王春磊 皇甫澤華

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司 鄭州 450000 河南省前坪水庫(kù)建設(shè)管理局 鄭州 450000）

1 概述

鲇魚山水庫(kù)主壩為粘土窄心墻砂殼壩，壩頂長(zhǎng)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(kù)大壩安全評(píng)價(jià)》中滲流安全評(píng)價(jià)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(shì)和位勢(shì)突變或升高的趨勢(shì)，說(shuō)明壩基已發(fā)生滲透變形?！备鶕?jù)除險(xiǎn)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(xiàng)目通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)施工相結(jié)合的方法，對(duì)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(kù)壩基帷幕灌漿防滲處理提供了試驗(yàn)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(duì)土質(zhì)防滲體的接觸沖刷

對(duì)于該種類型的接觸沖刷國(guó)內(nèi)外研究的相對(duì)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(yàn)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(yàn)結(jié)論如下：

巖基裂隙開度的影響程度。當(dāng)δ≥4mm時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(shí)在接觸帶不會(huì)產(chǎn)生接觸沖刷流速。

2.1.2 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院選用了兩個(gè)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(kù)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(duì)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(duì)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(shí)系數(shù)大，密度高，則抗接觸沖刷的水力比降大。對(duì)于高液限粘質(zhì)土，只要接觸沖刷帶土體的壓實(shí)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(shí)現(xiàn)接觸面法向壓力的模擬，對(duì)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(yàn)。試驗(yàn)考慮不同組合下發(fā)生接觸沖刷破壞對(duì)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(wú)反濾保護(hù)措施、接觸面光滑與粗糙等方面。試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)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(yàn)，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(wú)反濾保護(hù)也有很大關(guān)系，當(dāng)下游側(cè)無(wú)反濾保護(hù)時(shí)就容易發(fā)生接觸沖刷破壞，并且通過(guò)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣無(wú)反濾時(shí)，在其破壞過(guò)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(shí)，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(jì)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(yàn)研究

河南省水利科學(xué)研究院對(duì)水庫(kù)心墻與基巖接觸沖刷進(jìn)行了室內(nèi)研究，研究?jī)?nèi)容為對(duì)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(yàn)，為水庫(kù)主壩工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3.1 試驗(yàn)情況

3.1.1 試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

巖石裂隙尺寸對(duì)沖刷流速之影響：以干容重為1.65g/cm3的中粉質(zhì)土為對(duì)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(yàn)。

土料干容重對(duì)沖刷流速之影響：以中粉質(zhì)壤土為對(duì)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(shí)沖刷流速之大小。

土料中粘粒含量對(duì)沖刷流速之影響：試驗(yàn)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(guò)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(shí)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(lái)模擬。順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)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(yàn)儀器及試驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)儀器系采用直徑30cm之管涌?jī)x水平放置，略加改裝而成。

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

3.1.5 沖刷流速分級(jí)及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

沖刷流速一般是0.5m/s開始，每級(jí)相差0.5m/s，但為節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間也可根據(jù)壩體情況加以調(diào)整。每級(jí)流速下是每小時(shí)測(cè)定一次，連續(xù)沖刷8h不發(fā)生破壞，就升至下級(jí)流速。

沖刷過(guò)程中流速變化不超過(guò)±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(kù)水的化學(xué)分析和土的分散性試驗(yàn)

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(guò)一些初步的試驗(yàn)和分析，暫定為：

上（下）游測(cè)壓管水位在某級(jí)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(duì)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(diǎn)。

3.1.8 試驗(yàn)條件

為安全和簡(jiǎn)化起見，試驗(yàn)時(shí)假定巖石裂隙進(jìn)出口部分均無(wú)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(jì)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(jì)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(shí)局部極小地點(diǎn)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(shí)，破壞往往是突然發(fā)生，這可能是由于裂隙太淺沖蝕下來(lái)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(shí)，破壞過(guò)程較長(zhǎng)，即變化較慢，可能由于被水流沖蝕下來(lái)的土屑易沖走，不會(huì)造成局部堵塞的緣故。

3.2.2 臨界流速計(jì)算

把I-V曲線上發(fā)生轉(zhuǎn)折（即破壞）時(shí)之流速加上前一級(jí)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(yàn)內(nèi)容結(jié)果

3.3.1 不同土類即粘粒含量不同對(duì)臨界沖刷流速的影響

試驗(yàn)分別對(duì)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(yàn)，試驗(yàn)成果見表2和圖1。

由圖1可知，粘土含量17%～30%時(shí)沖刷流速隨粘土含量增加急劇增大，粘粒含量超過(guò)50%沖刷流速漸趨于穩(wěn)定?？赡苡捎谕恋恼沉：坑傻偷礁邥r(shí)，土的凝聚力增長(zhǎng)得快因之臨界沖刷流速也增長(zhǎng)得快，但達(dá)到一定數(shù)量后土的凝聚力漸趨于一個(gè)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(duì)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(yàn)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(shí)，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(duì)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(yàn)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(shí)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(shí)寬度大者土樣底石之流速則接近最大流速。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

（1）接觸沖刷是復(fù)雜水力現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)受地形、設(shè)備等因素影響，組織實(shí)施難度較大，精度也不高，目前更多依賴于通過(guò)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)實(shí)際情況，可以為工程設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

（2）由試驗(yàn)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(yàn)成果作為水庫(kù)主壩壩基與防滲體防接觸沖刷流速設(shè)計(jì)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(duì)水庫(kù)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(wú)反濾保護(hù)層均對(duì)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(yàn)成果數(shù)據(jù)，某水庫(kù)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(duì)水庫(kù)主壩壩基實(shí)際滲透流速進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯示，在庫(kù)水位103～104m時(shí)，高位勢(shì)區(qū)滲透流速在1×10-2～1×10-3cm/s左右，位勢(shì)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(kù)正常運(yùn)行時(shí)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(duì)臨界沖刷流速影響成果圖

圖2 土的干容重對(duì)臨界沖刷流速影響成果圖

圖3 巖石裂隙尺寸對(duì)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(kù)前期主壩滲流問題研討時(shí)對(duì)滲流加固方案采不采取灌漿施工多有爭(zhēng)議，其中一個(gè)重要因素是擔(dān)心再次灌漿施工會(huì)對(duì)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(guò)多年來(lái)國(guó)內(nèi)諸多病險(xiǎn)水庫(kù)的灌漿工程實(shí)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(duì)水庫(kù)復(fù)雜地質(zhì)狀況和水力條件，總能找到符合水庫(kù)實(shí)際情況的灌漿施工方案組合。

2007年12月，召開了鲇魚山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程主壩壩基防滲灌漿處理方案專家論證會(huì)，與會(huì)國(guó)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(yàn)豐富的施工隊(duì)伍”。同時(shí)會(huì)議對(duì)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(zhǎng)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(shì)總體變化不大，部分壩基段位勢(shì)稍有下降。說(shuō)明壩基灌漿處理一定效果，也初步顯示對(duì)水庫(kù)窄心墻進(jìn)行灌漿施工沒有對(duì)心墻造成劈裂破壞，沒有對(duì)基巖與心墻接觸面產(chǎn)生接觸沖刷破壞。考慮到主壩壩基長(zhǎng)度約1476m，主壩壩基各壩段均不同程度出現(xiàn)高位勢(shì)或位勢(shì)變化等問題，此次壩基處理只對(duì)主壩樁號(hào)0+420～0+850段進(jìn)行治理，其余高位勢(shì)區(qū)及位勢(shì)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(yàn)■