(长江勘测规划设计研究有限责任公司, 湖北 武汉 430010)

土石坝坝基透水率较大时，须对坝基进行水泥灌浆处理[1]。灌浆一般在心墙基座或趾板上实施[2]，灌浆盖重小，压力提升困难，灌浆过程易出现抬动、漏浆等问题，造成灌浆升压困难，对灌浆设计参数、施工工艺等要求较高。国内高土石坝灌浆一般采用锚固、限压限流等措施控制抬动、提升压力[3-4]。土石坝灌浆时如设计参数或施工工艺控制不当，可能影响灌浆质量，蓄水后产生渗漏问题，后期处理难度非常大，甚至影响水库效益和工程安全。国内部分土石坝蓄水后产生渗漏问题，补救措施一般是蓄水条件下水下补充帷幕灌浆，施工难度极大[5-6]。

1 工程概况

卡洛特水电站位于巴基斯坦旁遮普省境内，该电站是吉拉姆河流域规划5个梯级电站的第4级，坝址处控制流域面积267 00 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均径流量258.3亿m3。工程为单一发电任务的水电枢纽，水库正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3，电站装机容量720 MW(4×180 MW)[7]。

卡洛特水电站挡水建筑物为沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程469.50 m，坝顶轴线长460.0 m，坝顶宽度12.0 m，最大坝高95.5 m。沥青混凝土心墙底部设置混凝土基座与基岩连接，基座为梯形断面，底宽4.0 m、高2.0 m。大坝典型剖面见图1。

卡洛特水电站大坝基岩缓倾、软弱，爆破卸荷松弛较为严重，且心墙基座两侧岩体风化程度高，灌浆难度极大。研究合适的灌浆工艺参数，针对性地处理施工中的异常情况，有效提升灌浆压力，对保证灌浆质量和工程安全具有重要意义，也对土石坝坝基灌浆处理具有较好的参考意义。

2 工程地质条件

(1) 地形地貌。工程区属中低山地貌；大坝左岸原始地形坡度25°～50°；右岸原始地形坡度12°～40°；河床部位原始地形坡度约18°～29°，局部平缓。

(2) 地层岩性。坝基为新生界陆源碎屑沉积岩，岩性主要为中砂岩、细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等，呈不等厚互层状，软硬相间分布。砂岩主要呈厚层状，粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层主要呈簿层状-中厚层状，岩石属软岩-较软岩。大坝建基岩体见图2所示。

(3) 地质构造。坝基岩体裂隙总体以陡倾角为主，中倾角次之。裂隙长度一般为1.5～5.0 m，少量5～10 m，个别可达20 m；裂隙宽度一般小于1 mm。裂隙主要为无充填或充填岩屑，少量为钙质、泥质或铁质浸染。

(4) 水文地质。坝基微新岩体一般微弱透水。岩体透水性受岩体风化程度影响较大，弱风化岩体一般具弱透水性，局部达中等透水性。此外，由于卸荷影响，岸坡部位局部发育长大陡倾裂隙，压水试验过程中存在不起压现象。

图1 卡洛特水电站沥青混凝土心墙堆石坝典型剖面(单位：cm)Fig.1 Typical section of asphalt concrete core rockfill dam of Karot hydropower station

图2 大坝建基岩体(右岸)Fig.2 Rock mass of dam foundation (right bank)

3 基岩固结灌浆及防渗帷幕设计

3.1 基岩固结灌浆设计

为加固处理爆破、卸荷裂隙及构造裂隙等，提高基岩的整体性，并增加浅层基岩的防渗能力，同时有利于帷幕灌浆升压施工，对大坝基座基岩进行固结灌浆处理。

沿心墙混凝土基座轴线布置双排固结灌浆孔，孔排距2.5 m×2.5 m，梅花形布置，孔向垂直建基面。其中，上游排固结灌浆孔兼辅助帷幕灌浆孔，入岩深度为10 m，下游排固结灌浆孔入岩深度为6 m。

