欽寸水庫左岸防滲灌漿帷幕結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾個要素分析

金水源,徐 彬

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計院,浙江 杭州 310002;2.浙江欽寸水庫有限公司,浙江 新昌 312500)

帷幕灌漿設(shè)計內(nèi)容主要包括帷幕結(jié)構(gòu)和灌漿施工工藝,其中帷幕結(jié)構(gòu)包括帷幕形式、帷幕厚度以及伸入壩肩帷幕長度等是設(shè)計帷幕灌漿的重點,它直接影響到工程的投資和帷幕防滲的效果,因此也是專家審查的要點。目前基巖帷幕灌漿施工工藝(如壓力、段長、漿液變化等等)在灌漿規(guī)范中有詳細的規(guī)定,而在砂礫石層帷幕灌漿國家還未制訂統(tǒng)一的規(guī)程規(guī)范,因此砂礫石層帷幕灌漿施工工藝往往參照基巖帷幕灌漿工藝或通過現(xiàn)場試驗而得。本文結(jié)合浙江欽寸水庫左岸防滲帷幕灌漿試驗實例重點介紹灌漿帷幕結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)重點考慮的幾個要素,包括帷幕形式、帷幕厚度以及伸入壩肩帷幕長度等,以供參考。

1 工程概況

欽寸水庫工程位于浙江省紹興市新昌縣境內(nèi),地處曹娥江主要支流黃澤江上的欽寸村附近。欽寸水庫壩址以上集水面積316 km2,壩頂高程106.0m,最大壩高64.0 m,水庫正常蓄水位98.00 m,校核洪水位105.10 m,總庫容2.44億m3,正常蓄水位以下庫容1.766億m3,電站裝機容量2.75MW,該工程為Ⅱ等工程,工程規(guī)模屬大(2)型水庫,電站為小(2)型電站。

2 地質(zhì)概況

欽寸水庫壩址河谷呈“U”形,河床寬約150 m,右岸地勢陡峭,左岸為一較平緩的平臺地,平臺地下游方向有一沖溝分布。壩址主要巖性為J3d侏羅系上統(tǒng)大爽組霏細巖,主要分布在F5斷層右側(cè)。左岸平臺地上部有二次噴發(fā)玄武巖,下伏K1g白堊紀下統(tǒng)館頭組灰～灰白色角礫凝灰?guī)r,玄武巖下伏處局部有alN2第三系含泥砂礫卵石層,厚度一般為7.1～20.2 m,自上而下由中密～密實,含泥量8.3%左右,滲透系數(shù) K=1.4×10-4～4×10-5cm/s,屬中等透水至弱透水。砂礫石層沿棗園方向厚度逐漸減少至尖滅。由于砂礫石層頂板高程一般為100.7～105.3 m,大部分砂礫石層在正常蓄水位以下,水庫蓄水后存在滲漏問題,須進行防滲處理。

3 帷幕結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 帷幕型式

帷幕的型式包括懸掛式帷幕和落地式帷幕。懸掛式帷幕一般適用于砂礫石厚度大,底部滲透系數(shù)小的砂礫石地基;落地式帷幕一般適用于砂礫石厚度較小、砂礫石滲透系數(shù)大的地基,鉆孔的布置可以是1排或多排。當(dāng)然,在同一工程中,從經(jīng)濟和技術(shù)上考慮,可以采用單一的懸掛式帷幕式落地式帷幕,這2種帷幕型式在工程中最為常見,也可以采用懸掛式與落地式相結(jié)合的帷幕。

采用何種帷幕型式,也就是說如何確定帷幕的深度。在均勻地基中采用懸掛式帷幕深度一般為壩高的30%～70%,結(jié)合地基勘探地層滲透系數(shù)合理取值。落地式帷幕以控制進入相對不透水層的深度作為主要指標(biāo),一般為3～5 m,相對不透水層透水率控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)工程類別大小、大壩類型等選定[1]。

欽寸水庫為混凝土面板堆石壩,混凝土面板堆石壩規(guī)范要求帷幕深度:1、2級壩和高壩可按深入基巖的單位吸水率3～5 Lu以下5 m,其他的壩按 5～10 Lu控制[2]。欽寸水庫經(jīng)灌漿試驗后確定了3排落地式的帷幕灌漿方案,其中軸線排進入基巖(為相對不透水層,透水率小于5 Lu)5 m,上下游排進入基巖0.5 m。

3.2 帷幕的厚度

帷幕的厚度主要是根據(jù)地質(zhì)條件,帷幕允許的水力坡降,大壩基礎(chǔ)的防滲標(biāo)準(zhǔn)和幕體本身的密實性、穩(wěn)定性而決定的。對砂礫石地基進行防滲帷幕處理必須滿足工程的抗?jié)B要求,并對抵抗?jié)B透水的侵蝕有足夠的能力和有效年限,設(shè)計時對此類帷幕必須進行強度復(fù)核和耐溶蝕年限復(fù)核。

