第十三章 混凝土面板堆石坝趾板基岩灌浆第一节 概述混凝土面板堆石坝的挡水防渗体系包括：面板、趾板、趾板下基岩的固结灌浆和帷幕灌浆、周围边缝和板间缝中的止水结构以及坝顶防浪墙。面板是大坝防渗主体结构。周边缝和板间缝是防渗体系中保证防渗连续性的结构。趾板则是布置在防渗面板的周边，座落在河床及两岸基岩上的混凝土结构。趾板与面板共同作用，形成坝基以上的防渗体。通过趾板对板下基岩进行固结灌浆和帷幕灌浆，封闭趾板以下基岩的渗流通道，从而形成一个完整的防渗体系。因此，趾板是一个承上启下的防渗结构，其主要作用是：作为趾板板下基岩灌浆的盖板；保证面板与坝基基岩间的不透水连接；当采用滑动模板施工时，趾板又可作为滑动模板施工的开始工作面。一、趾板的体型趾板的横截面见图13-1.图中“X”点为面板底面线与趾板底面的交点。各截面的“X”点的连线称为趾板的基准线，它在空间上呈一系列的折线段连接，析线转角应根据地形、地质条件确定，以最大限度地保证每段趾板均布置在地质条件较好，开挖量最小，混凝土方量最省，施工方便的岸坡上，一般讲，趾板最终定线应是在施工过程中完成的。二、趾板几何图形设计1趾板应建在稳定的良质基岩上，宜避开断层、破碎带、缓倾角裂隙等不良地质条件部位，以防止趾板产生较大的变形或滑动失稳。2趾板宽度S与基岩性质和所承受的水头H有关，趾板宽度除应满足允许水力坡降的要求外，尚需考虑灌浆的需要。对于新鲜、微风化基岩H/S=2025；对于弱风化基岩H/S=1020；对于强风化基岩H/S=510；对于全风化、破碎、软弱基岩H/S=35。高坝趾板宜按水头大小分高程采用不同宽度。趾板最小宽度一般取3m，若坝高低于40m，且座落在良好基岩上，其宽度取值还可小一些。3趾板厚度h应满足趾板自身稳定和起到灌浆盖板作用，同时还应考虑温度应力和施工要求。最小厚度应不小于0.3。面板坝比较高时，趾板厚度宜稍大些。作用水头超过100m的部位，趾板厚度通常不小于0.6m。4趾板头部斜长段，即图13-1中QT，该段与防渗面板在同一平面上，其长度一般不小于0.6m。5趾板下游端面应垂直面板，即图13-1（a）中TELQT，同时要求在最大坝高处趾板下游端的最小堆石厚度n应不小0.81.0m，对于两岸高程较高部位的趾板，n值可以减小。有时为了方便趾板立模施工并节省部分混凝土，趾板横截面也可设计成如图13-1（b）的样式，此时则要求TF2TM（TM为周边缝处面板厚度）。三、趾板的配筋、接缝和插筋1趾板大多采用单层双向配筋，即配温度筋，布置在趾板上部，净保护层厚度1015cm，每向配筋率为0.2%0.3%，用钢筋架立。软基上趾板的配筋宜布置在趾板的中央，各向配筋率为0.3%0.4%。2施工缝间距可取1015m，一般由施工单位根据具体情况自行确定，缝中设止水片。3为了增强趾板混凝土与基岩间的连接，并防止和减少灌浆时浆液沿接触面缝隙流入过多，对趾板产生大的上抬力，导致趾板板面抬动，甚至产生裂缝，所以趾板应用砂浆锚杆与基岩连接在一起。插筋锚杆直径一般为25mm30mm，间距1.2m1.5m，长3m5m，方格形布置，顶部用90弯钩与趾板面层配筋连接。第二节 趾板基岩灌浆混凝土面板堆石坝固结灌浆和帷幕灌浆在水库蓄水较长时间运行后，若帷幕防渗效能衰减或是出现一些问题，由于没有补灌施工部位，很难处理。为此，在进行基岩灌浆设计时应尽量考虑周全。近期，安徽省琅琊山抽水蓄能电站上库为混凝土面板堆石坝，他们在趾板上建一廊道，笔者认为这是一个比较好的技术设计方案，供为参考。一、趾板基岩灌浆布孔型式通过灌浆试验和施工实践，总结出布孔型式有下列两种：1“中间帷幕加上，下游固结灌浆”形式 就是在帷幕的上、下游各布置12排固结灌浆孔。