固结灌浆质量采用灌后压水检查及灌前、灌后物探测试等进行综合评定。压水检查合格标准为灌后基岩透水率q≤5 Lu。

3.2 防渗帷幕设计

(1) 防渗帷幕线路平面布置。大坝防渗帷幕沿沥青混凝土心墙下混凝土垫座轴线向两岸展布，左岸帷幕出坝端后向山体内直线延伸60 m；右岸帷幕出坝端后向上游转折并延伸135 m高程，接至正常蓄水位与地下水位线相交处。大坝防渗帷幕线路全长约700 m。

(2) 防渗标准和帷幕底线。大坝高程445 m以下帷幕防渗标准为灌后基岩透水率q≤3 Lu，高程445以上大坝帷幕及两岸山体段帷幕防渗标准为q≤5 Lu。

大坝河床坝段帷幕底线高程为335 m，然后向左岸逐渐抬升至高程445 m，向右岸逐渐抬升至高程418 m，随后沿高程418 m向右水平延伸包络局部透水率大的透镜体后再逐渐抬升至高程445 m。大坝防渗帷幕面积约2.5万m2。

(3) 帷幕灌浆孔布置。大坝高程445 m以下布置双排帷幕灌浆孔，孔距2.5 m，排距1.0 m，其中上游浅排帷幕灌浆孔深为25 m；而高程445 m以上及两岸山体段防渗帷幕布置单排帷幕灌浆孔，孔距2 m。

4 灌浆工程的特点与难点

(1) 岩体软弱缓倾。大坝基岩岩性软弱，岩层缓倾(一般倾角7°～10°)。基岩灌浆时，容易造成顺层面的岩体劈裂或层面与陡倾裂隙的组合劈裂，不仅使得浆液扩散过远，而且极易造成沿层理面或混凝土与基岩接触部位的抬动变形。

(2) 爆破卸荷严重。浅层岩体爆破卸荷较严重，张裂隙发育(如37号坝段上游侧宽大裂隙最大开度达8 cm)。受爆破卸荷影响，浅层岩体渗透性显著加大，多个孔段压水不起压，不仅导致灌浆注入量大，且导致外漏、难以升压和抬动变形问题进一步突出。

(3) 盖重条件差。大坝基岩固结灌浆和帷幕灌浆均在混凝土基座上实施，基座厚度仅2 m。薄盖重条件下升压灌注困难，抬动问题突出。

(4) 基座两侧岩性差。基座置于弱风化岩体上，两侧岩体风化程度高，灌浆过程中串漏浆十分严重，且堵漏十分困难，这也是直接导致灌浆难以升压的主要因素。

(5) 灌浆工期紧、质量要求高。大坝心墙浇筑及坝体填筑需在相应部位灌浆工程施工完成且检查合格后再进行，而灌浆工程位于大坝工程直线工期上。坝址区汛期常遇强降雨，基坑淹没频发，对工期影响极大。此外，大坝后期不具备补灌条件，灌浆工程质量十分重要。

因此，在大坝灌浆工程实施过程中，确定薄盖重、强风化、缓倾软岩条件下合适的灌浆压力及升压措施、灌浆工艺及参数等，是坝基灌浆处理的关键技术难题。

5 调整后的固结灌浆与帷幕灌浆工艺参数

2019年5月前，承包方现场开展了固结灌浆试验和帷幕灌浆试验，试验过程中抬动频率达80%以上，且外漏严重，灌浆压力普遍难以提升，灌后压水检查多段不合格，其中浅层不合格比例相对更高。

