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1、弱透水性巖石壩基滲流控制施工工藝探討弱透水性巖石壩基滲流防控施工工藝探討申國濤 繆緒樟（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司地質(zhì)勘探院，河南 洛陽 471002）申國濤 繆緒樟黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘探院，洛陽471002摘要對(duì)弱透水性巖基的滲流影響、控制措施、防滲帷幕設(shè)計(jì)、鉆孔灌漿工藝等進(jìn)行了分析探討。針對(duì)國內(nèi)某前在弱透水性巖基滲流控制設(shè)計(jì)施工中的一些不足之處，提出了改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞弱透水性巖基滲流破壞 壩基揚(yáng)壓力 排水 灌漿1前言受地質(zhì)構(gòu)造缺陷或開挖施工的影響，大壩巖石基礎(chǔ)內(nèi)部經(jīng)常存在一些裂隙、孔隙或空洞。筑壩施工中若不加以處理，大壩建成蓄水后壩基通常會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重滲漏問題，造成如下兩方面的危害造成以下兩方面2、的危害：一是減少水庫的蓄水量，降低工程效益；二是產(chǎn)生滲流破壞，對(duì)大壩的安全運(yùn)行造成影響。在水電工程施工中，通常采用以下兩種方式對(duì)巖基滲漏問題進(jìn)行控制。一是采用灌漿的方式建造防滲帷幕，增加滲透途徑，消耗壩底的滲透水頭；二是在防滲帷幕線下游側(cè)鉆設(shè)排水孔進(jìn)行排水，將通過和繞過防滲帷幕的滲流安全地排走，釋放剩余水頭，以降低壩基揚(yáng)壓力。在實(shí)際的壩基防滲設(shè)計(jì)施工中，上述兩種壩基滲漏控制方法通常是同時(shí)采用，業(yè)內(nèi)通常稱為“前堵后排”或“堵排結(jié)合”。采用帷幕灌漿的方式減少壩基滲漏量，在透水性較強(qiáng)的巖石壩基中是必須的，效果也非常明顯。但對(duì)于地質(zhì)條件本身就較好、透水率q值小于3Lu的弱透水巖石壩基，即使設(shè)計(jì)了大量的3、灌漿工作量，同時(shí)采用先進(jìn)、可靠的灌漿工藝進(jìn)行施工，結(jié)果只會(huì)使壩基防滲費(fèi)用增加，延長(zhǎng)施工工期，防滲效果卻并不明顯。讓筆者感到奇怪的是，不知是水電行業(yè)一些設(shè)計(jì)人員對(duì)弱透性巖基滲流破壞原因不清楚，還是處于其它方面原因的考慮，國內(nèi)目前在弱透水性巖石壩基滲流控制設(shè)計(jì)施工中，比較重視防滲帷幕堵漏所起的作用。幾乎在所有的大壩基巖防滲處理中（不管壩基巖體完整與否），都布置了較大規(guī)模的帷幕灌漿任務(wù)，多數(shù)還采用高壓灌漿的方式來進(jìn)一步提高壩基防滲標(biāo)準(zhǔn)。在施工中多采用比較保守的孔口封閉灌漿法施工工藝。而不愿采用“以排為主”的方式，通過鉆排水孔這種施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的方式，把壩基中多余的水排出去，來確保了壩基的安全。對(duì)4、弱透水性巖基滲流破壞形式進(jìn)行初步分析，改進(jìn)現(xiàn)行的弱透性巖基滲漏控制施工工藝，是本文的主要內(nèi)容。2弱透水性巖基滲流破壞形式及控制措施2.1孔隙水壓力與壩基場(chǎng)壓力水在壩基巖石裂隙或土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象稱為滲流，壩基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲流破壞。大壩蓄水之后，庫區(qū)內(nèi)的水在高水頭作用下向外滲透。在滲流場(chǎng)中，水對(duì)壩基巖土介質(zhì)施加兩種作用力。