弱透水性岩石坝基防渗设计与施工工艺探讨.doc

弱透水性岩石坝基渗流控制施工工艺探讨弱透水性岩石坝基渗流防控施工工艺探讨申国涛 缪绪樟（黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院，河南 洛阳 471002）申国涛 缪绪樟黄河设计公司地质勘探院，洛阳471002摘要对弱透水性岩基的渗流影响、控制措施、防渗帷幕设计、钻孔灌浆工艺等进行了分析探讨。针对国内某前在弱透水性岩基渗流控制设计施工中的一些不足之处，提出了改进建议。关键词弱透水性岩基渗流破坏 坝基扬压力 排水 灌浆1前言受地质构造缺陷或开挖施工的影响，大坝岩石基础内部经常存在一些裂隙、孔隙或空洞。筑坝施工中若不加以处理，大坝建成蓄水后坝基通常会出现较严重渗漏问题，造成如下两方面的危害造成以下两方面的危害：一是减少水库的蓄水量，降低工程效益；二是产生渗流破坏，对大坝的安全运行造成影响。在水电工程施工中，通常采用以下两种方式对岩基渗漏问题进行控制。一是采用灌浆的方式建造防渗帷幕，增加渗透途径，消耗坝底的渗透水头；二是在防渗帷幕线下游侧钻设排水孔进行排水，将通过和绕过防渗帷幕的渗流安全地排走，释放剩余水头，以降低坝基扬压力。在实际的坝基防渗设计施工中，上述两种坝基渗漏控制方法通常是同时采用，业内通常称为“前堵后排”或“堵排结合”。采用帷幕灌浆的方式减少坝基渗漏量，在透水性较强的岩石坝基中是必须的，效果也非常明显。但对于地质条件本身就较好、透水率q值小于3Lu的弱透水岩石坝基，即使设计了大量的灌浆工作量，同时采用先进、可靠的灌浆工艺进行施工，结果只会使坝基防渗费用增加，延长施工工期，防渗效果却并不明显。让笔者感到奇怪的是，不知是水电行业一些设计人员对弱透性岩基渗流破坏原因不清楚，还是处于其它方面原因的考虑，国内目前在弱透水性岩石坝基渗流控制设计施工中，比较重视防渗帷幕堵漏所起的作用。几乎在所有的大坝基岩防渗处理中（不管坝基岩体完整与否），都布置了较大规模的帷幕灌浆任务，多数还采用高压灌浆的方式来进一步提高坝基防渗标准。在施工中多采用比较保守的孔口封闭灌浆法施工工艺。而不愿采用“以排为主”的方式，通过钻排水孔这种施工简单、造价低廉的方式，把坝基中多余的水排出去，来确保了坝基的安全。对弱透水性岩基渗流破坏形式进行初步分析，改进现行的弱透性岩基渗漏控制施工工艺，是本文的主要内容。2弱透水性岩基渗流破坏形式及控制措施2.1孔隙水压力与坝基场压力水在坝基岩石裂隙或土体孔隙中流动的现象称为渗流，坝基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗流破坏。大坝蓄水之后，库区内的水在高水头作用下向外渗透。在渗流场中，水对坝基岩土介质施加两种作用力。一是渗压力，在一定条件下，它能将粒状颗粒带走，造成淘刷；二是作用在孔隙界面上的静水压力，这种压力称为孔隙水压力。孔隙水压力对岩土骨架产生浮托效应，使所有位于潜水面以上的物体均减轻一个相当于该物体所排开的水体的重量。岩基中某点的孔隙水压力计算公式为：h式中： 孔隙水压力； 水的容重；h研究点以上充水的高度，如果水是承压的，则h为该点的测压水头。孔隙水压力的产生，将会引起坝基基质间有效应力减小。