(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司, 湖北 武漢 430010)

土石壩壩基透水率較大時，須對壩基進行水泥灌漿處理[1]。灌漿一般在心墻基座或趾板上實施[2]，灌漿蓋重小，壓力提升困難，灌漿過程易出現(xiàn)抬動、漏漿等問題，造成灌漿升壓困難，對灌漿設計參數(shù)、施工工藝等要求較高。國內(nèi)高土石壩灌漿一般采用錨固、限壓限流等措施控制抬動、提升壓力[3-4]。土石壩灌漿時如設計參數(shù)或施工工藝控制不當，可能影響灌漿質(zhì)量，蓄水后產(chǎn)生滲漏問題，后期處理難度非常大，甚至影響水庫效益和工程安全。國內(nèi)部分土石壩蓄水后產(chǎn)生滲漏問題，補救措施一般是蓄水條件下水下補充帷幕灌漿，施工難度極大[5-6]。

1 工程概況

卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省境內(nèi)，該電站是吉拉姆河流域規(guī)劃5個梯級電站的第4級，壩址處控制流域面積267 00 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均徑流量258.3億m3。工程為單一發(fā)電任務的水電樞紐，水庫正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，電站裝機容量720 MW(4×180 MW)[7]。

卡洛特水電站擋水建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程469.50 m，壩頂軸線長460.0 m，壩頂寬度12.0 m，最大壩高95.5 m。瀝青混凝土心墻底部設置混凝土基座與基巖連接，基座為梯形斷面，底寬4.0 m、高2.0 m。大壩典型剖面見圖1。

卡洛特水電站大壩基巖緩傾、軟弱，爆破卸荷松弛較為嚴重，且心墻基座兩側(cè)巖體風化程度高，灌漿難度極大。研究合適的灌漿工藝參數(shù)，針對性地處理施工中的異常情況，有效提升灌漿壓力，對保證灌漿質(zhì)量和工程安全具有重要意義，也對土石壩壩基灌漿處理具有較好的參考意義。

2 工程地質(zhì)條件

(1) 地形地貌。工程區(qū)屬中低山地貌；大壩左岸原始地形坡度25°～50°；右岸原始地形坡度12°～40°；河床部位原始地形坡度約18°～29°，局部平緩。

(2) 地層巖性。壩基為新生界陸源碎屑沉積巖，巖性主要為中砂巖、細砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等，呈不等厚互層狀，軟硬相間分布。砂巖主要呈厚層狀，粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層主要呈簿層狀-中厚層狀，巖石屬軟巖-較軟巖。大壩建基巖體見圖2所示。

(3) 地質(zhì)構造。壩基巖體裂隙總體以陡傾角為主，中傾角次之。裂隙長度一般為1.5～5.0 m，少量5～10 m，個別可達20 m；裂隙寬度一般小于1 mm。裂隙主要為無充填或充填巖屑，少量為鈣質(zhì)、泥質(zhì)或鐵質(zhì)浸染。

(4) 水文地質(zhì)。壩基微新巖體一般微弱透水。巖體透水性受巖體風化程度影響較大，弱風化巖體一般具弱透水性，局部達中等透水性。此外，由于卸荷影響，岸坡部位局部發(fā)育長大陡傾裂隙，壓水試驗過程中存在不起壓現(xiàn)象。

圖1 卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩典型剖面(單位：cm)Fig.1 Typical section of asphalt concrete core rockfill dam of Karot hydropower station

圖2 大壩建基巖體(右岸)Fig.2 Rock mass of dam foundation (right bank)

3 基巖固結灌漿及防滲帷幕設計

3.1 基巖固結灌漿設計

為加固處理爆破、卸荷裂隙及構造裂隙等，提高基巖的整體性，并增加淺層基巖的防滲能力，同時有利于帷幕灌漿升壓施工，對大壩基座基巖進行固結灌漿處理。

沿心墻混凝土基座軸線布置雙排固結灌漿孔，孔排距2.5 m×2.5 m，梅花形布置，孔向垂直建基面。其中，上游排固結灌漿孔兼輔助帷幕灌漿孔，入巖深度為10 m，下游排固結灌漿孔入巖深度為6 m。

