黃全海，趙尊亭，王利芳

(1．河南省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質勘查院，河南 洛陽471023;2．河南省巖土工程有限公司，河南洛陽471023)

0 引言

滲水是水工建筑物運行中難以避免但也不能忽視的現(xiàn)象，滲漏嚴重時選取適宜的處理措施是確保壩體安全的關鍵。在洛陽市境內的某赤泥庫，由于企業(yè)在赤泥庫壩體工程未全面完工時就開始投入試運行，試運行中發(fā)生大面積滲漏及管涌，嚴重威脅著大壩的安全，經(jīng)過滲漏原因分析及現(xiàn)場試驗，采用“上游堵截滲水來源，下游增加排滲措施”的方法進行搶險加固，取得了較好的防滲堵漏效果。

1 工程概況

發(fā)生壩體滲漏的赤泥庫屬山谷型赤泥堆積庫，庫址三面環(huán)山，一面筑壩，庫底及壩基地層為互層狀灰白色、暗紅色強風化及中等風化泥質砂巖和泥巖。該赤泥庫設計壩頂高程490 m，壩底高程440 m，壩高50 m，壩軸線長470 m，壩頂寬6．2 m，內坡比為1∶2．0，外坡設置3條馬道，平均外坡比1∶3，壩體內坡面鋪設土工膜(兩布一膜)進行防滲，土工膜下鋪設垂直于壩坡1200 mm厚的砂礫排滲帶。在壩體外坡430 m標高設置排水棱體，排水棱體頂部高程430 m，高5 m，頂寬2．0 m，內坡比 1∶1．5，外坡比1∶2．0。在排水棱體與壩體接觸部位設置600 mm厚反濾層。

工程未全面完工情況下試運行，試運行中當庫內水位達到475．1 m時，大壩外坡出現(xiàn)嚴重滲水，部分區(qū)域出現(xiàn)直徑10 mm左右的管涌，另外多處出現(xiàn)大面積沼澤化情況。據(jù)現(xiàn)場測量，壩體最高滲水點高程473 m，比庫內水位低2．1 m，最低滲水點高程455 m，整個滲水區(qū)域面積約7200 m2。

2 滲漏原因分析

根據(jù)壩體施工日志及應急勘探孔檢查情況，綜合分析后得出壩體滲漏主要有以下幾個方面原因。

(1)大壩施工質量差，筑壩材料不符合設計要求。

壩體原設計為均質土壩，筑壩材料選用當?shù)卣惩?，要求均質壩的水平滲透系數(shù) ＜1×10－4cm/s。大壩施工中質量未得到有效控制，施工材料選用的是現(xiàn)場風化泥巖、泥質砂巖，其內含有大量超徑石塊和砂礫巖，筑壩材料中最大塊石粒徑達500 mm，筑壩材料不均勻，石塊局部集中，造成粗料局部架空或孔隙很大，壓實度達不到設計要求;現(xiàn)場應急勘察鉆進施工時泥漿漏失嚴重，局部地段出現(xiàn)孔口不返漿的現(xiàn)象;根據(jù)現(xiàn)場進行的分段鉆孔降水頭注水試驗情況分析，勘探孔深度范圍內滲透系數(shù)均＞4×10－3cm/s，特別是在高程455～475 m，壩體滲透系數(shù)為3．2 ×10－2～8．5 ×10－2cm/s，具有強—中透水性。注水試驗成果見表1。

表1 KC1孔注水實驗成果統(tǒng)計表

(2)土工膜防滲失效。

壩體防滲設計主要采取在內坡面鋪設土工膜(兩布一膜)進行防滲，同時為了防止土工膜破損，在壩體與土工膜之間鋪設500 mm厚的粘土墊層加以保護。土工膜在施工時，施工工作面積過大，土工膜未按原設計要求預留余幅(1．5%)，焊縫搭接寬度及粘結強度不足，壩體及膜下墊層施工質量差，在外部荷載作用下，出現(xiàn)土工膜的接縫局部撕裂現(xiàn)象，導致防水失效。

(3)部分安全設施未按進度完成。

圖1 帷幕灌漿設計立面圖

原設計在壩內坡設置1200 mm厚的砂礫石斜臥排滲層，方便壩前堆積的赤泥內的滲水通過此排滲層及庫底滲水導流管排到壩下游，加速壩內沉積赤泥的排水固結，起到一定防滲降低浸潤線的作用。從施工日志上看，壩內472～490 m標高段未按設計鋪設排滲層，且壩體下游坡原設計的排水棱體及回水池未施工，在滲水導流管封堵的情況下，排滲層不能工作，導致下游壩面浸潤線出逸較高。

