蘇布雷水電站壩基滲漏及滲透變形穩(wěn)定研究與處理

蘇 星， 李 忠 爽

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

蘇布雷水電站裝機(jī)容量為27萬kW，采用混合式開發(fā)，主要水工建筑物包括大壩和引水發(fā)電系統(tǒng)，有“科特迪瓦三峽”之稱。其中大壩由土石壩與進(jìn)水口和溢洪道的混凝土結(jié)構(gòu)段組成，壩線長(zhǎng)達(dá)4.5 km，最大壩高20.5 m。由于工程位于平原地區(qū)，因而大壩具有壩線超長(zhǎng)、壩高不高的特征。土石壩壩基主要為殘積土層，部分段為全強(qiáng)風(fēng)化層；混凝土結(jié)構(gòu)段的壩基為弱風(fēng)化-微新巖體，巖體較完整、緩傾角結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，抗滑穩(wěn)定問題不突出。大壩工程的主要地質(zhì)問題為巖體壩基和覆蓋層壩基滲漏、覆蓋層壩基滲漏及滲透變形穩(wěn)定等。由于大壩超長(zhǎng)，且大部分壩基為覆蓋層，如何對(duì)壩基進(jìn)行防滲處理，成為工程關(guān)鍵技術(shù)問題。如果對(duì)壩基全面進(jìn)行系統(tǒng)防滲處理，則處理工程量巨大，也增加電站資金投入；如不進(jìn)行處理則可能產(chǎn)生滲漏及滲透變形，嚴(yán)重者則可能導(dǎo)致大壩失穩(wěn)。本文對(duì)壩基巖土體物理力學(xué)特性特別是巖土體滲透特性進(jìn)行了充分研究，查明了壩基巖土體的滲透特性，針對(duì)不同巖土體采取不同的防滲處理措施，充分利用占?jí)位^大多數(shù)的殘積土層作天然鋪蓋，僅對(duì)占?jí)位休^少部分的全強(qiáng)風(fēng)化層及弱風(fēng)化巖體進(jìn)行防滲處理，大大節(jié)約了防滲處理的工程量，大幅節(jié)約工期及電站造價(jià)。

2 單一地層的滲透及抗?jié)B性

壩址基巖為前寒武系的花崗巖、花崗片麻巖，屬堅(jiān)硬巖類。根據(jù)巖體的風(fēng)化程度可分為全-強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化及微新層。壩址覆蓋層廣泛分布，可分為兩層(即上部的沖積砂層和下部的殘積土層)。

壩址區(qū)的地下水按賦存條件可分為基巖裂隙水和第四系孔隙潛水兩種類型?；鶐r裂隙水主要受巖體節(jié)理裂隙控制，張性裂隙水，局部可見裂隙具地下水潛蝕形成的張開現(xiàn)象。此外，巖體淺表層的緩傾角卸荷裂隙也有利于地下水的活動(dòng)。第四系孔隙潛水，主要賦存于壩區(qū)兩岸的殘積土層、沖積層及全強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)。根據(jù)各層的成因、風(fēng)化程度及透水性等特征的不同，壩基巖土體可分為5個(gè)層，各單一地層的透水性見表1。

表1 壩基各層巖土體透水性及允許坡降建議參數(shù)

沖積層以中細(xì)砂、粉土為主，厚度多小于3 m，多分布于兩岸岸坡及河心島。該層土體結(jié)構(gòu)松散，透水性較強(qiáng)，根據(jù)各階段試驗(yàn)成果，其滲透系數(shù)建議值取為1×10-4cm/s～1×10-5cm/s，呈弱透水層，允許坡降為0.22～0.25。

殘積土層以褐色、紅褐色的黏土、粉質(zhì)砂質(zhì)黏土為主，層厚度一般2～5m，廣泛分布于兩岸岸坡。該層土體結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，透水性相對(duì)較弱，滲透系數(shù)建議值為1×10-5cm/s～1×10-6cm/s，呈微透水，允許坡降為0.35～0.55。

全強(qiáng)風(fēng)化層主要由中粗砂、風(fēng)化團(tuán)塊及破碎巖塊組成，殘留了部分原巖的結(jié)構(gòu)痕跡，除石英外大部分礦物已蝕變，總體已崩解為砂土狀，具土層的工程性狀。該層結(jié)構(gòu)密實(shí)，但由于分化不均透水性較強(qiáng)，滲透系數(shù)建議值為1×10-2cm/s～1×10-4cm/s，呈中等透水，允許坡降為0.10～0.18。

弱風(fēng)化巖體厚度一般小于8 m，次塊狀～鑲嵌結(jié)構(gòu)，以各階段壓水試驗(yàn)的成果為基礎(chǔ)提出該層巖體的透水率建議值為3～20 Lu，呈弱偏中等透水。