2019年5月，现场成立了大坝灌浆专项工作组，设计单位派出专人全程跟踪大坝高程386 m以下固结灌浆和帷幕灌浆试验及施工。

在总结前期灌浆试验经验和不足的基础上，参建各方共同努力，初步探索出复杂工程地质条件下大坝灌浆的解决方案，并对灌浆工艺参数、质量控制措施进行了一系列调整和改进。

5.1 基岩固结灌浆工艺参数

5.1.1灌浆方法

固结灌浆利用心墙基座混凝土作为盖重进行灌浆，分2序施工，按照“自上而下分段，孔内循环法”灌注。

5.1.2浆液及水灰比

固结灌浆采用强度等级不低于42.5 MPa的普通硅酸盐水泥。浆液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1(重量比)4个比级。开灌水灰比一般为2∶1，当注入率不小于30 L/min或压力不变、流量持续递增，出现抬动现象时，可直接改为1∶1。

5.1.3充填灌浆孔

为充填基岩表层宽大裂隙，利于固结灌浆正常升压灌注，并将表层基岩与基座混凝土连成整体，防止灌浆抬动破坏基座混凝土，在固结灌浆前增设充填灌浆孔。

每个坝段(一般长8 m)布置不少于2个充填灌浆孔，孔位交错布置在心墙轴线两侧，孔深为入岩0.5 m。充填灌浆孔如果1孔或2孔注灰量大于100 kg，则另行增加1～2孔。

充填灌浆孔按固结灌浆技术要求进行灌浆，开灌水灰比为1∶1。如无异常，以固结灌浆Ⅰ序孔目标压力灌浆；如发生抬动，应及时降压，并以抬动值不超过50 μm对应的灌浆压力正常灌注直至结束。

充填灌浆孔单孔最大注灰量一般按500 kg控制，岩体宽大裂隙发育部位视情况可放松至800 kg控制，大注入量时每灌入约150 kg应间歇一次。

5.1.4外漏封堵

为保证灌浆工程顺利实施，防止因外漏而影响升压灌注和灌浆质量，需加强外漏封堵的控制。外漏封堵采取系统封堵与随机封堵相结合的方式进行。

基座上下游侧裸露基岩适当清理后系统喷混凝土封闭，而对于个别宽大裂隙(如37号坝段上下游侧宽大裂隙)，采取裂隙封闭后灌浆处理。

压水、灌浆过程中，对坝块分缝或两侧岩体外漏部位应及时采取棉纱、钢钎、速凝砂浆、围压等措施进行处理。

外漏封堵困难时，如果外漏量明显小于注入量，按正常灌浆程序灌注；若外漏量与注入量相当，且均较大，则采取变浆、间歇等方法使外漏得到控制后，再正常灌注至结束。

5.1.5灌浆段长及灌浆压力

常规固结灌浆孔基岩段长为6 m，采用全孔一段灌浆；固结兼辅助帷幕灌浆孔基岩段长划分为：第1段3 m，第2段7 m。固结灌浆目标压力见表1。

表1 固结灌浆目标压力Tab.1 Target pressure of consolidation grouting MPa

灌浆压力应与注入率相适应，按表2的标准控制，防止升压过快或过慢。

5.1.6抬动变形控制

在深部抬动观测孔(入岩20 m)的基础上，增设坝段分缝处的抬动观测孔，同时监测基岩抬动与混凝土抬动。

表2 注入率与灌浆压力控制关系Tab.2 Relation between grouting injection and pressure

注：P为设计灌浆压力。

灌浆、压水过程中应全程进行抬动观测[8]，满足“一人一表、全程值守、反馈及时、记录准确”的要求。最大抬动允许变形按200 μm控制。

常规固结灌浆孔(含补充固结灌浆孔)完成封孔时，孔内应加设锚固钢筋，锚筋长度与孔深一致，锚筋下设时应安设对中装置。

5.1.7特殊孔段处理

无特殊情况时，达到目标压力且注入率不大于1 L/min后，继续灌注30 min，灌浆即可结束。

灌浆过程中发生抬动时，应及时降压，且后期不再升压，以抬动对应的灌浆压力正常灌注至结束，并在相邻80cm处重新开孔进行灌浆。

大注入量或外漏的部位(且外漏点封堵困难)，仍按注入率与压力关系表进行灌注，结合变浆、间歇等措施进行处理，如处理无效，平均注灰量一般达到500 kg/m后待凝，并在相邻80 cm处重新开孔进行灌浆。补充固结灌浆孔开灌时间与原固结灌浆孔灌浆结束时间一般不小于8 h。同一固结灌浆孔的补充灌浆孔不超过2个。辅助帷幕灌浆孔新开孔采取自下而上分段灌浆。