3 搶險加固設計

3．1 設計理念

根據(jù)大壩滲漏情況及滲漏原因分析，擬定對大壩進行搶險加固。搶險加固的主要原則是“內堵外排”，確保大壩安全。針對該赤泥庫的滲漏原因，采取的內堵就是加強內坡土工膜的防滲，并在壩體中間增設一道防滲墻，截斷滲漏通道;外排就是在壩的下游坡采用導滲和濾水措施，使?jié)B水在不帶走土顆粒的前提下，迅速安全排出，以達到滲透安全穩(wěn)定。具體措施就是沿壩頂軸線灌漿，形成一道防滲墻;加固上游土工布防滲，完善下游壩坡導滲溝設置及下游壩腳處排水棱體。

3．2 壩體防滲墻設計

防滲墻采用灌漿處理形成，防滲墻處理范圍為從大壩樁號0+000～471 m全壩段，處理深度為壩頂至壩底基巖下5．0 m，處理后即可在壩體中軸線上游形成一道厚度≮2．0 m的水泥防滲墻，阻止壩體上游的滲水，如圖1所示。灌漿孔初步采用2排布孔設計，排距1．5 m，孔距1．0 m，呈梅花型布置，其中下排孔位于壩軸線處;灌漿時先施工下游再施工上游，每排孔均按Ⅲ序孔施工，施工順序見圖2;灌漿材料采用42．5硅酸鹽水泥加適當用量粘土與水拌勻，灌漿方法采用孔口壓塞、自上而下、孔內循環(huán)的方法，灌注最大壓力暫定為1．5 MPa，根據(jù)現(xiàn)場試驗情況進行調整;灌漿處理后形成的防滲墻滲透系數(shù)應 ＜1 ×10－5cm/s。

圖2 灌漿施工分序圖

3．3 施工前灌漿試驗

由于壩體施工質量較差、滲漏嚴重，且壩體下游有村民居住，事故處理專家組建議先通過現(xiàn)場灌漿試驗來驗證采用帷幕灌漿在技術上的可行性、效果上的可靠性以及經(jīng)濟上的合理性，并要求對擬采用的灌漿施工工藝、灌漿漿液的類別配比和灌漿壓力等技術參數(shù)的適宜性進行檢驗。帷幕灌漿試驗選擇在壩軸線中部左側區(qū)域進行，共施工試驗孔3個，檢測孔1個，完成鉆探進尺142．7 m。

試驗鉆孔采用硬質合金鉆頭泥漿護壁回轉鉆進，鉆孔直徑110 mm，灌漿方法采用自上而下分段、孔口壓塞、孔內循環(huán)法，檢測孔布置在3個灌漿孔中心部位，鉆孔降水頭注水試驗在灌漿結束后14天進行，鉆孔注水試驗分3段進行。通過帷幕灌漿試驗，得出如下結淪:

(1)硬質合金鉆頭泥漿護壁回轉鉆進方法，在碎石含量較高的區(qū)域及底部基巖部位施工技術上是可行的;

(2)段長劃分采用第一段2 m，第二段3 m，第三段3 m，第四段及其以下各段均為5 m比較合適;

(3)以水泥粘土漿為主要灌注漿材，粘土摻量為水泥質量的30%，灌漿漿液由稀至濃逐級變換，漿液水灰比采用3、2、1、0．6 等 4 個比級，技術上可行，經(jīng)濟上合理;

(4)注漿壓力第一段選用0．3 MPa，向下每段增加0．2 MPa，最大注漿壓力為1．5 MPa時，注漿效果能夠滿足設計要求;

(5)采用孔口壓塞、自上而下、孔內循環(huán)的灌漿方法，平均單位耗灰量 238．27～514．08 kg/m，且單位耗灰量根據(jù)注漿孔施工循序由前到后逐漸減少，整體上灌漿效果比較理想;

(6)注水試驗證明，地層滲透系數(shù)為35．74×10－6～1．13 ×10－5cm/s，基本能達到設計要求的防滲效果。

4 帷幕灌漿施工

根據(jù)設計圖紙，赤泥庫初期壩壩軸線長471 m，設計2排注漿孔，共設計鉆孔943個，梅花型布置，孔深5～51．7 m(根據(jù)實際壩體高度進行調整，以孔底超過壩基以下基巖5 m為準)。鉆孔施工時采用硬質合金鉆頭泥漿護壁回轉鉆進，鉆孔直徑110 mm，灌漿方法采用自上而下分段、孔口壓塞、孔內循環(huán)法。由于工程量較大，施工時分成10個單元進行管理。