首先确定帷幕的位置，而后根据工程需要和趾板的宽度，在帷幕的上游和下游分别布置2排和2排，2排和1排，或1排和1排的固结灌浆孔，相对来讲，帷幕的上游排孔深较大见图13-2（a）(b)(c)。图13-2中，A、B、C、D为固结灌浆孔，X1、X2、X3、X4为固结灌浆孔排距，其大小根据趾板宽度和工程需要布置；W、W1为帷幕灌浆孔，Y1为帷幕灌浆孔排距，一般为0.71.2m,若帷幕灌浆为单排孔，则Y1=0。固结灌浆孔和帷幕灌浆孔孔深根据大坝高度、地质条件和工程需要确定，可参看第三节各工程实例。一般讲，帷幕深度宜深入相对不透水层以下3m5m，也可根据地质条件，按坝高的1/31/2选定。2“全面积固结灌浆加帷幕”型式 就是先在趾板上全面积进行固结灌浆，而后在适当位置布置帷幕灌浆孔，见图13-3,其主要优点是可以提高趾板混凝土与基岩间接触面以及基岩表层段的灌浆压力。适用于高的混凝土面板堆石坝趾板基岩灌浆，水布垭大坝就是采用了这种布孔型式。二、帷幕灌浆和固结灌浆质量标准A、B、C、D、E为固结灌浆孔，可采取均匀布孔型式，W1、W2为帷幕灌浆孔。帷幕灌浆防渗标准，在混凝土面板堆石坝设计规范SL228-98中没有明确规定。碾压式土石坝设计规范SL274-2001中规定：1级、2级坝及高坝透水率q宜为35Lu,3级及其以下的坝透水率宜为 510Lu。蓄水和抽水蓄能水库的水库可取低值。实践经验认为坝高100m200m时，帷幕灌浆防渗标准可定为3Lu，200m以上的高坝宜根据工程需要和地质条件确定。固结灌浆质量标准原则上应以震波速度和弹性模量为主，一般多进行单孔声波测试和孔内弹模测试，见前第 章第 节中所述。但为方便工作计，一般也多以透水率q作为质量标准，100m200m高度的大坝多定为q3Lu。三、灌浆压力和灌浆方法1趾板混凝土与基岩接触段灌浆压力从工程需要考虑，接触段宜使用较高的灌浆压力，有条件时，接触段灌浆压力宜等于坝前水头压力。但由于趾板厚度有限，难于实现。为此，对于高坝接触段灌浆压力有两个方案：（1）采用较低的灌浆压力 0.2MPa0.4MPa；（2）采用较高的灌浆压力 1MPa左右。2接触段采用较高的灌浆压力的主要技术措施（1）基岩灌浆布孔采用“固结灌浆加帷幕”型式；（2）必要时采用低压、密孔、浅孔加强趾板全面积固结灌浆；（3）加强趾板混凝土与基岩间的连接，采用直径较大的锚杆，并增加锚杆数量。（4）进行接触段固结灌浆时严格控制注入率，宜小于15 l/m，并使用较稠的水泥浆液（W/C1）。3趾板基岩灌浆最大灌浆压力帷幕灌浆可采用2倍坝前水头压力，100m150m高度的坝，帷幕灌浆最大压力不宜超过3MPa；150m200m高度的坝，不宜超过4MPa。深度小于8m的固结灌浆，分为两段，采用分段卡塞灌浆方法时，其灌浆压力可分别为0.20.4MPa和0.40.6MPa。4灌浆方法帷幕灌浆采用孔口封闭灌浆方法比较有利，主要优点之一是表层孔段可以多次进行复灌，承受的灌浆压力逐次增大，最后承受住最大灌浆压力。应注意的是每段升压不宜过大。固结灌浆宜采用分段卡塞灌浆法。第三节 工程实例本节主要讲述了在建和已建成的高度大于100m的混凝土面板堆石坝趾板基岩灌浆工程的实例，主要是介绍它们趾板基岩灌浆孔的布置、固结灌浆和帷幕灌浆的质量标准、灌浆孔深和采用的最大灌浆压力等，供为参考。六个大坝趾板基岩灌浆主要参数见表13.3-1。