高压旋喷灌浆在磨刀水库防渗加固中的应用

2024-01-04李燕芳黄永俊

广西水利水电 2023年6期

李燕芳，黄永俊

（1.广西壮族自治区水利科学研究院广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023；2.广西珠委南宁勘测设计院有限公司，南宁 530007）

1 概况

磨刀水库位于宾阳县陈平镇上峰村，坝址以上控制集雨面积13.53 km2。水库原设计总库容138.0万m3，有效库容93.17 万m3，是一座以灌溉为主，结合防洪、养殖等综合利用的小（1）型水库。磨刀水库设计灌溉面积600亩，目前实际灌溉面积300亩。水库枢纽主要建筑物由大坝、输水设施和溢洪道等组成。大坝为均质土坝，坝顶长87 m，坝顶高程为246.50 m，防浪墙顶高程247.10 m，最大坝高为26.57 m，坝顶宽3.5 m。本次实施方案复核磨刀水库工程等别为Ⅳ等工程，大坝、溢洪道、放水设施等主要水工建筑物级别为4 级，洪水标准维持原设计标准，即50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核，溢洪道消能防冲按20年一遇洪水设计。

磨刀水库于1970年10月动工兴建，1974年4月竣工。2011年实施了除险加固，水库大坝于2014年9月16日发现渗漏，渗漏时水位241.72 m，渗漏点高程229.25 m 左右，外坡从左至右229.25 m 高程全线渗漏，渗水为清水，坝面填土呈泥状，当年进行了补灌，但是由于当时施工质量较差，灌浆未按照规范要求进行，达不到防渗的效果，后续经2015年、2017年、2019 年对大坝进行连续灌浆补漏，仍不能对渗漏处进行封堵，2020 年继续对大坝进行防渗灌浆。2021年7月16日对大坝进行现场勘察时，检查水位为231.97 m，在水库下游距坝脚4 m 处发现渗漏情况，渗漏量较大，约为1.5 L/s，且根据管理人员反映，大坝在高水位运行时，大坝下游高程227.86 m处排水棱体有细反滤料流失情况。根据勘察结果，认为大坝虽然经过多次灌浆，灌浆效果明显，但是依然存在坝基渗漏和坝体渗漏。主要原因在于坝体填土砾石含量大，压实度低，均匀性差，加上灌浆孔距偏大，灌浆效果未能达到设计要求。磨刀水库大坝渗漏问题仍未彻底解决，水库渗漏量较大，严重影响大坝的安全运行，因此本次实施方案主要对磨刀水库渗漏等主要问题进行除险加固。

2 磨刀水库防渗加固方案研究

2.1 防渗加固方案的比选

根据地质勘探成果，大坝坝体填土为含砾粉质黏土，坝体填筑质量较差，压实度84.4%，渗透系数平均值为3.726×10-4cm/s，为中等透水性，当水库水位较高时，大坝外坡有散渗现象。坝体置于冲洪积土层上，两坝肩置于残积含砾粉质黏土及泥岩夹粉砂岩层上。根据水库运行管理记录，外坡坝脚长年渗水，存在坝体、坝基及坝体与坝基接触带渗漏，但未发现绕坝渗漏现象。冲积粉质黏土层渗透系数大于1.0×10-4cm/s，属于中等透水性；强风化基岩地层透水率为11.42～14.24 lu，属于中等透水性；弱风化基岩层透水率为3.76～7.17 lu，属弱透水性。因此，存在坝基及坝肩浅层渗漏。综上，大坝坝体填土和坝基渗透系数均不满足规范要求，大坝坝体填土压实度不满足规范要求，防渗效果差，对下游坝坡稳定不利。

结合地质勘探结果及大坝下游坝坡多处出现严重渗漏的情况，拟对大坝采取全断面防渗处理。由于水平防渗方案需放空水库，并在围堰的保护下进行施工，增加了工程量，施工较困难，经济上不合理，因此本次设计采取垂直防渗方案。采用“坝体砼防渗心墙+坝基帷幕灌浆”“坝体充填灌浆+坝基帷幕灌浆”和“坝体高压旋喷灌浆+坝基帷幕灌浆”3种方案进行比选。

（1）方案一：坝体砼防渗墙+坝基帷幕灌浆。对坝体采用塑性砼防渗墙进行防渗处理，墙体有效成墙厚度为0.6 m，防渗墙上部以不低于校核洪水位控制，顶高程取245.68 m。防渗墙下部深入坝基岩土分界线以下1 m，防渗墙抗渗等级W6，允许渗透坡降为60～80。帷幕灌浆共布设1 排帷幕灌浆孔，孔距2.0 m，帷幕灌浆灌至相对隔水层10 Lu线。

（2）方案二：坝体充填灌浆+坝基帷幕灌浆。充填灌浆灌入水泥浆和复合浆形成凝结体，可以在坝体内形成铅直而连续的防渗墙，堵住漏水通道，提高坝体的防渗能力，同时通过浆、土互压和湿陷，使坝体、坝基内部应力重分布，提高坝体、坝基变形稳定性。充填灌浆上限以不低于校核洪水位控制，顶高程取245.68 m，设1排灌浆孔，孔距1.0 m；充填灌浆深入坝基岩土分界线以下1 m。帷幕灌浆共布设1 排帷幕灌浆孔，孔距2.0 m，帷幕灌浆灌至相对隔水层10 Lu 线，基岩帷幕灌浆与坝体高压旋喷灌浆孔同一排布置，不再另外造孔。