5.1.8设备维护

一般当大坝固结灌浆压力小于0.3 MPa时，会存在多段抬动的情况，瞬时压力过大将使灌浆抬动问题更为突出。因此，大坝基岩灌浆对灌浆设备和灌浆过程的稳压要求很高。灌浆实施过程中，应定期对灌浆设备和管路进行维护，精心操作，防止设备管路堵塞、瞬时压力过大等情况发生。

5.2 帷幕灌浆工艺参数

5.2.1灌浆方法

帷幕灌浆采用“孔口封闭灌浆法”灌注。对于河床高程386 m以下部位，灌浆试验和施工过程中曾探索过孔内阻塞、自上而下分段灌浆法，但由于岩体软弱，且局部中、陡倾角裂隙发育，出现绕塞和阻塞器难以取出的现象，其后仍主要采用“孔口封闭灌浆法”。

5.2.2浆液及水灰比

帷幕灌浆水泥采用强度等级不低于42.5 MPa的普通硅酸盐水泥。水泥浆液水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1(重量比)5个比级，开灌水灰比一般为3∶1，下游排帷幕先导孔、Ⅰ序孔开灌水灰比为2∶1。

5.2.3基岩段长划分及孔口管入岩深度

为防止浅层岩体抗压能力太低而影响深部灌浆质量，将孔口管深度由传统的入岩2 m调整为垂直坡面入岩6 m。

帷幕灌浆基岩段长划分为：第1段3 m(垂直坡面深度)，第2段3 m(垂直坡面深度)，第3段及以下各段长5 m，孔底段不得大于7 m。

5.2.4灌浆压力

孔口封闭需全孔承受灌浆压力，压力过高容易造成浅层岩体裂隙甚至是已灌裂隙劈裂，而浅层岩体虽经多排多序灌注，但承压能力仍然有限。因此，帷幕灌浆目标压力不宜过高，调整后的灌浆压力见表3。注入率与灌浆压力控制参见表2。

表3 大坝双排帷幕区目标灌浆压力Tab.3 Target grouting pressure for double rows grouting holes of the dam MPa

5.2.5灌前压水

帷幕灌浆孔灌前进行简易压水。为防止软岩或裂隙压水过程中发生水力劈裂，压水压力一般按该段灌浆压力的60%且不大于0.7 MPa控制。如发生抬动，则以不超过抬动变形允许值对应的压力进行压水。

灌前压水应先预压水，发现外漏应立刻停止压水，对外漏点进行封堵并且封堵成功后，方可继续压水和灌浆。

5.2.6特殊孔段处理

灌浆过程中的外漏封堵参照固结灌浆。帷幕灌浆过程中，如某孔段因抬动或岩体劈裂导致灌浆压力不能达到目标压力时，适当降压至不再抬动，直至灌注结束。灌浆完成后视情况采取待凝+复灌的措施进行处理。灌浆过程中遇宽大裂隙，注入量较大时，一般不限量灌注，直至灌浆结束。

6 灌浆效果初步分析

目前，大坝高程386 m以下固结灌浆和帷幕灌浆正在施工，初步成果分析显示，采取的一系列改进措是行之有效的，调整后的灌浆工艺参数符合实际，效果明显。

6.1 固结灌浆效果分析

(1) 灌浆过程分析。固结灌浆过程中，抬动和外漏仍较为突出，多段出现灌前压水不起压的现象。

(2) 抬动变形分析。由于固结灌浆前进行了充填灌浆，基座混凝土与表层基岩整体性提高，灌浆过程中虽抬动仍较多，但主要是岩体整体抬动，基座分缝处抬动变形较少，结构混凝土未发生因抬动导致开裂的情况。

