔法。坝基基岩采用导管注入浓水泥浆封孔，坝体段采用黏土浆封孔。

6 效果分析

泉上水库主坝劈裂灌浆施工历时110d，共完成钻孔197个，总进尺3344m，总共灌入黏土2862m3；按338.4m灌浆轴线计算，共建立浆脉帷幕面积12662.49m2，浆脉的平均厚度达到22.6cm，符合设计要求的20cm。在灌浆期间共发现66条裂缝，为沿坝轴线劈裂的纵缝，冒浆点共有93处，主要发生在坝体土料填筑质量差、坝后湿坡处，冒浆历时为两到三分钟，这意味着挤压充填符合要求。2009年7月12日随机在大坝坝轴线桩号0+80、0+160的位置开挖两个长3.0m、宽2.0m、深5.0m的探坑，能够明确观察到劈裂灌浆缝贯通到坝顶，且质量好，浆液固结密实；取461.5m处的浆脉进行室内试验，其性质是天然含水率为20.4-20.1%，湿密度20.3-20.1g/cm3，干密度16.86-16.74g/cm3，孔隙率为35.9-36.7%，渗透系数1.45×10-6-1.36×10-6cm/s。总体上，泉上水库主坝坝体浆脉已贯通，强应力区得到释放，弱应力区得到补充，坝体的变形稳定和渗透稳定已得到较好改观。

帷幕灌浆施工历时93d，共完成钻孔139个，总进尺7379.47m，平均孔深53m，水泥总用量490.59t。平均耗灰量为66.5kg/m。帷幕灌浆结束14d后，便对帷幕灌浆质量采用钻检查孔压水试验进行检查，共抽取了18个检查孔，从检查孔压水试验得出，透水率在2.3-4.12Lu之间，小于设计要求的5.0Lu。

7 结 语

泉上水库2008年底除险加固工程完工后，水库最高蓄水水位达到正常高水位，原来主坝458m高程以下多处湿坡和小股漏水现象已全部消失，灌浆效果良好，达到了除险加固的目的，从根本上消除了主坝因带病运行而埋下的安全隐患，恢复水库各项功能，为水库下游居民的生命财产安全和当地工农业生产的发展提供了保障，本次加固采用的多种防渗方式联合应用方案也给本地区其他土坝防渗加固提供了工程参考。