土石壩窄心墻接觸沖刷技術(shù)研究與壩基帷幕灌漿處理

王春磊 皇甫澤華

（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司 鄭州 450000 河南省前坪水庫建設(shè)管理局 鄭州 450000）

1 概述

鲇魚山水庫主壩為粘土窄心墻砂殼壩，壩頂長1476m，最大壩高45.8m。粘土心墻呈紡綞型，壩頂心墻寬度僅3.0m，兩側(cè)邊坡1∶0.15，底部心墻穿透砂卵石層落在基巖，底寬不足6m，邊坡1∶0.5。《鲇魚山水庫大壩安全評價》中滲流安全評價意見為：“主壩壩基大部分地段滲流是穩(wěn)定的，但局部地段仍存在著高位勢和位勢突變或升高的趨勢，說明壩基已發(fā)生滲透變形?！备鶕?jù)除險加固方案比較，確定采用壩基帷幕灌漿處理方案。在大壩窄心墻中進(jìn)行基巖灌漿帷幕施工，灌漿壓力較小時，漿液進(jìn)不到裂隙中，達(dá)不到預(yù)期效果；而灌漿壓力較大時，因心墻底部寬度較窄，掌握不好易造成接觸沖刷，甚至劈裂心墻。這也提出了一個新的研究課題——土石壩窄心墻接觸沖刷技術(shù)研究與壩基帷幕灌漿處理。該項目通過理論分析與現(xiàn)場施工相結(jié)合的方法，對巖基面與窄心墻防滲體土料的接觸滲流沖刷控制技術(shù)研究，為水庫壩基帷幕灌漿防滲處理提供了試驗參數(shù)，為進(jìn)一步采取工程措施提供了幫助。

2 相關(guān)工程研究成果

2.1 巖基表層裂隙中縱向滲流對土質(zhì)防滲體的接觸沖刷

對于該種類型的接觸沖刷國內(nèi)外研究的相對較多，取得了一些成果。

2.1.1 B.H.熱連柯夫曾專門研究了巖基裂隙開度σ不同情況下各種土料的接觸沖刷特性，試驗中包括有壤土、砂質(zhì)土及粘土，土料的液限變化范圍為19%～57%，塑限為13%～28%，塑性指數(shù)為5%～22%。試驗結(jié)論如下：

巖基裂隙開度的影響程度。當(dāng)δ≥4mm時，裂隙巖體中接觸沖刷流速接近常數(shù)，繼續(xù)加大裂隙開度沖刷流速變化不大，vk≈20cm/s。

接觸沖刷的最小水力比降J為：

接觸沖刷流速vk為：

式中：υ—液體的運動粘滯系數(shù)（cm2/s）；

G—重力加速度，（cm/s2）；

δ—巖基裂隙開度，（mm）。

基巖裂隙寬度δ≤0.5mm時在接觸帶不會產(chǎn)生接觸沖刷流速。

2.1.2 中國水利水電科學(xué)研究院選用了兩個工程的防滲土料：一種是黃河小浪底大壩心墻土料，屬粉質(zhì)粘土料，代表粘性較高的土料；另一種是河北黃壁莊水庫副壩覆蓋土料，屬重沙壤土，代表粘性較差的土料。其研究結(jié)果顯示：

巖體裂隙滲流流態(tài)取決于裂隙開度、糙率和水力比降，但土體的接觸沖刷還與土的性質(zhì)和干密度有關(guān)，不完全取決于滲流流態(tài)。在裂隙因素相同的情況下，粘性和干密度大的土抗沖刷水力比降大。

裂隙開度是決定接觸沖刷的主要因素之一。當(dāng)裂隙開度δ＞3mm后土體的接觸沖刷水力比降接近常數(shù)，開度不再有明顯作用。這一現(xiàn)象表明，當(dāng)δ＞3mm后對土體的接觸沖刷強(qiáng)度起主要作用的是土體本身的水化崩解能力及崩解后團(tuán)粒粒徑的大小。崩解能力強(qiáng)、團(tuán)粒粒徑小的土，抗接觸沖刷的水力比降小，反之則大。