一是滲壓力，在一定條件下，它能將粒狀顆粒帶走，造成淘刷；二是作用在孔隙界面上的靜水壓力，這種壓力稱為孔隙水壓力。孔隙水壓力對(duì)巖土骨架產(chǎn)生浮托效應(yīng)，使所有位于潛水面以上的物體均減輕一個(gè)相當(dāng)于該物體所排開的水體的重量。巖基中某點(diǎn)的孔隙水壓力計(jì)算公式為：h式中5、： 孔隙水壓力； 水的容重；h研究點(diǎn)以上充水的高度，如果水是承壓的，則h為該點(diǎn)的測(cè)壓水頭。孔隙水壓力的產(chǎn)生，將會(huì)引起壩基基質(zhì)間有效應(yīng)力減小。原因如下：在水充滿孔隙的地方，由上覆壩基和建筑物所加予的總負(fù)荷，是由基質(zhì)骨架和孔隙中的水二者共同承擔(dān)的。由總負(fù)荷產(chǎn)生的總壓力稱為壩基總壓力（S）；由基質(zhì)骨架承受的壓力稱為有效應(yīng)力（）；由液體水承受的應(yīng)力稱為孔隙水壓力（）。三者之間的關(guān)系式為：S由上述公式可看出，在壩基總壓力為一定的條件下，孔隙水壓力增加，必將使有效應(yīng)力減小。以由于孔隙水壓力在各個(gè)方向上的作用強(qiáng)度都相等又由于孔隙水壓力在各個(gè)方向上的作用強(qiáng)度都相等，因此它的增加，必將使應(yīng)力場(chǎng)中三個(gè)有效應(yīng)力都同6、時(shí)減小一個(gè)相等的數(shù)值。當(dāng)孔隙水壓力上升到與上覆總負(fù)荷引起的壩基總壓力相等時(shí)，上覆巖層將處于一種漂浮狀態(tài)，很容易開裂、游動(dòng)和被抬升，最終對(duì)壩體和壩基巖體的穩(wěn)定造成威脅。作用在壩基風(fēng)巖石裂隙界面上的孔隙水壓力，通常稱作壩基揚(yáng)壓力。壩基揚(yáng)壓力是一個(gè)鉛直向上的力，它減小了壩體作用在地基上的有效壓力，降低了壩底的抗滑力。還可能引起壩基巖體潛蝕，導(dǎo)致壩基失穩(wěn)。造成壩基揚(yáng)壓力升高的主要原因是水庫滲水，地表上降雨，天然的或人為的水淹也是導(dǎo)致其升高的因素。在庫水位猛漲、暴雨、水庫周邊大面積滑坡等外界因素作用下，還會(huì)使壩基產(chǎn)生異常水壓力，造成壩基揚(yáng)壓力在短時(shí)間內(nèi)突然增加。因此，嚴(yán)格控制壩基揚(yáng)壓力不使其過度升高，是7、大壩建設(shè)中一項(xiàng)最重要的任務(wù)。2.2弱透水性巖基的特點(diǎn)弱透水性巖基的主要特點(diǎn)如下：巖層透水率小，通常在3Lu以下；巖層通常致密、堅(jiān)硬、巖層中的裂隙多為細(xì)小裂隙；巖基中的斷層數(shù)量少，且屬于小斷層，巖基中無伴生的巖溶現(xiàn)象；巖性一般為受風(fēng)化構(gòu)造影響輕微的石英巖、花崗巖、片麻巖、閃長(zhǎng)巖、凝灰?guī)r、流紋巖等。2.3弱透水性壩基滲流破壞形式及控制措施我國著名的灌漿專家張景秀先生指出：異常高的孔隙水壓力，一般是與低滲透性的巖石相伴生的。一些碎屑巖、頁巖、粘土和蒸發(fā)巖，因其通常具有較高的孔隙度，含水較多，而透水性又通常較小、排水條件較差，因此有較多的機(jī)會(huì)產(chǎn)生異常水壓力；一些具有細(xì)小裂隙、透水性弱的堅(jiān)硬巖石，也較有8、可能出現(xiàn)孔隙水壓力（壩基揚(yáng)壓力）。在弱透水性巖石壩基中，滲流破壞主要表現(xiàn)為：壩基揚(yáng)壓力升高后，引起壩基承載力降低乃至崩塌造成的破壞。因此，弱透水性壩基滲漏控制的最終目的是盡量降低壩基揚(yáng)壓力。弱透水性巖基本身的透水量就較小，采用灌漿的方式不能明顯地降低壩基滲漏量；由此看來，在壩基防滲線下游側(cè)鉆設(shè)較多的排水孔進(jìn)行排水，把壩基中多余的水以適當(dāng)?shù)姆绞脚懦鋈ィA(yù)防高水位狀況下，由于壩基滲漏致使壩基揚(yáng)壓力過高，最終產(chǎn)生滲流破壞，從根本上降低壩基揚(yáng)壓力，是控制弱透水性壩基滲流破壞的根本措施。3弱透水性壩基滲流控制設(shè)計(jì)思路及施工工藝在弱透性巖石基礎(chǔ)上建壩，應(yīng)本著確保大壩安全，節(jié)約投資和不影響工程總進(jìn)度的總原則9、，進(jìn)行壩基滲流控制設(shè)計(jì)及施工。