彭水水電站右岸壩肩KW51號深巖溶系統(tǒng)的防滲處理

牟春霞，劉詠弟，于習軍

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

彭水水電站壩址位于重慶市彭水縣城上游11 km的峽谷河段，是一座以發(fā)電為主，兼顧航運、防洪并具有多年調節(jié)性能的綜合性大型水庫，也是烏江干流水電開發(fā)的第10個梯級電站。樞紐工程由混凝土弧形重力壩、右岸地下廠房、左岸通航建筑物、防滲帷幕等組成。大壩最大壩高113.5 mm，正常蓄水位293 m，相應庫容12.12億m3。右岸地下電站裝機容量175萬kW，多年平均發(fā)電量63.51億kW·h。通航建筑物布置在左岸，由一級船閘和一級垂直升船機組成。壩基防滲采用垂直防滲帷幕，防滲線路總長810 m，防滲面積約15萬m2。

壩址位于碳酸鹽巖夾少量頁巖的“V”型橫向峽谷中，壩基巖體主要為奧陶系下統(tǒng)南津關組(01n)灰?guī)r夾頁巖，巖層傾向上游偏右岸，走向20°～25°，傾角66°。河床段基巖完整性較好，巖溶發(fā)育微弱，兩岸壩肩及山體巖溶發(fā)育強烈，僅管道性巖溶滲漏系統(tǒng)就發(fā)育多達11條，其中以在右岸壩肩穿過防滲帷幕的KW51號深巖溶系統(tǒng)對工程防滲影響最大。該巖溶系統(tǒng)規(guī)模大、性狀差，最大發(fā)育深度達河床以下160余m，防滲處理難度大，是水庫能否按期蓄水發(fā)電的制約因素之一。同時，該巖溶系統(tǒng)延伸至右岸地下廠房洞室區(qū)，如防滲處理不當，滲漏水可通過巖溶系統(tǒng)滲漏通道直接進入右岸山體地下廠房主洞室，危及地下廠房安全。因此，采取合理的防滲措施，減小施工難度，確保巖溶系統(tǒng)的防滲質量和效果是本工程防滲設計研究的重點和難點。經深入的分析研究，對該巖溶系統(tǒng)采取了以壩前可溶地層防滲封堵為主的工程措施并獲得了成功。

1 KW51號深巖溶系統(tǒng)及其特點

O1n4+5巖層傾向上游偏右岸，傾向110°～115°，傾角66°，走向20°～25°，與河流流向夾角70°～75°，巖層內發(fā)育有C2、C4、C5、504號等風化溶蝕夾層及KW51號深巖溶系統(tǒng)，是彭水水電站主要滲漏巖層。

KW51號深巖溶系統(tǒng)位于大壩右岸，順O1n4+5巖層發(fā)育。巖溶地下水主要由北至柑子林石料場、南至右壩肩的O1n4+5層出露區(qū)地表水入滲補給，并主要經由壩軸線上游約15 m的KW51泉排泄。巖溶系統(tǒng)的發(fā)育性狀主要受地層巖性、地質構造、地形地貌及新構造運動、水動力條件等因素控制，具有以下規(guī)律和特點：

1)倒虹吸狀深巖溶發(fā)育特點。由于壩址區(qū)巖層傾角陡，利于地下水下滲，地下水順C4、C5等夾層向深部入滲，在近岸地段形成發(fā)育高程遠低于烏江枯水位的倒虹吸管狀深巖溶系統(tǒng)，勘探鉆孔揭示，高程43.31 m處仍有溶洞發(fā)育。

2)順層發(fā)育特點。KW51號巖溶系統(tǒng)僅順O1n4+5巖層發(fā)育，且以沿巖層走向和傾向方向發(fā)育為主。主通道在高程315 m以上主要沿O1n5-2與O1n5-3巖層分界附近發(fā)育；高程315 m以下主要沿C2、C4、C5、504號等風化溶蝕夾層發(fā)育，其中高程220 m以下主要沿C4、C5風化溶蝕夾層發(fā)育。

4)巖溶強度分區(qū)特點。順巖層走向方向，巖溶系統(tǒng)發(fā)育強度的分區(qū)明顯。地質勘探表明，右壩肩及地下廠房區(qū)巖溶強烈發(fā)育，其中O1n4、O1n5巖層線溶蝕率分別達0.17%、3.06%；右岸漫灘巖溶不發(fā)育，僅揭示有少量溶蝕裂隙發(fā)育；河床巖溶發(fā)育微弱，僅局部有溶孔及蜂窩狀的溶蝕跡象。