（3）方案三：坝体高压旋喷灌浆+坝基帷幕灌浆。高压旋喷灌浆是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆和复合浆形成凝结体，以达到防渗加固的目的。高压旋喷灌浆上限以不低于校核洪水位控制，顶高程取245.68 m，设1排灌浆孔，孔距1.0 m。高压旋喷灌浆深入坝基岩土分界线以下1 m；帷幕灌浆共布设1排帷幕灌浆孔，孔距2.0 m，帷幕灌浆灌至相对隔水层10Lu线，基岩帷幕灌浆与坝体高压旋喷灌浆孔同一排布置，不再另外造孔。

上述3种方案中，对坝基采用帷幕灌浆防渗处理方案是相同的，从工程技术方面来看，防渗加固采用高喷灌浆、充填灌浆及砼防渗墙都是可行的，3种方法都是十分成熟的防渗处理技术，广泛用于堤防和水库大坝的加固工程中。3种方案优缺点如表1所示。

表1 磨刀水库三种防渗加固方案的优缺点比较

考虑到大坝属矮坝，只要加强高压旋喷灌浆施工技术控制即可解决钻孔偏斜率带来的质量问题，因此，经综合分析各方案的投资、防渗效果、施工难度、施工周期等因素，选用方案二（坝体高压旋喷灌浆+坝基帷幕灌浆）。

2.2 “坝体高压旋喷灌浆+坝基帷幕灌浆”防渗加固方案设计

2.2.1 坝体高压旋喷灌浆设计

（1）灌浆布置。大坝高压旋喷灌浆孔沿坝轴线布置，右岸与原人工挖孔桩搭接，灌浆上限以不低于校核洪水位控制，取245.68 m，设1排灌浆孔，孔距1.0 m。高压旋喷灌浆深入坝基岩土分界线以下1 m。

（2）灌浆材料。高压旋喷灌浆浆液采用强度等级为42.5 硅酸盐水泥按水灰比1∶1 制浆，制浆材料必须称量，误差不得大于5%。灌浆前通过35 孔/cm2过滤筛过滤，并每小时检测其密度。

（3）灌浆方法及灌浆工艺。高压旋喷灌浆拟采用三管法施工，初步选定旋喷灌浆工艺参数：①水压力0.35 MPa，流量70 L/min，喷嘴2 个，喷嘴直径1.7 mm；②压缩空气0.6 MPa，流量0.8 m3/min，喷嘴2个，喷嘴间隙1.5 mm；③水泥浆送浆压力0.2 MPa，流量80 L/min，密度1.7 g/cm3，喷嘴2 个，喷嘴直径8 mm；④孔口回浆密度≥1.5 g/cm3；⑤提升速度15 cm/min，旋喷速度15 r/min。最终技术参数应在灌浆前通过灌浆试验确定，并在施工初期进行调整完善。试验孔按灌浆孔的10%计。

（4）施工顺序。灌浆分二序进行。

2.2.2 坝基帷幕灌浆设计

（1）灌浆布置。结合本工程地形地质等实际情况和大坝渗流稳定计算结果，虽然坝基强风化岩为中等透水性，但大坝左坝肩山体雄厚，且未发现明显漏水点，故确定大坝左坝帷幕灌浆轴线与高压旋喷灌浆孔轴线重合，大坝坝基帷幕灌浆设一排灌浆孔，孔距2.0 m。为了方便施工，帷幕灌浆轴线定于坝轴线，施工从大坝左侧坝肩处开始到右侧坝肩，灌浆沿坝轴线，灌浆总长97 m。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）规定帷幕的设计标准应按灌后基岩的透水率控制，3 级及其以下的坝透水率宜为5～10 Lu。根据工程实际情况并结合渗流计算结果，确定帷幕灌浆灌至相对隔水层10 Lu线。

（2）灌浆方法。坝基帷幕灌浆采用自下而上的灌浆顺序。

（3）灌浆材料。坝基帷幕灌浆以水泥浆为主，为确保灌浆质量，要求使用P·O42.5 水泥。水泥浆采用水灰比为5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1 五个比级，开灌水灰比为5∶1。

（4）灌浆压力。接触面的灌浆压力初选0.2 MPa，其下逐渐增加到0.4 MPa，施工前再进行灌浆试验论证，而后在施工过程中调整确定。

（5）施工顺序。灌浆分三序进行。

3 大坝防渗加固前后的渗流稳定对比分析

根据地质钻探资料，大坝主河床部位的透水性较强，土体的渗透系数较大，对坝体的渗流及坝坡稳定较为不利，选取为最大坝高断面作为大坝的计算断面，大坝防渗加固前后渗流稳定计算简图如图1～2所示。

图1 大坝防渗加固前渗流稳定计算简图

图2 大坝防渗加固后渗流稳定计算简图

渗流计算采用北京理正软件研究室编写的计算机软件《渗流分析计算软件》，采用有限元法进行计算，软件要求输入的参数主要是大坝各土层轮廓点坐标，各土层的渗透系数及相应工况下的上、下游水位。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2 020）规定，并考虑到本工程在设计、校核工况下持续的时间不长，不会形式稳定渗流，因此，本次除险加固大坝渗流计算选用以下3种工况：①上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；②1/3坝高水位与下游相应的水位；③校核洪水位骤降至正常蓄水位。

计算结果如表2所示。

表2 大坝加固前后渗流计算成果表

由表2 可知，大坝在防渗加固前后各种计算工况下的最大渗透坡降均小于坝体填土的允许渗透坡降，故大坝防渗加固前后局部渗透都是稳定的，不会发生局部渗透破坏。且大坝在防渗加固后的渗透坡降以及渗流量均低于防渗加固前，渗流量减少尤为明显。各工况下的最大单宽渗流量为1.563 m3/d，相比防渗加固前的最大单宽渗漏量3.622 m3/d明显减少，防渗效果显著。