土的性質(zhì)對接觸沖刷的影響更加明顯，粘性高的土抗接觸沖刷能力強(qiáng)，砂壤土抗裂縫沖刷的比降很小。

干密度的影響。同一種土，壓實系數(shù)大，密度高，則抗接觸沖刷的水力比降大。對于高液限粘質(zhì)土，只要接觸沖刷帶土體的壓實系數(shù)達(dá)0.94的要求，巖石裂隙開度在1mm左右，就具有較高的抗接觸沖刷的水力比降。

2.2 考慮防滲體與地基接觸面力學(xué)作用下的接觸沖刷

河海大學(xué)的有關(guān)研究認(rèn)為接觸面的滲流特性不僅依賴相接觸的兩種介質(zhì)自身的滲流特性，更依賴于接觸面附近的結(jié)合程度，則從實現(xiàn)接觸面法向壓力的模擬，對不同法向壓力作用下心墻與巖基、心墻與岸坡接觸面進(jìn)行了滲流試驗。試驗考慮不同組合下發(fā)生接觸沖刷破壞對滲透系數(shù)和破壞坡降的影響，組合包括圍壓不同、土料填筑密度不同、滲流出口有無反濾保護(hù)措施、接觸面光滑與粗糙等方面。試驗結(jié)論認(rèn)為：

粘土試樣與混凝土試樣在接觸面上發(fā)生沖刷破壞與施加的圍壓（垂直于接觸面的向壓力）有很大關(guān)系，并且通過試驗結(jié)果證明，隨著圍壓的增大，發(fā)生接觸沖刷的破壞比降也增大，并且近似成線性遞增。經(jīng)試驗，填筑干密度1.65g/cm3比填筑干密度1.597g/cm3抗?jié)B能力提高約5%。

接觸沖刷破壞與下游側(cè)有無反濾保護(hù)也有很大關(guān)系，當(dāng)下游側(cè)無反濾保護(hù)時就容易發(fā)生接觸沖刷破壞，并且通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣無反濾時，在其破壞過程中試樣形態(tài)發(fā)生很大變化。在相同的填筑條件下，當(dāng)采用滲流出口處有反濾保護(hù)時，抗?jié)B能力將提高約6%。

心墻粘土試樣的接觸滲流抗沖刷破壞，緊密依賴于滲壓與圍壓比值，經(jīng)統(tǒng)計擬合分析，破壞條件滲壓—圍壓比值約為0.9～0.95。

3 主壩心墻與基巖接觸沖刷試驗研究

河南省水利科學(xué)研究院對水庫心墻與基巖接觸沖刷進(jìn)行了室內(nèi)研究，研究內(nèi)容為對不同干容重的中、重粉質(zhì)壤土及粘土三種土料，在不同縱向和橫向巖石裂隙寬度和深度情況下進(jìn)行試驗，為水庫主壩工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

3.1 試驗情況

3.1.1 試驗土料

心墻土料采用中粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土及粘土三種土料。

3.1.2 實驗項目

巖石裂隙尺寸對沖刷流速之影響：以干容重為1.65g/cm3的中粉質(zhì)土為對象，進(jìn)行巖石裂隙寬度為10mm，深度為2mm、5mm、10mm、20mm和裂隙寬度為5mm，深度為5mm、10mm之沖刷試驗。

土料干容重對沖刷流速之影響：以中粉質(zhì)壤土為對象，在裂隙寬度10mm和深度為5mm的情況下，比較了干容重為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3和1.70 g/cm3時沖刷流速之大小。

土料中粘粒含量對沖刷流速之影響：試驗土料為中粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土和粘土，干容重為1.65g/cm3，巖石裂隙寬度為10mm而深度為5mm。土的物理指標(biāo)見表1。