固結灌漿質(zhì)量采用灌后壓水檢查及灌前、灌后物探測試等進行綜合評定。壓水檢查合格標準為灌后基巖透水率q≤5 Lu。

3.2 防滲帷幕設計

(1) 防滲帷幕線路平面布置。大壩防滲帷幕沿瀝青混凝土心墻下混凝土墊座軸線向兩岸展布，左岸帷幕出壩端后向山體內(nèi)直線延伸60 m；右岸帷幕出壩端后向上游轉(zhuǎn)折并延伸135 m高程，接至正常蓄水位與地下水位線相交處。大壩防滲帷幕線路全長約700 m。

(2) 防滲標準和帷幕底線。大壩高程445 m以下帷幕防滲標準為灌后基巖透水率q≤3 Lu，高程445以上大壩帷幕及兩岸山體段帷幕防滲標準為q≤5 Lu。

大壩河床壩段帷幕底線高程為335 m，然后向左岸逐漸抬升至高程445 m，向右岸逐漸抬升至高程418 m，隨后沿高程418 m向右水平延伸包絡局部透水率大的透鏡體后再逐漸抬升至高程445 m。大壩防滲帷幕面積約2.5萬m2。

(3) 帷幕灌漿孔布置。大壩高程445 m以下布置雙排帷幕灌漿孔，孔距2.5 m，排距1.0 m，其中上游淺排帷幕灌漿孔深為25 m；而高程445 m以上及兩岸山體段防滲帷幕布置單排帷幕灌漿孔，孔距2 m。

4 灌漿工程的特點與難點

(1) 巖體軟弱緩傾。大壩基巖巖性軟弱，巖層緩傾(一般傾角7°～10°)?；鶐r灌漿時，容易造成順層面的巖體劈裂或?qū)用媾c陡傾裂隙的組合劈裂，不僅使得漿液擴散過遠，而且極易造成沿層理面或混凝土與基巖接觸部位的抬動變形。

(2) 爆破卸荷嚴重。淺層巖體爆破卸荷較嚴重，張裂隙發(fā)育(如37號壩段上游側(cè)寬大裂隙最大開度達8 cm)。受爆破卸荷影響，淺層巖體滲透性顯著加大，多個孔段壓水不起壓，不僅導致灌漿注入量大，且導致外漏、難以升壓和抬動變形問題進一步突出。

(3) 蓋重條件差。大壩基巖固結灌漿和帷幕灌漿均在混凝土基座上實施，基座厚度僅2 m。薄蓋重條件下升壓灌注困難，抬動問題突出。

(4) 基座兩側(cè)巖性差?；糜谌躏L化巖體上，兩側(cè)巖體風化程度高，灌漿過程中串漏漿十分嚴重，且堵漏十分困難，這也是直接導致灌漿難以升壓的主要因素。

(5) 灌漿工期緊、質(zhì)量要求高。大壩心墻澆筑及壩體填筑需在相應部位灌漿工程施工完成且檢查合格后再進行，而灌漿工程位于大壩工程直線工期上。壩址區(qū)汛期常遇強降雨，基坑淹沒頻發(fā)，對工期影響極大。此外，大壩后期不具備補灌條件，灌漿工程質(zhì)量十分重要。

因此，在大壩灌漿工程實施過程中，確定薄蓋重、強風化、緩傾軟巖條件下合適的灌漿壓力及升壓措施、灌漿工藝及參數(shù)等，是壩基灌漿處理的關鍵技術難題。

5 調(diào)整后的固結灌漿與帷幕灌漿工藝參數(shù)

2019年5月前，承包方現(xiàn)場開展了固結灌漿試驗和帷幕灌漿試驗，試驗過程中抬動頻率達80%以上，且外漏嚴重，灌漿壓力普遍難以提升，灌后壓水檢查多段不合格，其中淺層不合格比例相對更高。

2019年5月，現(xiàn)場成立了大壩灌漿專項工作組，設計單位派出專人全程跟蹤大壩高程386 m以下固結灌漿和帷幕灌漿試驗及施工。

在總結前期灌漿試驗經(jīng)驗和不足的基礎上，參建各方共同努力，初步探索出復雜工程地質(zhì)條件下大壩灌漿的解決方案，并對灌漿工藝參數(shù)、質(zhì)量控制措施進行了一系列調(diào)整和改進。

5.1 基巖固結灌漿工藝參數(shù)