(3) 灌浆压力分析。固结灌浆采取加强外漏封堵、严控升压过程、加强抬动控制、重新开孔补灌等系列措施后，保证实际受灌过程尽可能避免了低压充填式的灌注，且浅层灌浆压力逐排逐序提高，最终可达到目标压力。

(4) 质量检查。大坝高程386 m以下固结灌浆基本完成，除个别坝段外均一次满足合格标准，不合格部位经过适当加密补灌后也满足合格标准。

6.2 帷幕灌浆效果分析

大坝高程386 m以下34～36号坝段14个灌浆孔(灌浆进尺563m)已完成双排帷幕区施工及检查，其余部位正在施工。

(1) 灌浆成果分析。34～36号坝段下游排先导孔及Ⅰ序孔灌前平均透水率为3.67 Lu。浅层岩体渗透性较固结灌浆前显著改善，无不起压现象；深部岩体渗透性普遍较低。

帷幕灌浆平均注入量为93.24 kg/m，其中下游排和上游排单位注入量分别为98.03 kg/m和77.06 kg/m。注入量小于10 kg/m和大于100 kg/m的孔段分别占68.5%，16.2%，两极分化现象较为明显。部分孔段出现透水率小、注入量较大的情况，分析认为，部分裂隙在灌浆压力下出现劈裂现象。下游排帷幕少数孔段受抬动影响，不能达到设计压力，上游排帷幕各段压力均能达到设计压力。

其余部位透水率较34～36号坝段相当或偏大，灌浆规律基本一样。局部区域(43～45号坝段下游排)受抬动影响，较多孔段灌浆压力难以达到设计压力。

(2) 抬动变形分析。浅层岩体承压能力差，第1、2段岩体灌浆完成后，采取深孔口管将其隔开，再进行深部岩体灌浆，以防止孔口封闭灌浆破坏、抬动浅层岩体，该措施取得了显著的防抬效果。34～36号坝段下游排帷幕少数孔段发生抬动，上游排帷幕基本无抬动发生。43～45号坝段下游排约40%孔段发生抬动，浅层和深部岩体灌浆均有抬动发生，且某段出现抬动后，下部多段连续出现抬动；上游排灌浆抬动频率降至10%左右，效果总体较好。

根据43～45号坝段灌浆情况，适当降低了其余部位灌浆压力(见表3)。帷幕灌浆压力调整后，抬动频率一般在10%以内，且主要位于浅层岩体灌浆过程中。

(3) 质量检查。大坝高程386 m以下目前已实施灌后检查的孔有4个，仅1段压水超标，灌浆效果良好。

7 结 语

(1) 卡洛特水电站大坝基岩缓倾、软弱，爆破卸荷松弛较为严重，且基座厚度小，两侧岩体风化程度高。诸多灌浆不利因素造成外漏和抬动现象十分突出，灌浆难度极大。

(2) 固结灌浆采取增设充填灌浆、加强外漏封堵、严控升压过程、加强抬动控制、重新开孔补灌等措施后，不仅有效保证了灌浆抬动不对基座造成破坏，而且灌浆压力逐排逐序提高，浅层岩体质量得到明显改善，为帷幕灌浆提供了良好基础。

(3) 帷幕灌浆采取调整目标压力、分排分序逐级升压、加强外漏封堵、加大孔口管长度等措施后，帷幕灌浆质量良好。

(4) 大坝基岩灌浆受岩性、地形、基座两侧岩体条件等影响，不同部位受灌特性可能有所差别，应进一步密切关注不同部位的灌浆情况，视需要对灌浆工艺参数进行微调。

(5) 该工程采取的灌浆工艺参数、质量控制措施有效提升了缓倾、软岩、薄盖重、两侧岩体差部位基岩灌浆压力，改善了灌浆质量，可为同类土石坝基础处理工程提供有益参考。