4．1 施工工藝流程

帷幕灌漿施工的工藝流程為:測放孔位→埋設孔口管→鉆孔→鉆孔沖洗→灌漿→待凝→鉆下段(循環(huán))→封孔→搬遷至下一孔。

4．2 灌漿時漿液濃度變換原則

(1)每段灌漿前使用灌漿漿液置換孔內泥漿;

(2)當水灰比3的漿液灌注400 L以上，而漿液注入率和壓力均無明顯變化時變濃一級;

(3)其它水灰比的漿液灌注600 L以上，而漿液注入率和壓力均無明顯變化時變濃一級;

(4)當漿液注入率＞40 L/min，灌注800 L以上時，可越一級變濃;

(5)鉆孔時孔口長時間不返泥漿的，可直接灌注最濃一級漿液;

(6)當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比。

4．3 灌漿結束標準及封孔

在該段設計壓力下，當漿液注入率≯1 L/min時，繼續(xù)灌注60 min結束灌漿。封孔采用“全孔壓力灌漿封孔法”，即全孔灌漿完畢后，先不提射漿管，用射漿管將孔內余漿全部置換成水灰比為0.6的濃漿，然后提出射漿管、將孔口封閉，繼續(xù)使用濃漿進行純壓灌漿封孔時間≮1 h。

4．4 灌漿觀測工作

為保證壩體灌漿質量和壩體安全，檢驗灌漿效果，在灌漿期間進行壩體觀測，項目包括:表面變形、壩體位移、壩頂裂縫、壩體冒漿、滲流等。在灌漿過程中，設有專職觀測人員負責觀測工作，全面控制灌漿質量，及時發(fā)現(xiàn)和解決施工中出現(xiàn)的問題;對于位移觀測(包括沉降觀測和位移觀測)，根據(jù)選定的觀測斷面，對布設的觀測混凝土樁，在灌漿期間每天觀測2～4次，非灌漿期間每5天觀測1次;其它觀測內容每天觀測2次。

4．5 灌漿施工過程中特殊情況的處理

4．5．1 塌孔

鉆孔經(jīng)過碎石含量較高的部位時，由于地層相對松散，孔壁不穩(wěn)，易發(fā)生掉塊及塌孔的現(xiàn)象，此時采用在循環(huán)泥漿中加入2%～3%的廣譜類護壁劑，用小泵量循環(huán)快速通過，當孔壁不穩(wěn)定地段較厚時，采用下入套管護壁的方式進行施工。

4．5．2 灌漿中斷

由于機械設備、輸漿管等發(fā)生故障或因地質因素的影響而發(fā)生灌漿中斷時，必須迅速處理，以使灌漿連續(xù)進行。短時間內恢復的，若吸漿量與灌注前相同或相近，可采用中斷前的比級續(xù)灌，若吸漿量較灌前大幅減少，則改用最稀一級配比灌注。當中斷時間超過初凝時間時，應重新下鉆掃孔和沖洗鉆孔，用起始水灰比進行復灌;復灌后若吸漿量大幅減少且在極短時間內停止吸漿，則該孔段灌注無效，應采取其它補求措施。

4．5．3 串漿

由于施工質量較差，部分地段大面積存在碎石架空現(xiàn)象，在灌漿過程中往往發(fā)生串漿現(xiàn)象，此時采取如下措施:

(1)串漿孔與灌漿孔同時施灌;

(2)在串漿孔內漏漿段以上部位安設止水塞，嚴密封堵，灌漿孔按要求正常灌注，待灌漿孔灌漿結束后，再對串漿孔進行掃孔、沖洗、而后繼續(xù)進行鉆進或灌漿;

(3)適當增大相鄰兩個次序孔先后施工的間隔時間。

4．5．4 地表冒漿

由于部分地段的灌漿孔段與地表有垂直方向的連通孔隙，在灌漿壓力較大而灌漿段的位置又較淺時，常易發(fā)生地表冒漿現(xiàn)象。這種情況下可采取調濃漿液、摻速凝劑、加粗骨料、降低泵壓、限制吸漿量等方法進行處理，或用間歇法(間歇10 min灌注30 min)以及停灌待凝48 h然后掃孔、沖孔、復灌加以處理。