原因如下：在水充满孔隙的地方，由上覆坝基和建筑物所加予的总负荷，是由基质骨架和孔隙中的水二者共同承担的。由总负荷产生的总压力称为坝基总压力（S）；由基质骨架承受的压力称为有效应力（）；由液体水承受的应力称为孔隙水压力（）。三者之间的关系式为：S由上述公式可看出，在坝基总压力为一定的条件下，孔隙水压力增加，必将使有效应力减小。以由于孔隙水压力在各个方向上的作用强度都相等又由于孔隙水压力在各个方向上的作用强度都相等，因此它的增加，必将使应力场中三个有效应力都同时减小一个相等的数值。当孔隙水压力上升到与上覆总负荷引起的坝基总压力相等时，上覆岩层将处于一种漂浮状态，很容易开裂、游动和被抬升，最终对坝体和坝基岩体的稳定造成威胁。作用在坝基风岩石裂隙界面上的孔隙水压力，通常称作坝基扬压力。坝基扬压力是一个铅直向上的力，它减小了坝体作用在地基上的有效压力，降低了坝底的抗滑力。还可能引起坝基岩体潜蚀，导致坝基失稳。造成坝基扬压力升高的主要原因是水库渗水，地表上降雨，天然的或人为的水淹也是导致其升高的因素。在库水位猛涨、暴雨、水库周边大面积滑坡等外界因素作用下，还会使坝基产生异常水压力，造成坝基扬压力在短时间内突然增加。因此，严格控制坝基扬压力不使其过度升高，是大坝建设中一项最重要的任务。2.2弱透水性岩基的特点弱透水性岩基的主要特点如下：岩层透水率小，通常在3Lu以下；岩层通常致密、坚硬、岩层中的裂隙多为细小裂隙；岩基中的断层数量少，且属于小断层，岩基中无伴生的岩溶现象；岩性一般为受风化构造影响轻微的石英岩、花岗岩、片麻岩、闪长岩、凝灰岩、流纹岩等。2.3弱透水性坝基渗流破坏形式及控制措施我国著名的灌浆专家张景秀先生指出：异常高的孔隙水压力，一般是与低渗透性的岩石相伴生的。一些碎屑岩、页岩、粘土和蒸发岩，因其通常具有较高的孔隙度，含水较多，而透水性又通常较小、排水条件较差，因此有较多的机会产生异常水压力；一些具有细小裂隙、透水性弱的坚硬岩石，也较有可能出现孔隙水压力（坝基扬压力）。在弱透水性岩石坝基中，渗流破坏主要表现为：坝基扬压力升高后，引起坝基承载力降低乃至崩塌造成的破坏。因此，弱透水性坝基渗漏控制的最终目的是尽量降低坝基扬压力。弱透水性岩基本身的透水量就较小，采用灌浆的方式不能明显地降低坝基渗漏量；由此看来，在坝基防渗线下游侧钻设较多的排水孔进行排水，把坝基中多余的水以适当的方式排出去，预防高水位状况下，由于坝基渗漏致使坝基扬压力过高，最终产生渗流破坏，从根本上降低坝基扬压力，是控制弱透水性坝基渗流破坏的根本措施。3弱透水性坝基渗流控制设计思路及施工工艺在弱透性岩石基础上建坝，应本着确保大坝安全，节约投资和不影响工程总进度的总原则，进行坝基渗流控制设计及施工。由于弱透性岩基中采用帷幕灌浆方式的防渗效果并不显著，坝基渗流控制应以排水为主；只是在断层、挤压破碎带、泥化夹层等存在不良地质的部位进行少量帷幕灌浆。或者在大坝蓄水前只是先做好排水系统，而不做坝基帷幕灌浆，但要预留可供灌浆用的廊道。水库开始蓄水后进行观测，根据排水孔出水量的大小和坝基扬压力的高低，再决定是否需要灌浆。为确保上述总原则的实现，在弱透水性坝基渗流控制设计及施工中，应着重从以下几个方面加以考虑。