由于弱透性巖基中采用帷幕灌漿方式的防滲效果并不顯著，壩基滲流控制應(yīng)以排水為主；只是在斷層、擠壓破碎帶、泥化夾層等存在不良地質(zhì)的部位進(jìn)行少量帷幕灌漿。或者在大壩蓄水前只是先做好排水系統(tǒng)，而不做壩基帷幕灌漿，但要預(yù)留可供灌漿用的廊道。水庫開始蓄水后進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)排水孔出水量的大小和壩基揚(yáng)壓力的高低，再?zèng)Q定是否需要灌漿。為確保上述總原則的實(shí)現(xiàn)，在弱透水性壩基滲流控制設(shè)計(jì)及施工中，應(yīng)著重從以下幾個(gè)方面加以考慮。3.1確立“以排為主”，“堵排結(jié)合”的設(shè)計(jì)思路在弱透水性巖基滲流控制中，確立“以排為主”,“堵排結(jié)合”的設(shè)計(jì)思路，是基于以下四個(gè)方面的原因。在弱透水性巖石壩基中，滲10、流破壞主要表現(xiàn)為：壩基揚(yáng)壓力升高后，引起壩基承載力降低乃至崩塌造成的破壞。降低壩基揚(yáng)壓力是避免弱透水性壩基滲流破壞的根本措施。壩基揚(yáng)壓力大小受壩基排水條件所控制。我國著名灌漿專家張景秀先生，我國著名的灌漿專家張景秀先生在其壩基防滲與灌漿技術(shù)一文中指出，通過在調(diào)查分析國內(nèi)20余座混凝土壩的滲流控制措施和運(yùn)行后的觀測(cè)效果后得出如下結(jié)論：“除了極個(gè)別的壩或部位以外，壩基揚(yáng)壓力都很低；滲流量都很小；長(zhǎng)時(shí)間保持基本穩(wěn)定。進(jìn)一步分析得出了壩基揚(yáng)壓力的大小，除受上下游水位漲落影響以外，最主要的是受排水條件所控制。降低揚(yáng)壓力的根本措施，在于鉆設(shè)完善的排水系統(tǒng)，改善排水條件，減小滲透阻力，將水順利排出”。帷幕灌11、漿不能降低壩基揚(yáng)壓力。壩因基上部巖層通常做有大面積的固結(jié)灌漿，巖層的不均一性和各向異性，弱透水性基巖的透水性本來就小，外加上巖層的不均勻性及各向異性表面被隔水物質(zhì)所覆蓋等諸多方面的原因，將會(huì)使使?jié)B透進(jìn)壩基巖層的過來的水在逸出以前受到阻攔而不斷地積聚起來。只有其積聚到超過阻水的壓力水頭以后，這些水才能透過阻水層緩慢地流走。于是在阻水層中和其前面形成了較高的揚(yáng)壓力。這也是在弱透水性巖基中灌漿，既不能是壩基滲漏量有實(shí)際意義的減小既不能使壩基滲漏量明顯減小（灌漿后檢查孔與灌漿前先導(dǎo)孔壓水試驗(yàn)得出的呂榮值相比，無明顯減小），也不能有效地削減壩基場(chǎng)壓力的根本原因。受地質(zhì)構(gòu)造缺陷及開挖施工的影響，在地質(zhì)條件12、再好的巖石壩基防滲線上即使在地質(zhì)條件很好的巖石壩基防滲線上，也可能存在一些裂隙、斷層等透水性較大的部位。要防止這些部位產(chǎn)生較大的滲漏，還是需要必須采用取灌漿的方式對(duì)其堵漏。3.2對(duì)壩基地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查在弱透性巖基壩基防滲設(shè)計(jì)中，所需要的地質(zhì)資料可能比大壩設(shè)計(jì)所需的地質(zhì)資料還要多。首先對(duì)壩基潛在的地質(zhì)缺陷（裂隙、斷層及泥化夾層等地質(zhì)缺陷）必須了解清楚，以確定和處理潛在的集中滲漏通道；其次必須摸清不透水層的埋藏深度其次必須確定出相對(duì)不透水層的埋藏深度，以選定適當(dāng)?shù)墓酀{帷幕及排水孔的深度；為了解沿河道走向是否存在斷層和破碎帶，通常還需要布置橫向探洞；除觀察鉆孔所取出的巖芯實(shí)物外，還經(jīng)常借助孔內(nèi)13、電視來判定縫隙是張開的還是有充填物。在高壩的陡傾角壩肩內(nèi)應(yīng)布置勘探平洞，既可為勘探鉆孔提供通道，隨后還可作為灌漿廊道。