3.1.3 土樣制備與巖石及其裂隙之模擬

土樣的制備。制備方法是先將土料風(fēng)干，碾碎，過孔徑2mm篩，然后按最優(yōu)含水量控制加水后放入瓷容器內(nèi)，靜置24h后，拌勻，再把該土按控制干容重稱量分10次填入10cm×10cm×10cm之鐵模內(nèi)，每填一次擊實至1cm，將表面再刨毛后再填第二次土。重復(fù)上述步驟至10cm。脫模放入飽和器內(nèi)進(jìn)行抽氣飽和，飽和度不得低于95%。

表1 土的物理性指標(biāo)表

弱風(fēng)化花崗巖之模擬。弱風(fēng)化花崗巖取樣和加工均較困難，而且也很難確定其代表性之大小。故用機(jī)制紅磚加上水泥砂漿抹石來模擬。順?biāo)鞣较虻拈L度為12cm，進(jìn)出口部加工成流線型，人為地控制縫寬和縫深。

3.1.4 試驗儀器及試驗用水

實驗儀器系采用直徑30cm之管涌儀水平放置，略加改裝而成。

試驗用水。據(jù)有關(guān)資料介紹用蒸餾水作沖刷試驗其破壞沖刷流速最小，但考慮到采用蒸餾水不符合實際情況，使用庫水也有許多不便，故使用了自來水。

3.1.5 沖刷流速分級及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

沖刷流速一般是0.5m/s開始，每級相差0.5m/s，但為節(jié)省實驗時間也可根據(jù)壩體情況加以調(diào)整。每級流速下是每小時測定一次，連續(xù)沖刷8h不發(fā)生破壞，就升至下級流速。

沖刷過程中流速變化不超過±1%，即認(rèn)為流速穩(wěn)定，否則應(yīng)該調(diào)整到規(guī)定之流速值。

3.1.6 庫水的化學(xué)分析和土的分散性試驗

經(jīng)室內(nèi)化學(xué)分析，判定屬鈣型水，比較穩(wěn)定。

按《土石壩工程》判定粉質(zhì)壤土屬分散性土。

3.1.7 沖刷破壞標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)過一些初步的試驗和分析，暫定為：

上（下）游測壓管水位在某級流速下產(chǎn)生較明顯之降落（或上升），并帶出比較多的土屑。

在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制比降與流速關(guān)系曲線發(fā)生的轉(zhuǎn)折點。

3.1.8 試驗條件

為安全和簡化起見，試驗時假定巖石裂隙進(jìn)出口部分均無防護(hù)，裂隙中沒有任何充填物質(zhì)，僅在土樣進(jìn)出口部分之鉛直石上覆有一層網(wǎng)眼尺寸為1.5mm×1.5mm尼龍絲網(wǎng)。

3.2 破壞形式和臨界流速計算

3.2.1 破壞形式

進(jìn)出口部分。進(jìn)出口部往往先發(fā)生沖蝕，而且范圍和深度均較中間部位為大，其原因可能是水流在進(jìn)出口處產(chǎn)生紊流所致。故在計算中不予考慮。

中間部分。一般都是全面沖蝕，略呈拱形，也有時局部極小地點不發(fā)生沖蝕或沖蝕甚淺，后者可能是制樣不均勻造成的。

當(dāng)巖石裂隙之深度＜5mm時，破壞往往是突然發(fā)生，這可能是由于裂隙太淺沖蝕下來的土屑較大不易沖走，待流速達(dá)到一定程度即突然破壞。

當(dāng)巖石裂隙的深度≥5mm時，破壞過程較長，即變化較慢，可能由于被水流沖蝕下來的土屑易沖走，不會造成局部堵塞的緣故。

3.2.2 臨界流速計算

把I-V曲線上發(fā)生轉(zhuǎn)折（即破壞）時之流速加上前一級流速被2除得的值，再除以（1+最小沖蝕截面積/巖石裂隙截面積），即得臨界沖刷流速。

3.3 試驗內(nèi)容結(jié)果

3.3.1 不同土類即粘粒含量不同對臨界沖刷流速的影響

試驗分別對中、重粉質(zhì)壤土和粘土在控制干容重為1.65g/cm3，巖石裂隙寬度為10mm，深度為5mm的情況下進(jìn)行了沖刷試驗，試驗成果見表2和圖1。