3.1确立“以排为主”，“堵排结合”的设计思路在弱透水性岩基渗流控制中，确立“以排为主”,“堵排结合”的设计思路，是基于以下四个方面的原因。在弱透水性岩石坝基中，渗流破坏主要表现为：坝基扬压力升高后，引起坝基承载力降低乃至崩塌造成的破坏。降低坝基扬压力是避免弱透水性坝基渗流破坏的根本措施。坝基扬压力大小受坝基排水条件所控制。我国著名灌浆专家张景秀先生，我国著名的灌浆专家张景秀先生在其坝基防渗与灌浆技术一文中指出，通过在调查分析国内20余座混凝土坝的渗流控制措施和运行后的观测效果后得出如下结论：“除了极个别的坝或部位以外，坝基扬压力都很低；渗流量都很小；长时间保持基本稳定。进一步分析得出了坝基扬压力的大小，除受上下游水位涨落影响以外，最主要的是受排水条件所控制。降低扬压力的根本措施，在于钻设完善的排水系统，改善排水条件，减小渗透阻力，将水顺利排出”。帷幕灌浆不能降低坝基扬压力。坝因基上部岩层通常做有大面积的固结灌浆，岩层的不均一性和各向异性，弱透水性基岩的透水性本来就小，外加上岩层的不均匀性及各向异性表面被隔水物质所覆盖等诸多方面的原因，将会使使渗透进坝基岩层的过来的水在逸出以前受到阻拦而不断地积聚起来。只有其积聚到超过阻水的压力水头以后，这些水才能透过阻水层缓慢地流走。于是在阻水层中和其前面形成了较高的扬压力。这也是在弱透水性岩基中灌浆，既不能是坝基渗漏量有实际意义的减小既不能使坝基渗漏量明显减小（灌浆后检查孔与灌浆前先导孔压水试验得出的吕荣值相比，无明显减小），也不能有效地削减坝基场压力的根本原因。受地质构造缺陷及开挖施工的影响，在地质条件再好的岩石坝基防渗线上即使在地质条件很好的岩石坝基防渗线上，也可能存在一些裂隙、断层等透水性较大的部位。要防止这些部位产生较大的渗漏，还是需要必须采用取灌浆的方式对其堵漏。3.2对坝基地质条件进行详细的调查在弱透性岩基坝基防渗设计中，所需要的地质资料可能比大坝设计所需的地质资料还要多。首先对坝基潜在的地质缺陷（裂隙、断层及泥化夹层等地质缺陷）必须了解清楚，以确定和处理潜在的集中渗漏通道；其次必须摸清不透水层的埋藏深度其次必须确定出相对不透水层的埋藏深度，以选定适当的灌浆帷幕及排水孔的深度；为了解沿河道走向是否存在断层和破碎带，通常还需要布置横向探洞；除观察钻孔所取出的岩芯实物外，还经常借助孔内电视来判定缝隙是张开的还是有充填物。在高坝的陡倾角坝肩内应布置勘探平洞，既可为勘探钻孔提供通道，随后还可作为灌浆廊道。在大坝基础表面清理干净后和灌浆、排水施工前，需绘制防渗体范围内已暴露的岩石表面地质图需要绘制防渗线范围内已暴露岩石的表面地质图。该图和地形剖面图是绘制灌浆帷幕的地质剖面图的基本依据。施工时可根据灌浆帷幕的地质剖面图修正灌浆孔孔距、孔位、孔向和孔深。勘探孔或灌浆孔的压水试验数据也可用来修改补充地质剖面图，以帮助查清要进一步处理的地质缺陷。3.3设置完善的排水系统，加强对坝基渗流的长期观测与分析岩基的排水措施有以下4种：宽缝或空腔内的岩面自然排水；建筑物底部岩面上的排水沟网；在坝体廊道中钻设排水孔；在大坝两侧山体中开挖排水隧洞等。在弱透水性岩基渗流控制中，主要依靠坝基排水孔来降低坝基扬压力。