5.1.1灌漿方法

固結灌漿利用心墻基座混凝土作為蓋重進行灌漿，分2序施工，按照“自上而下分段，孔內(nèi)循環(huán)法”灌注。

5.1.2漿液及水灰比

固結灌漿采用強度等級不低于42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥。漿液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1(重量比)4個比級。開灌水灰比一般為2∶1，當注入率不小于30 L/min或壓力不變、流量持續(xù)遞增，出現(xiàn)抬動現(xiàn)象時，可直接改為1∶1。

5.1.3充填灌漿孔

為充填基巖表層寬大裂隙，利于固結灌漿正常升壓灌注，并將表層基巖與基座混凝土連成整體，防止灌漿抬動破壞基座混凝土，在固結灌漿前增設充填灌漿孔。

每個壩段(一般長8 m)布置不少于2個充填灌漿孔，孔位交錯布置在心墻軸線兩側(cè)，孔深為入巖0.5 m。充填灌漿孔如果1孔或2孔注灰量大于100 kg，則另行增加1～2孔。

充填灌漿孔按固結灌漿技術要求進行灌漿，開灌水灰比為1∶1。如無異常，以固結灌漿Ⅰ序孔目標壓力灌漿；如發(fā)生抬動，應及時降壓，并以抬動值不超過50 μm對應的灌漿壓力正常灌注直至結束。

充填灌漿孔單孔最大注灰量一般按500 kg控制，巖體寬大裂隙發(fā)育部位視情況可放松至800 kg控制，大注入量時每灌入約150 kg應間歇一次。

5.1.4外漏封堵

為保證灌漿工程順利實施，防止因外漏而影響升壓灌注和灌漿質(zhì)量，需加強外漏封堵的控制。外漏封堵采取系統(tǒng)封堵與隨機封堵相結合的方式進行。

基座上下游側(cè)裸露基巖適當清理后系統(tǒng)噴混凝土封閉，而對于個別寬大裂隙(如37號壩段上下游側(cè)寬大裂隙)，采取裂隙封閉后灌漿處理。

壓水、灌漿過程中，對壩塊分縫或兩側(cè)巖體外漏部位應及時采取棉紗、鋼釬、速凝砂漿、圍壓等措施進行處理。

外漏封堵困難時，如果外漏量明顯小于注入量，按正常灌漿程序灌注；若外漏量與注入量相當，且均較大，則采取變漿、間歇等方法使外漏得到控制后，再正常灌注至結束。

5.1.5灌漿段長及灌漿壓力

常規(guī)固結灌漿孔基巖段長為6 m，采用全孔一段灌漿；固結兼輔助帷幕灌漿孔基巖段長劃分為：第1段3 m，第2段7 m。固結灌漿目標壓力見表1。

表1 固結灌漿目標壓力Tab.1 Target pressure of consolidation grouting MPa

灌漿壓力應與注入率相適應，按表2的標準控制，防止升壓過快或過慢。

5.1.6抬動變形控制

在深部抬動觀測孔(入巖20 m)的基礎上，增設壩段分縫處的抬動觀測孔，同時監(jiān)測基巖抬動與混凝土抬動。

表2 注入率與灌漿壓力控制關系Tab.2 Relation between grouting injection and pressure

注：P為設計灌漿壓力。

灌漿、壓水過程中應全程進行抬動觀測[8]，滿足“一人一表、全程值守、反饋及時、記錄準確”的要求。最大抬動允許變形按200 μm控制。

常規(guī)固結灌漿孔(含補充固結灌漿孔)完成封孔時，孔內(nèi)應加設錨固鋼筋，錨筋長度與孔深一致，錨筋下設時應安設對中裝置。

5.1.7特殊孔段處理

無特殊情況時，達到目標壓力且注入率不大于1 L/min后，繼續(xù)灌注30 min，灌漿即可結束。

灌漿過程中發(fā)生抬動時，應及時降壓，且后期不再升壓，以抬動對應的灌漿壓力正常灌注至結束，并在相鄰80cm處重新開孔進行灌漿。

大注入量或外漏的部位(且外漏點封堵困難)，仍按注入率與壓力關系表進行灌注，結合變漿、間歇等措施進行處理，如處理無效，平均注灰量一般達到500 kg/m后待凝，并在相鄰80 cm處重新開孔進行灌漿。補充固結灌漿孔開灌時間與原固結灌漿孔灌漿結束時間一般不小于8 h。同一固結灌漿孔的補充灌漿孔不超過2個。輔助帷幕灌漿孔新開孔采取自下而上分段灌漿。