3.2.1 帷幕的抗?jié)B要求

帷幕的防滲主要指標(biāo)是水力坡降,根據(jù)實際的幕厚與水頭差計算的結(jié)果應(yīng)小于經(jīng)地質(zhì)勘察而得的允許水頭坡降。

帷幕的厚度按下式[3]進行復(fù)核:

式中:

j為水力坡降;

L為帷幕厚度,m;

H1為幕前水位,m;

H2為帷幕下游面浸潤線高度,m。

欽寸水庫正常蓄水位為98.0 m,左岸砂礫石以下基巖相對不透水層高程為87.0 m,灌漿試驗結(jié)束后,平均幕厚為6.7 m。實際水力坡降為1.64,小于設(shè)計允許最大水力坡降值2,因此證明設(shè)計設(shè)置3排帷幕灌漿是合理的。此外,水庫正常蓄水位為98.0 m,實際幕前水位小于98.0 m,因此布置3排帷幕灌漿是相當(dāng)安全的。

3.2.2 帷幕耐溶蝕年限復(fù)核

灌漿帷幕驗收時通常通過檢查孔壓水試驗檢驗帷幕是否滿足工程設(shè)計防滲指標(biāo),對設(shè)置壩基測壓管的可通過觀測測壓管水位來檢驗灌漿帷幕質(zhì)量。但往往會忽略帷幕的耐溶蝕年限 (即帷幕壽命)。由于帷幕經(jīng)地下水的作用,其水泥結(jié)石中的氧化鈣會被析出隨水流被帶走,從而使其防滲性逐步降低,帷幕的壽命取決于帷幕的厚度、單位帷幕體積的水泥用量和帷幕的質(zhì)量(灌漿帷幕滲透系數(shù)),而A?H阿達莫維奇建議,以灌漿帷幕受濾時,水泥結(jié)石中全部氧化鈣的25%被溶出所經(jīng)歷的時間 (T)作為耐溶蝕年限。可按下式[3]計算:

式中:C為單位帷幕體積的水泥用量,N/m3;

l為帷幕灌漿厚度,m;

Kn為帷幕灌漿滲透系數(shù),m/a;

J為水力梯度;

C1為水化鋁酸四鈣的極限氧化鈣濃度,為10.8 N/m3;

C2為水化鋁酸三鈣的極限氧化鈣濃度,為5.6N/m3。

從上式中可以看出,帷幕壽命的長短受人為因素影響最大的是單位體積的水泥用量,即通常所說的水泥單耗。因此,設(shè)計方案確定后,要求施工單位嚴格按設(shè)計要求進行,最大限度地灌入水泥漿量,擴大漿液擴散半徑,提高帷幕壽命。

欽寸水庫左岸帷幕灌漿采用3排方案,排距、孔距均為2.0 m,經(jīng)試驗段試驗,根據(jù)灌漿情況,通過計算,其帷幕壽命為22 a。

3.3 伸入兩岸的防滲帷幕長度

帷幕灌漿防滲包括河床基礎(chǔ)(又稱壩基帷幕)和壩肩帷幕2部分。壩肩伸入長度一般要求達到水庫正常高水位與不透水層或相對不透水層相交處,或兩岸地下水位與水庫正常高水位相交處,以形成封閉的防滲線。

有時達到這2個條件,將使帷幕延長很長。由于延伸一段距離后,滲徑變長,水力梯度減少,繞流量也相應(yīng)減少,再延長帷幕長度沒有附加防滲作用,表明該范圍為經(jīng)濟有效灌漿范圍[3]。

欽寸水庫左側(cè)庫岸由于砂礫石層厚度沿左岸方向呈逐漸減少至尖滅分布,因此設(shè)計帷幕灌漿伸入長度以經(jīng)勘探透水層(砂礫石層)尖滅點為界點,從而形成封閉的防滲。

4 結(jié) 語

設(shè)計帷幕灌漿工程時,不僅要充分認識帷幕結(jié)構(gòu)的重

要性,還要對帷幕結(jié)構(gòu)進行逐項審核計算,才能確保帷幕

灌漿的合理性、經(jīng)濟性和有效性。

[1]李茂方,孫釗.大壩基礎(chǔ)灌漿 [M].北京:水利電力出版社,1992:40.

[2]國家電力公司水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范 (DL/T 5016—1999)[S].北京:電力出版社,2000:21.

[3]楊光煦.砂礫石地基防滲工程[M].北京:電力出版社,1994:316-320.