5)具有獨立性特點。沿O1n4+5巖層在壩址右岸對稱發(fā)育有KW17號巖溶系統(tǒng)、順河向在KW51號巖溶系統(tǒng)下游發(fā)育有KW84號巖溶系統(tǒng)，但地質勘探及連通試驗證明，由于河床及右岸漫灘巖體完整性好、透水性微弱、巖溶不發(fā)育，KW51號巖溶系統(tǒng)與KW84號巖溶系統(tǒng)間的O1n1+2+3相對隔水巖層隔水性能良好，阻隔了KW51號巖溶系統(tǒng)與左岸KW17、下游KW84號巖溶系統(tǒng)間的水力聯(lián)系。

6)巖溶充填物特點。巖溶充填物主要為粘土、塊碎石、砂礫，部分為無充填。強巖溶發(fā)育區(qū)巖體透水性強，鉆孔壓水透水率多大于10Lu或不起壓。

7)地下水及其排泄特點。O1n4+5層巖層地下水位均高于烏江枯水位，為地下水補給河水。地下水主要排泄出口KW51泉位于O1n5-2與O1n5-1分界處，高程227.4 m。排泄流量為枯流量1.5～22 L/min，平流量15～50 L/min，豐流量大于250 L/min。

2 防滲方案研究

KW51號巖溶系統(tǒng)在右岸壩肩防滲線路上的出露長度約200 m，原設計采取沿防滲線路對巖溶系統(tǒng)內發(fā)育的溶洞進行追蹤清理并回填混凝土處理后再通過高壓灌漿形成防滲帷幕的方案?，F(xiàn)場施工期間，由于巖溶極為發(fā)育，成洞條件差，巖溶處理難度大且危險性高，施工進度緩慢，造成灌漿平洞施工工期嚴重滯后，成為制約工程按期發(fā)電的卡關性項目之一。同時，對巖溶系統(tǒng)防滲處理方案的進一步研究認為：①原方案對KW51號巖溶系統(tǒng)的防滲處理深度雖已達底層灌漿平洞以下160 m，至高程35 m處，但勘探鉆孔揭示，深部高程44.83～43.31 m處仍有溶洞發(fā)育，高程40 m以下受鉆探能力限制，未深入取得勘探資料，不排除仍有巖溶發(fā)育的可能。因此原方案對KW51號巖溶系統(tǒng)的滲漏控制仍存在一定的風險性；②原方案需在強巖溶發(fā)育區(qū)實施深達160 m的深防滲帷幕，就目前鉆機性能及施工水平而言，要形成如此深的防滲帷幕，不僅施工難度大，而且工程量巨大，施工工期無法滿足工程總進度要求。為此，又對KW51號巖溶系統(tǒng)防滲處理進行了多方案的比選、分析、研究，并在此基礎上選擇以壩前防滲封堵方案為重點進行了包括補充地質勘探、物探檢測、連通試驗等多種手段的勘測、研究，研究表明：

1)KW51號巖溶系統(tǒng)發(fā)育的地質邊界條件明確，僅沿O1n4+5巖層發(fā)育。其上游 O1f、下游O1n1+2+3巖層巖體完整性好，透水性微弱，巖溶不發(fā)育，巖層內的頁巖夾層連續(xù)完整，均是可靠的隔水巖層。

2)雖然KW51號巖溶系統(tǒng)在右壩肩防滲帷幕線路附近巖溶發(fā)育強烈，但其發(fā)育的主層位——O1n4+5巖層在右岸壩前邊坡出露部位巖溶發(fā)育較弱，僅在C4、C5、504號等夾層附近溶蝕裂隙較發(fā)育；在河床部位巖溶發(fā)育更微弱，僅局部有輕微的溶蝕跡象。

3)右岸壩前邊坡及河床O1n4+5巖層透水性微弱，自身具有較好的防滲性能。共進行的134段鉆孔壓水試驗表明，透水率q<1Lu達119段，占88.8%；透水率1Lu～5Lu共14段，占10.5%；透水率5Lu～10Lu僅1段，占0.7%。