5.1.8設備維護

一般當大壩固結灌漿壓力小于0.3 MPa時，會存在多段抬動的情況，瞬時壓力過大將使灌漿抬動問題更為突出。因此，大壩基巖灌漿對灌漿設備和灌漿過程的穩(wěn)壓要求很高。灌漿實施過程中，應定期對灌漿設備和管路進行維護，精心操作，防止設備管路堵塞、瞬時壓力過大等情況發(fā)生。

5.2 帷幕灌漿工藝參數(shù)

5.2.1灌漿方法

帷幕灌漿采用“孔口封閉灌漿法”灌注。對于河床高程386 m以下部位，灌漿試驗和施工過程中曾探索過孔內(nèi)阻塞、自上而下分段灌漿法，但由于巖體軟弱，且局部中、陡傾角裂隙發(fā)育，出現(xiàn)繞塞和阻塞器難以取出的現(xiàn)象，其后仍主要采用“孔口封閉灌漿法”。

5.2.2漿液及水灰比

帷幕灌漿水泥采用強度等級不低于42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥。水泥漿液水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1(重量比)5個比級，開灌水灰比一般為3∶1，下游排帷幕先導孔、Ⅰ序孔開灌水灰比為2∶1。

5.2.3基巖段長劃分及孔口管入巖深度

為防止淺層巖體抗壓能力太低而影響深部灌漿質(zhì)量，將孔口管深度由傳統(tǒng)的入巖2 m調(diào)整為垂直坡面入巖6 m。

帷幕灌漿基巖段長劃分為：第1段3 m(垂直坡面深度)，第2段3 m(垂直坡面深度)，第3段及以下各段長5 m，孔底段不得大于7 m。

5.2.4灌漿壓力

孔口封閉需全孔承受灌漿壓力，壓力過高容易造成淺層巖體裂隙甚至是已灌裂隙劈裂，而淺層巖體雖經(jīng)多排多序灌注，但承壓能力仍然有限。因此，帷幕灌漿目標壓力不宜過高，調(diào)整后的灌漿壓力見表3。注入率與灌漿壓力控制參見表2。

表3 大壩雙排帷幕區(qū)目標灌漿壓力Tab.3 Target grouting pressure for double rows grouting holes of the dam MPa

5.2.5灌前壓水

帷幕灌漿孔灌前進行簡易壓水。為防止軟巖或裂隙壓水過程中發(fā)生水力劈裂，壓水壓力一般按該段灌漿壓力的60%且不大于0.7 MPa控制。如發(fā)生抬動，則以不超過抬動變形允許值對應的壓力進行壓水。

灌前壓水應先預壓水，發(fā)現(xiàn)外漏應立刻停止壓水，對外漏點進行封堵并且封堵成功后，方可繼續(xù)壓水和灌漿。

5.2.6特殊孔段處理

灌漿過程中的外漏封堵參照固結灌漿。帷幕灌漿過程中，如某孔段因抬動或巖體劈裂導致灌漿壓力不能達到目標壓力時，適當降壓至不再抬動，直至灌注結束。灌漿完成后視情況采取待凝+復灌的措施進行處理。灌漿過程中遇寬大裂隙，注入量較大時，一般不限量灌注，直至灌漿結束。

6 灌漿效果初步分析

目前，大壩高程386 m以下固結灌漿和帷幕灌漿正在施工，初步成果分析顯示，采取的一系列改進措是行之有效的，調(diào)整后的灌漿工藝參數(shù)符合實際，效果明顯。

6.1 固結灌漿效果分析

(1) 灌漿過程分析。固結灌漿過程中，抬動和外漏仍較為突出，多段出現(xiàn)灌前壓水不起壓的現(xiàn)象。

(2) 抬動變形分析。由于固結灌漿前進行了充填灌漿，基座混凝土與表層基巖整體性提高，灌漿過程中雖抬動仍較多，但主要是巖體整體抬動，基座分縫處抬動變形較少，結構混凝土未發(fā)生因抬動導致開裂的情況。