由圖1可知，粘土含量17%～30%時沖刷流速隨粘土含量增加急劇增大，粘粒含量超過50%沖刷流速漸趨于穩(wěn)定?？赡苡捎谕恋恼沉：坑傻偷礁邥r，土的凝聚力增長得快因之臨界沖刷流速也增長得快，但達(dá)到一定數(shù)量后土的凝聚力漸趨于一個定值，所以臨界沖刷流速也就趨于穩(wěn)定。

3.3.2 土的干容重對臨界沖刷流速之影響

試樣選用中粉質(zhì)壤土，巖石裂隙寬度為10mm，深度為5mm，干容重分別控制為 1.55g/cm3、1.60g/cm3、1.65g/cm3、1.70g/cm3飽和制樣，試驗成果見表3和圖2。

由圖2可知，臨界沖刷流速和干容重的關(guān)系十分密切，干容重越大，臨界沖刷流速也越大，大于干容重1.65g/cm3時，臨界沖刷流速出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，其原因可能是干容重越大土粒子排列得越緊密，因而提高了抵抗沖刷的性能。

3.3.3 巖石裂隙尺寸對臨界沖刷流速之影響

試樣仍為中粉質(zhì)壤土，干容重為1.65g/cm3，裂隙尺寸分為兩組：一組是寬度為10mm，深度分別為2mm、5mm、10mm、20mm，另一組是寬度為5mm，深度分別為5mm和10mm。試驗成果見表4和圖3。

由圖3可知，在巖石裂隙寬度固定的條件下，臨界沖刷流速隨深度的增大而增大，而在裂隙深度固定的條件下以臨界沖刷流速則隨寬度的減少而增大。這些現(xiàn)象可以從水流速度的分布上得到解釋，當(dāng)寬度固定時深度越小，土樣底石之流速越接近最大流速，所以臨界沖刷流速也越小，而當(dāng)深度固定時寬度大者土樣底石之流速則接近最大流速。

3.4 試驗結(jié)論

（1）接觸沖刷是復(fù)雜水力現(xiàn)象，現(xiàn)場試驗受地形、設(shè)備等因素影響，組織實施難度較大，精度也不高，目前更多依賴于通過實際工程現(xiàn)場取樣，在室內(nèi)根據(jù)水力條件相似進(jìn)行室內(nèi)研究，室內(nèi)研究基本符合現(xiàn)場實際情況，可以為工程設(shè)計提供理論基礎(chǔ).

（2）由試驗成果數(shù)據(jù)可知：土的粘性含量越多，干容重越大，巖石裂隙越窄越深，臨界沖刷流速就越大，反之就越小。

（3）建議采用干密度1.65g/cm3，縫寬10mm、縫深5mm之試驗成果作為水庫主壩壩基與防滲體防接觸沖刷流速設(shè)計依據(jù)，安全系數(shù)采用3，其允許不沖刷流速為：中粉質(zhì)壤土≤0.26m/s，重粉質(zhì)壤土≤0.78m/s，粘土≤1.0m/s。

4 研究成果對水庫加固工程意義

4.1 主壩巖基與土質(zhì)防滲體產(chǎn)生接觸沖刷破壞的可能性很小

根據(jù)上述研究結(jié)論，土質(zhì)防滲體的性質(zhì)、下游側(cè)有無反濾保護(hù)層均對接觸沖刷起著明顯影響作用，土的粘性含量、干容重越大，臨界沖刷流速就越大；下游側(cè)有反濾保護(hù)層、反濾保護(hù)層的填筑質(zhì)量越好，臨界沖刷流速就越大。