要想使坝基扬压力安全可靠地降低，必须根据岩体的渗透性确定出最优的排水孔孔距；将排水孔的孔口高程充分地降低，最好不高于下游水位；排水孔的深度必须穿过隔水层，达到透水的裂隙或岩层。在弱透性岩基中进行灌浆堵漏与排水的最终目的，是将坝基渗透流量和渗水压力都控制在可以允许的范围内，并保持长期稳定。能否达到上述目标，需通过对坝基渗流的长期观测和分析才能知道结果。坝基渗流观测的主要项目有渗流量、坝基扬压力、沉陷位移、应力和应变等。渗流观测的主要目的表现在以下两个方面：在水库蓄水后，经常掌握坝基的渗流状况，便于及时发现问题，必要时采取限制水库蓄水位或工程补救措施。通过对坝基渗流状况的实际结果与设计预期目标进行比较，来检验设计假定和所采用的设计标准是否适当，以便为今后类似大坝实现既安全可靠又又经济合理的设计提供依据。3.4 设计方案尽量做到安全与经济合理二者之间统一在弱透水性岩基渗流控制中，大坝蓄水前只做好完善的排水系统。预先设置可供灌浆用的廊道，在坝基防渗线上有针对性地多布置一些勘探孔，把勘探孔和灌浆施工孔结合起来，只对帷幕线上发现或分析可能存在地质缺陷的部位进行灌浆，其它部位先不做灌浆。水库开始蓄水后进行观测，根据排水孔出水量的大小和坝基扬压力的高低，再决定是否需要灌浆。在布置灌浆孔或排水孔时，对于高倾角节理、裂隙发育的地段，要严格控制钻孔的入岩角度，力求其垂直岩层节理面，增大防渗或排水效果。在灌浆施工中，强调先导孔的主导作用，灌浆施工参数以先导孔取芯描述和压水成果来决定。3.5现有的灌浆工艺存在的问题及改进建议国内在坝基灌浆施工中通常采用孔口封闭法灌浆施工国内在弱透水性坝基灌浆施工中绝大多数采用孔口封闭法灌浆法,设计压力一般在26MPa；防渗标准是检查孔透水率小于1Lu；灌浆孔的孔距一般为2.0m；为确保灌浆质量，通常在坝基设置二排以上的灌浆孔；钻孔方式为金刚石回转钻进。跟国外西方类似工程常用的灌浆工艺相比，我国的灌浆工程量较大，防渗标准较高，直接导致灌浆成本增加，防渗效果却并不明显。比如在笔者参与施工的西南某大型水电站弱透水性坝基防渗施工中，坝基廊道21个坝段帷幕灌浆采用孔口封闭灌浆法施工，灌浆后的统计数据如下：在总共678个孔，52293.45m的灌浆作业中，灌浆孔平均单位注灰量仅为1.27 kg/m，工程施工中消耗水泥总量为2133371.61kg，而实际注入岩体裂隙中的水泥量只有66601.57kg，仅为所用水泥总量的3.12%。在弱透性岩基中灌浆中，改进现有灌浆工艺，可在保证工程质量的前提下，降低施工成本和加快施工进度。具体改进措施如下：钻孔方式采用回转冲击回转式，全部一钻到底、使用灌浆栓塞进行；灌浆方法采用栓塞法进行自下而上分段纯压式灌注；采用稳定性浓浆、中低压（一般不超过3MPa）进行灌注，可有效防止因产生水力劈裂造成的浆液浪费及重复灌浆；对于灌浆前简易压水试验值较小的孔段，灌浆时可考虑将灌浆适当段长适当放大到10m左右。3.6技术规程应有灵活性尽管在勘测设计阶段进行了大量的地质调查，获取了足够多的地质资料，在实际施工中肯定还会出现一些新的地质情况，有时需要对原先的施工方案进行相应的调整，施工技术规程应具有相应的灵活性以便于修改和调整。对于在技术规程调整期间给施工方造成的损失，业主应给予合理的费用补偿，只有这样，才能保证工程的