英布魯水電站壩基巖體滲流特性及工程對(duì)策

喬?hào)|玉 韓治國(guó) 杜長(zhǎng)青 高志飛

1 壩基巖體的水文地質(zhì)特性

1.1 砂巖的物理結(jié)構(gòu)及其水理特性

英布魯壩基白堊系砂巖多呈黃白或灰白色,中、細(xì)粒結(jié)構(gòu),粒徑多為0.075～0.5 mm,約占82.8%,主要礦物成分為石英,含有少量長(zhǎng)石等。中、細(xì)砂顆粒均勻,磨圓度好,多呈孔隙式點(diǎn)接觸弱膠結(jié),長(zhǎng)石多已風(fēng)化,孔隙內(nèi)可見(jiàn)高嶺土團(tuán)粒,局部膠結(jié)物中含有少量硅質(zhì)。巖石結(jié)構(gòu)破壞后,在松散砂狀態(tài)下,孔隙內(nèi)的高嶺土物質(zhì)呈白色絮狀膠體析出并沉淀,含量為1.46%～2.15%。砂巖孔隙率約25%,天然干密度2.0 g/cm3,單軸抗壓強(qiáng)度多小于5 MPa,具有高孔隙率、低密度、低強(qiáng)度和易擾動(dòng)破壞等特性,屬極軟巖；同時(shí),砂巖結(jié)構(gòu)疏松,孔隙發(fā)育,滲透性強(qiáng),在強(qiáng)滲流作用下,易發(fā)生滲透破壞。

巖體的上述物理、水理性質(zhì)與其成巖膠結(jié)程度密切相關(guān)。英布魯砂巖成巖程度很低,屬于弱中等膠結(jié)。易溶鹽含量低,為HCO3--Ca2+型。由于地下水具有較強(qiáng)的水交替作用和弱酸性,為砂巖中長(zhǎng)石顆粒的高嶺石化作用提供了條件,砂巖中普遍缺少長(zhǎng)石,其原因是原砂巖中少量長(zhǎng)石已轉(zhuǎn)化 (蝕變)為高嶺石。砂巖孔隙內(nèi)的高嶺土團(tuán)粒,即砂巖結(jié)構(gòu)破壞后粒徑小于0.074 mm的白色析出物,為弱結(jié)晶的高嶺石。而由于CaCO3含量低 (0.13%～1.65%),致使砂巖的鈣質(zhì)膠結(jié)作用微弱。

1.2 砂巖的水文地質(zhì)構(gòu)造特征

工程區(qū)域白堊系砂巖連續(xù)沉積厚度巨大,由厚度普遍在1～2 m以上的近水平巖層組成。巖層近水平層面節(jié)理和交錯(cuò)層理面節(jié)理構(gòu)成了壩基巖體主要的一組結(jié)構(gòu)面,形成特有的孔隙-層面節(jié)理巖體介質(zhì)。巨厚砂巖沉積不存在理論上的隔水層,而且砂巖結(jié)構(gòu)疏松,孔隙非常發(fā)育,實(shí)際是一種以孔隙為主的 (n=25%)含有層面節(jié)理的孔隙-層面節(jié)理介質(zhì),因此無(wú)論從巖體質(zhì)量抑或是其滲透性來(lái)看,都可認(rèn)為是一種相對(duì)均勻的巖體,亦即整個(gè)巨厚砂巖沉積層是一個(gè)統(tǒng)一的孔隙地下水系統(tǒng) (單元)。

考慮壩基巖體水文地質(zhì)特性,將其自下而上分為3層,即①由薄層沉積層理構(gòu)成的層狀軟弱砂巖(K2i-l),總體表現(xiàn)為強(qiáng)透水性；②由中層—厚層沉積層理構(gòu)成的厚層狀軟弱砂巖 (K2i-2),呈中等—強(qiáng)透水性,滲透性相對(duì)較均勻；③由薄層沉積層理構(gòu)成的層狀軟弱砂巖 (K2i-3),呈中等—強(qiáng)透水性,滲透性不均勻。其在壩基范圍內(nèi)的分布高程、厚度及結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)表1。

表1 壩基巖層結(jié)構(gòu)及產(chǎn)狀分布特征表

按壩基巖體結(jié)構(gòu)的差異,可分為三大層兩種類(lèi)型,見(jiàn)表2。其中:第②層沉積層理較厚,膠結(jié)程度和完整性相對(duì)較好；第①、③層沉積層理薄,膠結(jié)程度和完整性相對(duì)較差。第③層軟弱砂巖頂部為全—強(qiáng)風(fēng)化層,一般厚5～8 m,呈風(fēng)化砂狀,沉積層理結(jié)構(gòu)已不明顯,而中下部巖體風(fēng)化程度微弱；第②、①層軟弱砂巖巖體新鮮。三大層砂巖在物質(zhì)組成、膠結(jié)形式上基本相同,巖體組成相對(duì)較均勻,局部地段3層間的界線不明顯,呈逐漸過(guò)渡狀態(tài)。