根據(jù)上述試驗成果數(shù)據(jù)，某水庫主壩壩基與防滲體臨界接觸沖刷流速建議為：中粉質(zhì)壤土≤0.26m/s，重粉質(zhì)壤土≤0.78m/s，粘土≤1.0m/s。在南京水利科學(xué)研究所利用放射性同位素對水庫主壩壩基實際滲透流速進(jìn)行監(jiān)測顯示，在庫水位103～104m時，高位勢區(qū)滲透流速在1×10-2～1×10-3cm/s左右，位勢不高的裂隙破碎帶滲透流速在1×10-1cm/s左右，均遠(yuǎn)小于允許沖刷流速，最大流速出現(xiàn)在基巖面以下30～40cm處，不在心墻與基巖的結(jié)合面位置。

由上可知，在水庫正常運行時壩基與防滲體產(chǎn)生接觸沖刷這一滲透破壞的可能性很小。

4.2 灌漿處理方案是可行的，但應(yīng)采取合理的施工工藝和方案

圖1 不同粘粒含量對臨界沖刷流速影響成果圖

圖2 土的干容重對臨界沖刷流速影響成果圖

圖3 巖石裂隙尺寸對臨界沖刷流速之影響成果圖

表2 臨界沖刷流速V成果表（單位：m/s）

表3 臨界沖刷流速V成果表（單位：m/s）

表4 臨界沖刷流速V成果表（單位：m/s）

在水庫前期主壩滲流問題研討時對滲流加固方案采不采取灌漿施工多有爭議，其中一個重要因素是擔(dān)心再次灌漿施工會對主壩壩體或與基巖結(jié)合面產(chǎn)生不利影響，影響大壩安全。但經(jīng)過多年來國內(nèi)諸多病險水庫的灌漿工程實踐，灌漿施工技術(shù)發(fā)展很快，灌漿技術(shù)和理念也不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，各種新工藝、新方法和新設(shè)備也得到不斷誕生，針對水庫復(fù)雜地質(zhì)狀況和水力條件，總能找到符合水庫實際情況的灌漿施工方案組合。

2007年12月，召開了鲇魚山水庫除險加固工程主壩壩基防滲灌漿處理方案專家論證會，與會國內(nèi)著名基礎(chǔ)處理專家一致認(rèn)為“主壩壩基處理采用灌漿方案是可行的，關(guān)鍵是合理確定灌漿工藝和施工方案，選用經(jīng)驗豐富的施工隊伍”。同時會議對帷幕灌漿應(yīng)注意的關(guān)鍵問題如：灌漿主要工序、鉆孔及鑲鑄鋼管、采用孔口封閉法、自上而下分段進(jìn)行循環(huán)式灌漿施工、灌漿段長控制、灌漿壓力控制提出建議，有力保證了灌漿施工的安全性。

5 結(jié)論

綜上所述，此次加固后灌漿后壩基位勢總體變化不大，部分壩基段位勢稍有下降。說明壩基灌漿處理一定效果，也初步顯示對水庫窄心墻進(jìn)行灌漿施工沒有對心墻造成劈裂破壞，沒有對基巖與心墻接觸面產(chǎn)生接觸沖刷破壞?？紤]到主壩壩基長度約1476m，主壩壩基各壩段均不同程度出現(xiàn)高位勢或位勢變化等問題，此次壩基處理只對主壩樁號0+420～0+850段進(jìn)行治理，其余高位勢區(qū)及位勢變化較明顯壩段未進(jìn)行加固，使得此次加固灌漿施工效果大打折扣?？傮w而言，壩基灌漿處理取得了一定效果，也為今后主壩加固及其他類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗■