高壓旋噴灌漿在磨刀水庫防滲加固中的應用

李燕芳，黃永俊

（1.廣西壯族自治區水利科學研究院 廣西水工程材料與結構重點實驗室，南寧 530023；2.廣西珠委南寧勘測設計院有限公司，南寧 530007）

1 概況

磨刀水庫位于賓陽縣陳平鎮上峰村，壩址以上控制集雨面積13.53 km2。水庫原設計總庫容138.0萬m3，有效庫容93.17 萬m3，是一座以灌溉為主，結合防洪、養殖等綜合利用的?。?）型水庫。磨刀水庫設計灌溉面積600畝，目前實際灌溉面積300畝。水庫樞紐主要建筑物由大壩、輸水設施和溢洪道等組成。大壩為均質土壩，壩頂長87 m，壩頂高程為246.50 m，防浪墻頂高程247.10 m，最大壩高為26.57 m，壩頂寬3.5 m。本次實施方案復核磨刀水庫工程等別為Ⅳ等工程，大壩、溢洪道、放水設施等主要水工建筑物級別為4 級，洪水標準維持原設計標準，即50年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核，溢洪道消能防沖按20年一遇洪水設計。

磨刀水庫于1970年10月動工興建，1974年4月竣工。2011年實施了除險加固，水庫大壩于2014年9月16日發現滲漏，滲漏時水位241.72 m，滲漏點高程229.25 m 左右，外坡從左至右229.25 m 高程全線滲漏，滲水為清水，壩面填土呈泥狀，當年進行了補灌，但是由于當時施工質量較差，灌漿未按照規范要求進行，達不到防滲的效果，后續經2015年、2017年、2019 年對大壩進行連續灌漿補漏，仍不能對滲漏處進行封堵，2020 年繼續對大壩進行防滲灌漿。2021年7月16日對大壩進行現場勘察時，檢查水位為231.97 m，在水庫下游距壩腳4 m 處發現滲漏情況，滲漏量較大，約為1.5 L/s，且根據管理人員反映，大壩在高水位運行時，大壩下游高程227.86 m處排水棱體有細反濾料流失情況。根據勘察結果，認為大壩雖然經過多次灌漿，灌漿效果明顯，但是依然存在壩基滲漏和壩體滲漏。主要原因在于壩體填土礫石含量大，壓實度低，均勻性差，加上灌漿孔距偏大，灌漿效果未能達到設計要求。磨刀水庫大壩滲漏問題仍未徹底解決，水庫滲漏量較大，嚴重影響大壩的安全運行，因此本次實施方案主要對磨刀水庫滲漏等主要問題進行除險加固。

2 磨刀水庫防滲加固方案研究

2.1 防滲加固方案的比選

根據地質勘探成果，大壩壩體填土為含礫粉質黏土，壩體填筑質量較差，壓實度84.4%，滲透系數平均值為3.726×10-4cm/s，為中等透水性，當水庫水位較高時，大壩外坡有散滲現象。壩體置于沖洪積土層上，兩壩肩置于殘積含礫粉質黏土及泥巖夾粉砂巖層上。根據水庫運行管理記錄，外坡壩腳長年滲水，存在壩體、壩基及壩體與壩基接觸帶滲漏，但未發現繞壩滲漏現象。沖積粉質黏土層滲透系數大于1.0×10-4cm/s，屬于中等透水性；強風化基巖地層透水率為11.42～14.24 lu，屬于中等透水性；弱風化基巖層透水率為3.76～7.17 lu，屬弱透水性。因此，存在壩基及壩肩淺層滲漏。綜上，大壩壩體填土和壩基滲透系數均不滿足規范要求，大壩壩體填土壓實度不滿足規范要求，防滲效果差，對下游壩坡穩定不利。

結合地質勘探結果及大壩下游壩坡多處出現嚴重滲漏的情況，擬對大壩采取全斷面防滲處理。由于水平防滲方案需放空水庫，并在圍堰的保護下進行施工，增加了工程量，施工較困難，經濟上不合理，因此本次設計采取垂直防滲方案。采用“壩體砼防滲心墻+壩基帷幕灌漿”“壩體充填灌漿+壩基帷幕灌漿”和“壩體高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿”3種方案進行比選。

（1）方案一：壩體砼防滲墻+壩基帷幕灌漿。對壩體采用塑性砼防滲墻進行防滲處理，墻體有效成墻厚度為0.6 m，防滲墻上部以不低于校核洪水位控制，頂高程取245.68 m。防滲墻下部深入壩基巖土分界線以下1 m，防滲墻抗滲等級W6，允許滲透坡降為60～80。帷幕灌漿共布設1 排帷幕灌漿孔，孔距2.0 m，帷幕灌漿灌至相對隔水層10 Lu線。

（2）方案二：壩體充填灌漿+壩基帷幕灌漿。充填灌漿灌入水泥漿和復合漿形成凝結體，可以在壩體內形成鉛直而連續的防滲墻，堵住漏水通道，提高壩體的防滲能力，同時通過漿、土互壓和濕陷，使壩體、壩基內部應力重分布，提高壩體、壩基變形穩定性。充填灌漿上限以不低于校核洪水位控制，頂高程取245.68 m，設1排灌漿孔，孔距1.0 m；充填灌漿深入壩基巖土分界線以下1 m。帷幕灌漿共布設1 排帷幕灌漿孔，孔距2.0 m，帷幕灌漿灌至相對隔水層10 Lu 線，基巖帷幕灌漿與壩體高壓旋噴灌漿孔同一排布置，不再另外造孔。

（3）方案三：壩體高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿。高壓旋噴灌漿是利用射流作用切割摻攪地層，改變原地層的結構和組成，同時灌入水泥漿和復合漿形成凝結體，以達到防滲加固的目的。高壓旋噴灌漿上限以不低于校核洪水位控制，頂高程取245.68 m，設1排灌漿孔，孔距1.0 m。高壓旋噴灌漿深入壩基巖土分界線以下1 m；帷幕灌漿共布設1排帷幕灌漿孔，孔距2.0 m，帷幕灌漿灌至相對隔水層10Lu線，基巖帷幕灌漿與壩體高壓旋噴灌漿孔同一排布置，不再另外造孔。

上述3種方案中，對壩基采用帷幕灌漿防滲處理方案是相同的，從工程技術方面來看，防滲加固采用高噴灌漿、充填灌漿及砼防滲墻都是可行的，3種方法都是十分成熟的防滲處理技術，廣泛用于堤防和水庫大壩的加固工程中。3種方案優缺點如表1所示。

表1 磨刀水庫三種防滲加固方案的優缺點比較

考慮到大壩屬矮壩，只要加強高壓旋噴灌漿施工技術控制即可解決鉆孔偏斜率帶來的質量問題，因此，經綜合分析各方案的投資、防滲效果、施工難度、施工周期等因素，選用方案二（壩體高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿）。

2.2 “壩體高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿”防滲加固方案設計

2.2.1 壩體高壓旋噴灌漿設計

（1）灌漿布置。大壩高壓旋噴灌漿孔沿壩軸線布置，右岸與原人工挖孔樁搭接，灌漿上限以不低于校核洪水位控制，取245.68 m，設1排灌漿孔，孔距1.0 m。高壓旋噴灌漿深入壩基巖土分界線以下1 m。

（2）灌漿材料。高壓旋噴灌漿漿液采用強度等級為42.5 硅酸鹽水泥按水灰比1∶1 制漿，制漿材料必須稱量，誤差不得大于5%。灌漿前通過35 孔/cm2過濾篩過濾，并每小時檢測其密度。

（3）灌漿方法及灌漿工藝。高壓旋噴灌漿擬采用三管法施工，初步選定旋噴灌漿工藝參數：①水壓力0.35 MPa，流量70 L/min，噴嘴2 個，噴嘴直徑1.7 mm；②壓縮空氣0.6 MPa，流量0.8 m3/min，噴嘴2個，噴嘴間隙1.5 mm；③水泥漿送漿壓力0.2 MPa，流量80 L/min，密度1.7 g/cm3，噴嘴2 個，噴嘴直徑8 mm；④孔口回漿密度≥1.5 g/cm3；⑤提升速度15 cm/min，旋噴速度15 r/min。最終技術參數應在灌漿前通過灌漿試驗確定，并在施工初期進行調整完善。試驗孔按灌漿孔的10%計。

（4）施工順序。灌漿分二序進行。

2.2.2 壩基帷幕灌漿設計

（1）灌漿布置。結合本工程地形地質等實際情況和大壩滲流穩定計算結果，雖然壩基強風化巖為中等透水性，但大壩左壩肩山體雄厚，且未發現明顯漏水點，故確定大壩左壩帷幕灌漿軸線與高壓旋噴灌漿孔軸線重合，大壩壩基帷幕灌漿設一排灌漿孔，孔距2.0 m。為了方便施工，帷幕灌漿軸線定于壩軸線，施工從大壩左側壩肩處開始到右側壩肩，灌漿沿壩軸線，灌漿總長97 m。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2020）規定帷幕的設計標準應按灌后基巖的透水率控制，3 級及其以下的壩透水率宜為5～10 Lu。根據工程實際情況并結合滲流計算結果，確定帷幕灌漿灌至相對隔水層10 Lu線。

（2）灌漿方法。壩基帷幕灌漿采用自下而上的灌漿順序。

（3）灌漿材料。壩基帷幕灌漿以水泥漿為主，為確保灌漿質量，要求使用P·O42.5 水泥。水泥漿采用水灰比為5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1 五個比級，開灌水灰比為5∶1。

（4）灌漿壓力。接觸面的灌漿壓力初選0.2 MPa，其下逐漸增加到0.4 MPa，施工前再進行灌漿試驗論證，而后在施工過程中調整確定。

（5）施工順序。灌漿分三序進行。

3 大壩防滲加固前后的滲流穩定對比分析

根據地質鉆探資料，大壩主河床部位的透水性較強，土體的滲透系數較大，對壩體的滲流及壩坡穩定較為不利，選取為最大壩高斷面作為大壩的計算斷面，大壩防滲加固前后滲流穩定計算簡圖如圖1～2所示。

圖1 大壩防滲加固前滲流穩定計算簡圖

圖2 大壩防滲加固后滲流穩定計算簡圖

滲流計算采用北京理正軟件研究室編寫的計算機軟件《滲流分析計算軟件》，采用有限元法進行計算，軟件要求輸入的參數主要是大壩各土層輪廓點坐標，各土層的滲透系數及相應工況下的上、下游水位。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2 020）規定，并考慮到本工程在設計、校核工況下持續的時間不長，不會形式穩定滲流，因此，本次除險加固大壩滲流計算選用以下3種工況：①上游正常蓄水位與下游相應的最低水位；②1/3壩高水位與下游相應的水位；③校核洪水位驟降至正常蓄水位。

計算結果如表2所示。

表2 大壩加固前后滲流計算成果表

由表2 可知，大壩在防滲加固前后各種計算工況下的最大滲透坡降均小于壩體填土的允許滲透坡降，故大壩防滲加固前后局部滲透都是穩定的，不會發生局部滲透破壞。且大壩在防滲加固后的滲透坡降以及滲流量均低于防滲加固前，滲流量減少尤為明顯。各工況下的最大單寬滲流量為1.563 m3/d，相比防滲加固前的最大單寬滲漏量3.622 m3/d明顯減少，防滲效果顯著。

4 結語

采用“高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿”措施對磨刀水庫大壩進行防滲加固，對防滲加固前后大壩滲流穩定進行對比分析，表明防滲措施可行有效。項目建成后減少了水量的滲漏，提高了水庫的安全性，延長了水庫的使用壽命，保證工程發揮應有的效益，可為當地的經濟發展，構建和諧社會發揮積極作用。