巖成巖程度差,孔隙及層面節(jié)理發(fā)育,成為地下水的良好儲(chǔ)存和徑流介質(zhì),地下水賦存狀態(tài)主要表現(xiàn)為孔隙潛水和孔隙-層面節(jié)理潛水兩種形式。而如前所述,不同層位或不同地段的軟弱砂巖,其巖體透水性存在一定差異,尤其是巖層在水平方向和垂直方向上存在的滲透各向異性,造成地下水在局部地段形成層間微弱承壓現(xiàn)象。壩基砂巖三大層位的劃分已表明其在滲透性上存在一定結(jié)構(gòu)性差異,但進(jìn)一步劃分至更小的層位,即更細(xì)的沉積層理結(jié)構(gòu)面層次上,其差異已不明顯,亦即巖層不存在理論上的相對(duì) “透水層”和 “隔水層”,其 “滲透性差異”現(xiàn)象與通常的 “承壓水”概念有所不同。鉆進(jìn)過(guò)程中地下水位隨孔深加大逐漸升高的規(guī)律以及基坑施工開(kāi)挖中的降水過(guò)程,都證實(shí)了對(duì)砂巖以潛水性質(zhì)為主的賦存狀態(tài)的認(rèn)識(shí)是正確的。

表2 壩基巖體結(jié)構(gòu)分類(lèi)表

1.3 砂巖的滲透及滲變特性

從鉆孔壓水試驗(yàn)成果看 (表3),上部K2i-3和K2i-2兩層的透水性相近,下部K2i-1層透水性偏大。巖體透水率多在60～90 Lu,為中等透水性,局部巖體透水率超過(guò)100 Lu,呈強(qiáng)透水性。室內(nèi)滲透試驗(yàn),砂巖的滲透系數(shù)為3.00×10-4～2.80×10-3cm/s,平均1.80×10-3cm/s,屬中等透水性,與鉆孔壓水試驗(yàn)成果一致。

表3 鉆孔壓水試驗(yàn)成果

砂巖滲透變形試驗(yàn)成果 (見(jiàn)表4),臨界坡降1.48～2.75,平均2.12；破壞坡降21.31～56.02,平均38.67。如前所述,雖然垂直層面與平行層面方向的滲透性差異不明顯,但滲透變形試驗(yàn)反映,其垂直與平行層面兩個(gè)方向上仍存在差異,前者的臨界坡降及破壞坡降是后者的近2倍,表明沿層面方向更容易發(fā)生滲透變形破壞。而實(shí)際狀態(tài)是,壩基砂巖顆粒大小較為均勻并且處于弱膠結(jié)狀態(tài),其破壞型式一般表現(xiàn)為有臨空面時(shí)發(fā)生的溯源方向的流土破壞,基坑開(kāi)挖過(guò)程中邊坡滲水形成的孔洞以及鉆孔涌水造成的孔壁坍塌等破壞,均屬于此類(lèi)現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果及地質(zhì)分析認(rèn)為,由于巖體具有中等—強(qiáng)透水性,除②層軟弱砂巖和③層中下部軟弱砂巖等具有一定的抗?jié)B透破壞能力外,包括③層上部5～8 m全—強(qiáng)風(fēng)化巖體、③層中部部分軟弱砂巖在內(nèi)的巖 (土)體,均可能存在不同程度的滲透破壞問(wèn)題。從壩基巖體質(zhì)量特性及滲透地質(zhì)模型看,分布高程位于高程275～260 m之間的第②層軟弱砂巖垂向透水性相對(duì)較弱,若考慮垂直防滲措施,帷幕下限應(yīng)不低于高程265 m。高程260 m以下第①層軟弱砂巖屬?gòu)?qiáng)透水性,并且與庫(kù)水聯(lián)系較弱,因此,不宜揭穿第②層進(jìn)入該層。

表4 壩基巖石室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)成果

2 壩基巖體灌漿地質(zhì)特性分析

2.1 試驗(yàn)灌漿成果分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)性灌漿,得到如下結(jié)論:

(1)灌漿前、后巖體的透水率和聲波波速改變均不明顯。灌漿前巖體的透水率為68～250 Lu,平均值為100 Lu；灌漿后巖體的透水率似有所降低,為54～150 Lu,平均值98 Lu。巖體縱波速度由2 510 m/s提高到2 560 m/s左右,雖有小幅提高,但不明顯,這與巖體中破裂結(jié)構(gòu)面發(fā)育極少是一致的。另外,從地質(zhì)條件分析,采用普通水泥灌漿,漿液在砂巖孔隙中擴(kuò)散范圍有限,是灌漿后巖體的透水率和波速改變不明顯的主要原因；因此,從灌漿效果看,采用普通水泥灌漿難以達(dá)到壩基防滲目的。