在大壩基礎(chǔ)表面清理干凈后和灌漿、排水施工前，需繪制防滲體范圍內(nèi)已暴露的巖石表面地質(zhì)圖需要繪制防滲線范圍內(nèi)已暴露巖石的表面地質(zhì)圖。該圖和地形剖面圖是繪制灌漿帷幕的地質(zhì)剖面圖的基本依據(jù)。施工時(shí)可根據(jù)灌漿帷幕的地質(zhì)剖面圖修正灌漿孔孔距、孔位、孔向和孔深。勘探孔或灌漿孔的壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可用來修改補(bǔ)充地質(zhì)剖面圖，以幫助查清要進(jìn)一步處理的地質(zhì)缺陷。3.3設(shè)置完善的排水系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)壩基滲流的長(zhǎng)期觀測(cè)與分析巖基的排水措施有以下4種：寬縫或空腔內(nèi)的巖面自然排水；建筑物底部巖面上的排水溝網(wǎng)；在壩體14、廊道中鉆設(shè)排水孔；在大壩兩側(cè)山體中開挖排水隧洞等。在弱透水性巖基滲流控制中，主要依靠壩基排水孔來降低壩基揚(yáng)壓力。要想使壩基揚(yáng)壓力安全可靠地降低，必須根據(jù)巖體的滲透性確定出最優(yōu)的排水孔孔距；將排水孔的孔口高程充分地降低，最好不高于下游水位；排水孔的深度必須穿過隔水層，達(dá)到透水的裂隙或巖層。在弱透性巖基中進(jìn)行灌漿堵漏與排水的最終目的，是將壩基滲透流量和滲水壓力都控制在可以允許的范圍內(nèi)，并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。能否達(dá)到上述目標(biāo)，需通過對(duì)壩基滲流的長(zhǎng)期觀測(cè)和分析才能知道結(jié)果。壩基滲流觀測(cè)的主要項(xiàng)目有滲流量、壩基揚(yáng)壓力、沉陷位移、應(yīng)力和應(yīng)變等。滲流觀測(cè)的主要目的表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：在水庫蓄水后，經(jīng)常掌握壩基的滲15、流狀況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，必要時(shí)采取限制水庫蓄水位或工程補(bǔ)救措施。通過對(duì)壩基滲流狀況的實(shí)際結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行比較，來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)假定和所采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否適當(dāng)，以便為今后類似大壩實(shí)現(xiàn)既安全可靠又又經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.4 設(shè)計(jì)方案盡量做到安全與經(jīng)濟(jì)合理二者之間統(tǒng)一在弱透水性巖基滲流控制中，大壩蓄水前只做好完善的排水系統(tǒng)。預(yù)先設(shè)置可供灌漿用的廊道，在壩基防滲線上有針對(duì)性地多布置一些勘探孔，把勘探孔和灌漿施工孔結(jié)合起來，只對(duì)帷幕線上發(fā)現(xiàn)或分析可能存在地質(zhì)缺陷的部位進(jìn)行灌漿，其它部位先不做灌漿。水庫開始蓄水后進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)排水孔出水量的大小和壩基揚(yáng)壓力的高低，再?zèng)Q定是否需要灌漿。在布置灌漿孔或16、排水孔時(shí)，對(duì)于高傾角節(jié)理、裂隙發(fā)育的地段，要嚴(yán)格控制鉆孔的入巖角度，力求其垂直巖層節(jié)理面，增大防滲或排水效果。在灌漿施工中，強(qiáng)調(diào)先導(dǎo)孔的主導(dǎo)作用，灌漿施工參數(shù)以先導(dǎo)孔取芯描述和壓水成果來決定。3.5現(xiàn)有的灌漿工藝存在的問題及改進(jìn)建議國內(nèi)在壩基灌漿施工中通常采用孔口封閉法灌漿施工國內(nèi)在弱透水性壩基灌漿施工中絕大多數(shù)采用孔口封閉法灌漿法,設(shè)計(jì)壓力一般在26MPa；防滲標(biāo)準(zhǔn)是檢查孔透水率小于1Lu；灌漿孔的孔距一般為2.0m；為確保灌漿質(zhì)量，通常在壩基設(shè)置二排以上的灌漿孔；鉆孔方式為金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。跟國外西方類似工程常用的灌漿工藝相比，我國的灌漿工程量較大，防滲標(biāo)準(zhǔn)較高，直接導(dǎo)致灌漿成本增加，防滲效17、果卻并不明顯。比如在筆者參與施工的西南某大型水電站弱透水性壩基防滲施工中，壩基廊道21個(gè)壩段帷幕灌漿采用孔口封閉灌漿法施工，灌漿后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下：在總共678個(gè)孔，52293.45m的灌漿作業(yè)中，灌漿孔平均單位注灰量?jī)H為1.27 kg/m，工程施工中消耗水泥總量為2133371.61kg，而實(shí)際注入巖體裂隙中的水泥量只有66601.57kg，僅為所用水泥總量的3.12%。在弱透性巖基中灌漿中，改進(jìn)現(xiàn)有灌漿工藝，可在保證工程質(zhì)量的前提下，降低施工成本和加快施工進(jìn)度。具體改進(jìn)措施如下：鉆孔方式采用回轉(zhuǎn)沖擊回轉(zhuǎn)式，全部一鉆到底、使用灌漿栓塞進(jìn)行；灌漿方法采用栓塞法進(jìn)行自下而上分段純壓式灌注；采用穩(wěn)定18、性濃漿、中低壓（一般不超過3MPa）進(jìn)行灌注，可有效防止因產(chǎn)生水力劈裂造成的漿液浪費(fèi)及重復(fù)灌漿；對(duì)于灌漿前簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)值較小的孔段，灌漿時(shí)可考慮將灌漿適當(dāng)段長(zhǎng)適當(dāng)放大到10m左右。3.6技術(shù)規(guī)程應(yīng)有靈活性盡管在勘測(cè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了大量的地質(zhì)調(diào)查，獲取了足夠多的地質(zhì)資料，在實(shí)際施工中肯定還會(huì)出現(xiàn)一些新的地質(zhì)情況，有時(shí)需要對(duì)原先的施工方案進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，施工技術(shù)規(guī)程應(yīng)具有相應(yīng)的靈活性以便于修改和調(diào)整。對(duì)于在技術(shù)規(guī)程調(diào)整期間給施工方造成的損失，業(yè)主應(yīng)給予合理的費(fèi)用補(bǔ)償，只有這樣，才能保證工程的質(zhì)量和進(jìn)度。4結(jié)語弱透水性壩基滲流設(shè)計(jì)還不是一門科學(xué)壩基防滲設(shè)計(jì)與施工不是一門科學(xué)，而是一項(xiàng)建立在知識(shí)而是一門建立在知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累基礎(chǔ)之上的工藝技術(shù)。本文作者基于長(zhǎng)期進(jìn)行壩基防滲一線施工及技術(shù)管理的基礎(chǔ)上，就弱透水性巖基受到以往施工中習(xí)慣作法及業(yè)界學(xué)術(shù)阻力的影響，要改變目前國內(nèi)弱透性巖基滲流控制設(shè)計(jì)與施工工藝，達(dá)到筆者的上述主導(dǎo)思想，可能還需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過程。若能對(duì)那些想要克服其施工弊端的權(quán)威人士們起一個(gè)拋磚引玉的作用，就是筆者的最大心愿。的滲流影響、控制措施、防滲帷幕設(shè)計(jì)、鉆孔灌漿工藝等方面的問題闡述了一些自己觀點(diǎn)，不足之處，敬請(qǐng)指正。