4．5．5 地層嚴重漏漿

由于筑壩施工過程中碎石局部較集中，碎石架空現(xiàn)象明顯，灌漿過程中常常發(fā)生嚴重漏漿的現(xiàn)象，處理時一般按下述原則進行。

(1)降低灌注壓力:用低壓或自流式灌漿，待孔隙逐漸充滿漿液并降低流動性后再逐漸升高壓力，按正常程序進行灌注;

(2)限制進漿量:將進漿量限制在30 L/min以下，使用濃漿進行灌注，待進漿量明顯減少時，將壓力逐漸升高，如此反復進行;

(3)增大漿液濃度:使用濃度大的漿液灌注，必要時可摻加砂(粘土)料配制濃漿，并適當降低壓力，待單位吸漿量降低后再用純水泥漿并逐漸升高壓力施灌;

(4)間歇灌漿:在長時間內地層一直大量吸漿并且基本不起壓力的情況下使用。

5 加固及完善其它安全設施

5．1 壩上游土工膜防滲加固

鑒于庫內沉積赤泥已接近472 m標高，對472 m標高以下的土工膜進行加固防滲已不現(xiàn)實。故僅對標高472 m以上的土工膜進行加固。并在壩上游土工膜外新加一道2000 mm厚粘土防滲層，粘土防滲層選用粘土，迎水面拍打密實平整。同時在粘土防滲層上，復鋪一層厚度為2 mm的HDPE土工膜，土工膜拼接時選用熱熔焊法，焊縫搭接寬300 mm。其底部必須與前次鋪設土工膜焊接可靠，構成完全封閉體系。

5．2 增加導滲溝

壩體下游出現(xiàn)大面積滲水及明流，滲水逸出點較高。為了保護下游坡滲透穩(wěn)定，采用導滲處理是一種有效的處理方法。沿壩軸線每隔10～15 m布置一條縱向導滲溝，為了達到較好的排滲效果，分別在480、470、460 m馬道下游處，結合縱向導滲溝，布置三道“W”形支導滲溝，滲水匯集到縱向導滲溝后排至下游排水溝，再由排水溝匯集至回水池。

5．3 增設貼坡排水體

鑒于大壩下游浸潤線逸出點高，原設計排水棱體未及時施工，影響大壩下游坡的安全?，F(xiàn)按原圖施工會影響大壩安全，故在下游坡腳設貼坡排水棱體，加大棱體厚度和高度。設計棱體頂面高程440 m，頂部寬10．0 m，外坡坡比1∶3．0，內坡同壩外坡，壩腳清基至422．9 m標高，清基底寬10．0 m，基坑邊坡1∶1．0，貼坡采用干砌石結構。排水體與壩體之間設反濾層，保護壩體滲透穩(wěn)定。反濾層采用3層貼近壩體第一層為粒徑0．25～1 mm的砂，厚300 mm;中間層為粒徑1～5 mm的礫石，厚300 mm;外層為粒徑5～20 mm的碎石或卵石，厚300 mm。壩腳處設排水溝匯集濾水。

6 搶險加固效果

6．1 帷幕灌漿質量檢查

帷幕灌漿質量檢查以鉆孔取心觀察和檢查孔降水頭注水試驗為主，注水試驗在壩段灌漿結束14天后進行。本工程質量檢查孔均由監(jiān)理單位、設計單位布置，共在10個單元中布置注水試驗孔20個，每個單元2個孔，均位于2排灌漿孔中間，完成注水試驗72段，測得各試驗段的綜合滲透系數(shù)為2．3×10－6～8．9 ×10－6cm/s，均 ＜1 ×10－5cm/s，合格率 100%。

6．2 運行效果評價

搶險加固工程結束后壩體外坡已沒有滲出點出現(xiàn)，經(jīng)過3個月的尾礦排放試運行后通過了主管部門的竣工驗收，目前該赤泥庫已經(jīng)堆積至最終設計標高，進入到閉庫程序，壩外坡未再出現(xiàn)滲漏情況，導滲管排滲正常，赤泥庫整體運行良好。

7 結語

從壩體搶險加固后的鉆孔取心、注水試驗和運行情況看，針對該赤泥庫滲漏采取的“內堵外排”措施是行之有效的，尤其是灌漿施工前的試驗工作，為該工程的鉆孔施工工藝、灌漿壓力、段長的劃分及漿液水灰比的比級選取等參數(shù)的適宜性提供了直接的依據(jù)，尤其是在碎石較集中區(qū)域的鉆探施工及灌漿參數(shù)的選取，得出了較為可貴的經(jīng)驗，值得在類似地層中推廣應用。

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