(2)通過(guò)灌漿,可以對(duì)施工開(kāi)挖爆破、擾動(dòng)裂隙、卸荷層面裂隙、混凝土與基巖的接觸面等起到固結(jié)作用。Ⅰ序孔單位注入量14.87～153.62 kg/m,平均41.40 kg/m。經(jīng)過(guò)Ⅰ序孔灌漿,后序孔的單位注入量明顯減小,但Ⅱ序次以后單位注入量沒(méi)有遞減的趨勢(shì)。

(3)從灌漿效果看,固結(jié)灌漿孔距以接近Ⅱ序次孔距 (3.5～5 m)較為合適,過(guò)密的孔距 (如Ⅲ、Ⅳ序)不僅不能達(dá)到灌漿目的,還會(huì)對(duì)壩基巖體的完整性造成破壞。

灌后巖體透水率和波速檢查成果見(jiàn)表5。

表5 灌漿試驗(yàn)效果檢查成果表

2.2 施工灌漿效果分析

固結(jié)灌漿施工中,采用了多排交錯(cuò)布置方式(孔排距2.5 m),排與排之間鉆孔互相交錯(cuò),孔深為 (建基面以下)3 m,灌前、灌后巖體的透水率和波速檢查成果見(jiàn)表6。

從檢測(cè)結(jié)果看,灌后巖體聲波速度有明顯提高,提高率6.70%～31.50%,巖體透水率也相應(yīng)有所降低,說(shuō)明固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)方案是合適的。同時(shí),基于灌漿試驗(yàn) (工作面普遍低于地下水位13 m以上、巖石膠結(jié)差等因素)提出的固結(jié)灌漿起始?jí)毫Σ恍∮?.2 MPa,最大壓力不超過(guò)0.6 MPa的灌漿參數(shù)也是合適的。

表6 固結(jié)灌漿施工效果檢查成果表

3 壩基滲流控制措施研究

壩基砂巖透水性較強(qiáng),無(wú)相對(duì)隔水層,可認(rèn)為是一個(gè)無(wú)限邊界透水體,因此帷幕加深與否都是懸掛式。滲流分析得出以下結(jié)論:(1)壩基設(shè)置防滲帷幕對(duì)滲流影響不大。隨著帷幕深度加大,下游壩趾處滲流比降雖有所降低,但降低不多,即帷幕作用不明顯。(2)設(shè)置帷幕與否,壩基滲透比降都小于巖體允許滲透比降,因此取消帷幕對(duì)壩基滲流穩(wěn)定基本沒(méi)有影響。

從透水性角度看,壩基巖體孔隙率達(dá)25%,透水性較強(qiáng)；但從水泥灌漿的角度看,巖體孔隙則較小,結(jié)構(gòu)較緊密,漿液擴(kuò)散半徑非常小,采用普通水泥灌漿方法將不能達(dá)到防滲目的。另一方面,由于開(kāi)挖卸荷回彈、地下水向基坑臨空面滲流作用以及人為作用等因素,壩基淺部巖體局部產(chǎn)生層面裂隙,因此,壩基固結(jié)灌漿措施是必要的,其在強(qiáng)化淺部巖體完整性的同時(shí),也有利于提高被擾動(dòng)巖體的抗?jié)B變能力。

灌漿不能形成有效的帷幕,而滲流分析結(jié)果反映帷幕對(duì)壩基滲流控制的影響也很小,因此,采用取消灌漿帷幕,以增加鋪蓋長(zhǎng)度延長(zhǎng)滲徑來(lái)減小壩基巖體滲透比降的方案,同樣可以達(dá)到保證滲透穩(wěn)定性的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)英布魯壩基白堊系砂巖具有高孔隙率、低密度、低強(qiáng)度和易擾動(dòng)破壞等特性,屬極軟巖；同時(shí),砂巖結(jié)構(gòu)疏松,孔隙發(fā)育,滲透性強(qiáng),在強(qiáng)滲流作用下,易發(fā)生滲透破壞。地下水賦存狀態(tài)主要表現(xiàn)為孔隙潛水形式,壩基砂巖三大層位巖體透水性存在水平和垂直方向上的結(jié)構(gòu)性差異,但差異不明顯,無(wú)相對(duì)隔水層。

(2)壩基巖體灌漿試驗(yàn)表明,砂巖 “只透水,不透漿”,普通水泥漿液在該類(lèi)孔隙介質(zhì)巖體中擴(kuò)散半徑非常小,無(wú)法形成有效防滲帷幕,因此,壩基防滲帷幕采用水泥灌漿方法難以達(dá)到防滲目的。

(3)通過(guò)壩基滲流分析和滲流控制措施的研究,認(rèn)為采用取消灌漿帷幕,以增加鋪蓋長(zhǎng)度延長(zhǎng)滲徑來(lái)減小壩基巖體滲透比降的方案,同樣可以達(dá)到保證滲透穩(wěn)定性的目的。