表13-1 六个大坝趾板基岩灌浆主要参数坝 名坝 高（m）固 结 灌 浆帷 幕 灌 浆最大孔深（m）最大灌浆压力（Mpa）质量标准透水率q最大孔深（m）最大灌浆压力（MPa）质量标准透水率q1水布垭233717（兼辅帷）0.40.50.81.03Lu接触段901001.01.541Lu2洪家渡179.5151.53Lu10041Lu3天生桥一级178.0150.83Lu83.52.53Lu4珊溪132.5100.53Lu402.53Lu5乌鲁瓦提131.8120.65Lu682.03Lu6鱼跳106.060.23Lu693.03Lu一、水布垭水电站（截止2003年12月正在施工）水布垭水电站位于清江中游河段，湖北省恩施州巴东县境内，是清江干流三级开发的龙头水利工程，具有发电和防洪等综合效益。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高233m，为目前国际上最高的面板堆石坝。坝顶高程409.00m，坝顶长度660m，装机容量1600MW。坝址区基岩主要为二叠系下统栖霞组（P1q）和茅口组（P1m）灰岩，其中茅口组地层岩溶极其发育，属强岩溶化地层；栖霞组地层属强岩溶化与弱岩溶化岩组互层。整个坝址区内岩溶发育齐全，岩溶管道系统、溶沟、溶槽、溶洞、落水洞、盲谷、溶蚀洼地等均属常见。坝基趾板开挖揭露的岩溶系统中有很多被泥质物充填。坝区范围内已查明的断层40多条，实测裂隙2000余条，栖霞组地层中又有层间剪切带数十层，均为主要的影响坝基岩体质量和制约基岩表层段帷幕灌浆压力提升的不利因素。水布垭枢纽防渗帷幕线全长2500余m，防渗面积44万m2，预计钻灌总进尺约39万m。帷幕灌浆主要技术难题之一是如何保证即能避免趾板产生抬动变形破坏，又能提高接触段和基岩浅层孔段的灌浆压力。水布垭混凝土面板堆石坝趾板宽度为8m和6m，相应厚度为1.2m1.0m和0.6m。趾板为单层双向配筋，配筋约为0.3%。趾板混凝土与基岩连接采用直径28mm锚杆锚固，排距1.5m,孔距1.5m，入岩深度4.0m。为了提高趾板混凝土与基岩间接触段和基岩浅层孔段的灌浆压力，工程开工前，曾在工地左右岸分别进行A、B两个区的灌浆试验。通过灌浆试验，趾板基岩灌浆布孔确定采用“全面积固结灌浆加帷幕”的型式。趾板基岩固结灌浆孔和帷幕灌浆孔的型式见图13-4。趾板基岩灌浆孔的布置见图13-4。依照趾板宽度均匀布置A、B、C、D、E五排固结灌浆孔，A排、C排、E排孔深7m， B排、D排孔深17m，排距1.21.5m，孔距2m。相应最大灌浆压力为0.4MPa0.5MPa和0.8MPa1.0MPa。每排分为二序施工。趾板固结灌浆质量标准为：透水率q3Lu；平均波速大于3000m/s（其中95%的测点的波速不小于3000m/s）。河床部位帷幕灌浆布置为双排孔，排距2.0m，孔距2.0m，梅花形布孔，灌浆孔深90100m，终孔段应满足透水率q1Lu，且单位注入量C20kg/m的条件，否则应加深一段。当加深两段后，仍不能满足上述条件时，由设计单位研究处理。先钻灌第一排孔，根据实灌情况，再对第二排孔的深度进行调整。帷幕灌浆采用孔口封闭灌浆法，每排孔分为三序施工。接触段灌浆压力为1.01.5MPa，全孔最大灌浆压力4MPa.帷幕灌浆质量标准 透水率q1 Lu。 注：1.本实例资料由长江水利委员会长江勘测规划设计研究院程少荣同志提供。二、洪家渡水电站（截止2003年12月正式施工）洪家渡水电站位于贵州省毕节地区黔西县和织全县交界处，为乌江的龙头水库。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高179.50m,坝顶高程1147.5m，坝顶长度427.7m，库容49.47亿m3，装机容量600MW。坝基地层从下游至上游依次为三叠系下统夜郎组玉龙山灰岩T1Y2，厚275305m；九级滩页岩夹泥质灰岩T1Y3，厚7585m；永宁镇灰岩T1Yn1。其中T1Y3是坝基主要隔水层。趾板坐落在永宁镇灰岩上，