該文采用的數(shù)據(jù)資料主要包括2017年1m分辨率正射遙感影像(DOM)、榮成市第二次全國土地調查數(shù)據(jù)、生態(tài)紅線劃定資料、永久基本農田數(shù)據(jù)、土地坡度等級數(shù)據(jù)、耕地利用質量等級數(shù)據(jù)、耕地后備資源數(shù)據(jù)、水資源、地質災害分布圖等。所用數(shù)據(jù)大部分為矢量數(shù)據(jù)，其余圖件資料經矢量化后作為后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎資料。利用遙感影像，將榮成市第二次全國土地調查數(shù)據(jù)更新至影像獲取時相，提高數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

4)O1n4+5巖層在右岸壩前邊坡出露的范圍較小，順河向長約120 m，庫水位以下的出露面積約12 700 m2。

分析認為，由于O1n4+5巖層在壩前邊坡出露范圍較小，且?guī)r體透水性微弱，巖溶不發(fā)育。工程蓄水后，庫水對KW51號巖溶系統(tǒng)的補給途徑主要是沿O1n4+5巖層中的夾層、長大結構面、溶蝕裂隙等裂隙性滲漏通道入滲補給，不存在巖溶管道式滲漏補給條件。同時，O1n4+5巖層上游的O1f1+2+3巖層內，順巖層走向方向發(fā)育有寬約0.5 m的連續(xù)頁巖夾層，阻斷了上游方向的庫水向O1n4+5巖層滲漏補給，因此若采取相應的工程措施，封閉O1n4+5巖層中潛在的滲漏通道，可有效切斷庫水與KW51號巖溶系統(tǒng)間的水力聯(lián)系，控制庫水沿KW51號巖溶系統(tǒng)發(fā)生滲漏。在此基礎上，可大幅抬升右岸壩肩帷幕灌漿的設計防滲下限高程，減小帷幕灌漿施工難度，加快工程進度。因此，KW51號巖溶系統(tǒng)的防滲處理最終采用對壩前邊坡出露的O1n4+5巖層防滲封堵方案。防滲封堵范圍為右岸壩前壩頂高程以下的O1n4+5及O1f1+2+3巖層出露區(qū)，具體措施包括：①邊坡開挖；②地質缺陷處理；③邊坡噴錨支護；④邊坡封堵灌漿；⑤河床防滲帷幕灌漿等。見圖1。

圖1 右岸壩前巖溶封堵范圍示意圖

3 壩前防滲封堵設計

3.1 邊坡開挖

由于進水口高程254.6 m以下為原始邊坡，邊坡開挖目的主要是：①進一步揭示邊坡巖溶發(fā)育程度、特征，為防滲封堵方案提供直觀的地質依據(jù)；②為邊坡表面封閉和防滲封堵灌漿創(chuàng)造施工條件。

邊坡開挖主要針對右岸大壩與進水口之間高程254.6 m以下的原始邊坡進行，開挖長度140 m，高程215～254.6 m，坡度1∶0.3～1∶1，開挖深度3～7 m，見圖2?？紤]到開挖區(qū)距右岸壩肩、地下廠房進水口已澆混凝土較近，開挖時采用短進尺、小藥量、光面爆破等技術進行剝離式開挖。

圖2 右岸壩前巖溶封堵剖面圖

3.2 坡面地質缺陷處理

邊坡開挖揭示，邊坡巖體巖溶發(fā)育程度總體較弱，但壩前50 m范圍內發(fā)育有以C2、C4、C5、504號等夾層為主形成的溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)，其中C4、504號夾層間溶蝕發(fā)育強烈，是防滲封堵處理的重點。施工過程中，對邊坡出露的地質缺陷主要采取以下措施處理：

1)邊坡出露的溶蝕夾層、溶縫一般采取掏挖、抽槽方式處理，處理深度一般不小于3倍的夾層、溶縫寬度；

2)對C4、504號夾層間的溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)采取集中抽槽處理，抽槽寬度10～12 m，深度4～5 m。

3)對壩前50 m范圍的邊坡采用貼坡混凝土封閉，封閉混凝土厚0.5～1.0 m。

3.3 邊坡表面封閉

為減少封堵灌漿過程中外漏機率，提高灌漿效果，并與防滲封堵灌漿一道構成控制庫水入滲的壩前邊坡防滲封堵體系，對壩前O1n4+5巖層出露的邊坡，除壩前50 m范圍采用貼坡混凝土封閉外，其他均采用掛網錨噴混凝土封閉，錨噴混凝土厚度12 cm。

3.4 邊坡防滲封堵灌漿

邊坡防滲封堵灌漿是封閉壩前O1n4+5巖層中發(fā)育的夾層、裂隙、層間構造面等潛在的滲漏通道，切斷庫水與KW51號巖溶系統(tǒng)間水力聯(lián)系的主要工程措施，設計防滲標準為q≤5Lu。

邊坡防滲封堵灌漿范圍為壩前邊坡O1n4+5巖層出露帶及其上游齒鄰的部分O1f1巖層，灌漿孔排距一般2.5 m×2.5 m，溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)加密為2.0 m×2.0 m。灌漿孔深6 m，采用手持式風鉆造孔。灌漿施工采用孔口循環(huán)法分兩序進行，灌漿材料為普通水泥漿，灌漿壓力0.3～0.5 MPa。

3.5 河床防滲帷幕灌漿

為控制庫水沿河床O1n4+5巖層入滲補給KW51號巖溶系統(tǒng)，在邊坡坡腳處，順河向布置一道防滲帷幕，其上游接O1f1巖層，下游接大壩主防滲帷幕。防滲線路長140 m，設計防滲標準q≤1Lu。

帷幕灌漿共布置2排，孔距2 m，排距0.8 m，孔深30 m。灌漿施工采用孔口封閉灌漿法分3序進行，灌漿材料為普通水泥漿，最大灌漿壓力3 MPa。

4 壩前巖溶防滲封堵處理效果分析

4.1 邊坡防滲封堵灌漿效果分析

邊坡防滲封堵灌漿進尺13 050 m。灌漿成果統(tǒng)計表明(見表1)，隨灌漿孔序的增加，基巖透水率、灌漿單耗均遞減顯著，Ⅰ、Ⅱ序孔間基巖透水率、灌漿單耗遞減率分別達到82.7%和78.2%，說明封堵灌漿對淺層裂隙、構造面特別是長大裂隙和構造面起到了很好的充填、封堵作用。灌后布置的102個灌漿質量檢查孔壓水試驗成果表明，所有檢查孔基巖透水率均小于設計防滲標準q≤5Lu，最大值僅0.68Lu。

表1 邊坡防滲封堵灌漿成果統(tǒng)計表

4.2 河床防滲帷幕灌漿效果分析

河床防滲帷幕灌漿進尺4 290.8 m，灌漿成果統(tǒng)計分析表明(見表2)：

表2 河床防滲帷幕灌漿成果統(tǒng)計表

1)受開挖爆破影響，淺層巖體爆破裂隙較發(fā)育，因此灌漿過程中淺層灌段外漏現(xiàn)象較嚴重，尤以先灌排第Ⅰ、Ⅱ序孔為甚，但隨灌漿孔序、排序的增加，后序孔外漏機率及外漏量均明顯減少。

2)隨孔序、排序的增加，基巖透水率、灌漿單耗遞減趨勢明顯，符合灌漿規(guī)律。如第1排帷幕Ⅰ、Ⅲ序孔之間基巖透水率、灌漿單耗遞減率分別達79.6%和51.8%；通過第1排帷幕孔灌注后，第2排帷幕孔基巖透水率、灌漿單耗均明顯減小，但仍呈遞減規(guī)律，Ⅰ、Ⅲ序孔間基巖透水率、灌漿單耗遞減率分別為49.2%和39.9%。

3)灌后布置的10孔共78段壓水試驗檢查成果表明，所有壓水試驗段基巖透水率均達到q≤1Lu的設計防滲標準。

5 結 語

1)KW51號巖溶系統(tǒng)是工程防滲帷幕軸線上出現(xiàn)的規(guī)模最大、性狀最差的倒虹吸式深巖溶系統(tǒng)，通過采取壩前防滲封堵措施，成功地解決了帷幕灌漿施工難度大、工期緊張等技術難題。水庫蓄水后滲流、滲壓監(jiān)測資料表明，KW51號巖溶系統(tǒng)發(fā)育區(qū)滲流、滲壓值均很小，說明采取的壩前防滲封堵措施防滲性能、防滲效果效果良好，可有效控制庫水滲漏。

2)KW51號巖溶系統(tǒng)所采取的壩前防滲封堵措施擺脫了以往多局限于沿帷幕線路一帶采取諸如巖溶清理回填、混凝土防滲墻、防滲塞、帷幕灌漿等傳統(tǒng)巖溶防滲處理模式的束博，拓寬了巖溶地區(qū)防滲處理思路，是一種針對巖溶地層防滲處理的新方法，可供類似工程借鑒。如清江水布埡工程對左岸溢洪道邊坡出露的F12斷層溶蝕區(qū)的防滲處理即是借鑒該方法并獲得成功。