(3) 灌漿壓力分析。固結灌漿采取加強外漏封堵、嚴控升壓過程、加強抬動控制、重新開孔補灌等系列措施后，保證實際受灌過程盡可能避免了低壓充填式的灌注，且淺層灌漿壓力逐排逐序提高，最終可達到目標壓力。

(4) 質(zhì)量檢查。大壩高程386 m以下固結灌漿基本完成，除個別壩段外均一次滿足合格標準，不合格部位經(jīng)過適當加密補灌后也滿足合格標準。

6.2 帷幕灌漿效果分析

大壩高程386 m以下34～36號壩段14個灌漿孔(灌漿進尺563m)已完成雙排帷幕區(qū)施工及檢查，其余部位正在施工。

(1) 灌漿成果分析。34～36號壩段下游排先導孔及Ⅰ序孔灌前平均透水率為3.67 Lu。淺層巖體滲透性較固結灌漿前顯著改善，無不起壓現(xiàn)象；深部巖體滲透性普遍較低。

帷幕灌漿平均注入量為93.24 kg/m，其中下游排和上游排單位注入量分別為98.03 kg/m和77.06 kg/m。注入量小于10 kg/m和大于100 kg/m的孔段分別占68.5%，16.2%，兩極分化現(xiàn)象較為明顯。部分孔段出現(xiàn)透水率小、注入量較大的情況，分析認為，部分裂隙在灌漿壓力下出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。下游排帷幕少數(shù)孔段受抬動影響，不能達到設計壓力，上游排帷幕各段壓力均能達到設計壓力。

其余部位透水率較34～36號壩段相當或偏大，灌漿規(guī)律基本一樣。局部區(qū)域(43～45號壩段下游排)受抬動影響，較多孔段灌漿壓力難以達到設計壓力。

(2) 抬動變形分析。淺層巖體承壓能力差，第1、2段巖體灌漿完成后，采取深孔口管將其隔開，再進行深部巖體灌漿，以防止孔口封閉灌漿破壞、抬動淺層巖體，該措施取得了顯著的防抬效果。34～36號壩段下游排帷幕少數(shù)孔段發(fā)生抬動，上游排帷幕基本無抬動發(fā)生。43～45號壩段下游排約40%孔段發(fā)生抬動，淺層和深部巖體灌漿均有抬動發(fā)生，且某段出現(xiàn)抬動后，下部多段連續(xù)出現(xiàn)抬動；上游排灌漿抬動頻率降至10%左右，效果總體較好。

根據(jù)43～45號壩段灌漿情況，適當降低了其余部位灌漿壓力(見表3)。帷幕灌漿壓力調(diào)整后，抬動頻率一般在10%以內(nèi)，且主要位于淺層巖體灌漿過程中。

(3) 質(zhì)量檢查。大壩高程386 m以下目前已實施灌后檢查的孔有4個，僅1段壓水超標，灌漿效果良好。

7 結 語

(1) 卡洛特水電站大壩基巖緩傾、軟弱，爆破卸荷松弛較為嚴重，且基座厚度小，兩側(cè)巖體風化程度高。諸多灌漿不利因素造成外漏和抬動現(xiàn)象十分突出，灌漿難度極大。

(2) 固結灌漿采取增設充填灌漿、加強外漏封堵、嚴控升壓過程、加強抬動控制、重新開孔補灌等措施后，不僅有效保證了灌漿抬動不對基座造成破壞，而且灌漿壓力逐排逐序提高，淺層巖體質(zhì)量得到明顯改善，為帷幕灌漿提供了良好基礎。

(3) 帷幕灌漿采取調(diào)整目標壓力、分排分序逐級升壓、加強外漏封堵、加大孔口管長度等措施后，帷幕灌漿質(zhì)量良好。

(4) 大壩基巖灌漿受巖性、地形、基座兩側(cè)巖體條件等影響，不同部位受灌特性可能有所差別，應進一步密切關注不同部位的灌漿情況，視需要對灌漿工藝參數(shù)進行微調(diào)。

(5) 該工程采取的灌漿工藝參數(shù)、質(zhì)量控制措施有效提升了緩傾、軟巖、薄蓋重、兩側(cè)巖體差部位基巖灌漿壓力，改善了灌漿質(zhì)量，可為同類土石壩基礎處理工程提供有益參考。