微新巖體完整新鮮，塊狀結(jié)構(gòu)為主，壓水試驗(yàn)成果主要集中在0.5～0.01 Lu之間，透水率建議值小于1 Lu，呈微～極微透水。

3 土石壩的壩基滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題

蘇布雷水電站兩岸的土石壩(土石混合壩、均質(zhì)土壩)的建基面大部分為殘積土層，部分段如3+900 m段建基面為全強(qiáng)風(fēng)化層。土石壩壩基的滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題涉及到多套滲透性不同的地層，條件較復(fù)雜。

3.1 殘積土層壩基的滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題

圖1為蘇布雷水電站土石壩殘積土層壩基的典型斷面圖。壩基范圍內(nèi)的沖積砂層不滿足大壩建基要求，工程建設(shè)過程中采取挖除處理。殘積土層為微透水，可視為相對(duì)隔水層；全強(qiáng)風(fēng)化層為中等透水、弱風(fēng)化巖體為弱偏中等透水，兩層巖土體可視為透水層。微新巖體為微～極微透，可視為相對(duì)隔水層。綜合以上分析可知蘇布雷土石壩殘積土層壩基存在兩個(gè)相對(duì)隔水層，壩基巖土體為“隔-透-隔”式的非均質(zhì)透水性結(jié)構(gòu)。

圖1 土石壩殘積土層壩基典型斷面圖

庫(kù)水為壩基滲漏的主要補(bǔ)給水源，土石壩上下游分布的殘積土層為相對(duì)隔水層，由于其廣泛、連續(xù)分布于兩岸且具有一定的厚度，相當(dāng)于在整個(gè)壩址兩岸的上下游及庫(kù)區(qū)兩岸設(shè)置了一道天然的防滲鋪蓋，有效地減少了庫(kù)區(qū)水源對(duì)壩基的滲漏量，有利于壩基防滲。施工圖設(shè)計(jì)階段采取嚴(yán)格管理措施，禁止對(duì)兩岸土石壩上下游500 m范圍內(nèi)的殘積土層進(jìn)行開挖，防止天然防滲鋪蓋被破壞。通過水力學(xué)計(jì)算，壩基 “隔-透-隔”式的非均質(zhì)透水性結(jié)構(gòu)(見圖2)，其綜合滲透系數(shù)呈弱偏中等透水，滿足壩基滲漏要求。

圖2 “隔-透-隔”式透水結(jié)構(gòu)

殘積土層的允許坡降為0.35～0.55，全強(qiáng)風(fēng)化層允許坡降為0.10～0.18，殘積土層的相對(duì)隔水性提高了壩基的有效允許坡降。由于壩前雍水高度較小、壩基寬度較大，因此，殘積土層土石壩壩基的滲透變形穩(wěn)定問題不突出。

綜合以上分析，殘積土層土石壩壩基可滿足滲漏及滲透變形穩(wěn)定的要求，施工過程中未采取特殊的滲控處理措施，加快了工程進(jìn)度、減少了工程造價(jià)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。蘇布雷電站自蓄水發(fā)電以來，土石壩殘積土層壩基在滲漏量及滲透變形方面均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行正常。

3.2 全強(qiáng)風(fēng)化層壩基的滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題

蘇布雷右岸土石壩3+900 m段壩基為全強(qiáng)風(fēng)化層，主要原因?yàn)閴味螜M跨沖溝，殘積土層多被降雨或洪水沖走。全強(qiáng)風(fēng)化層和下伏的弱風(fēng)化巖體總體呈中等偏弱透水，可視為透水層；微新巖體呈微-極微透水，可視為相對(duì)隔水層。土石壩全強(qiáng)風(fēng)化層壩基巖土體表現(xiàn)為“透-隔”式的非均質(zhì)透水性結(jié)構(gòu)(見圖3)，由于全強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化巖體的透水性不能滿足大壩防滲抗?jié)B要求，且全強(qiáng)風(fēng)化層由于允許坡降較低為0.10～0.18，滲透變形穩(wěn)定問題較突出，需采取工程處理措施。

圖3 “透-隔”式透水結(jié)構(gòu)

針對(duì)該壩段的壩基滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題，為保證工程質(zhì)量安全，技施階段經(jīng)分析研究制定了相應(yīng)的工程處理方案，主要措施如下：

(1)在該壩段上游壩踵附近按設(shè)計(jì)坡比開挖防滲齒槽，挖除全強(qiáng)風(fēng)化層，齒槽底板開挖至弱風(fēng)化巖體，底寬2 m、最大開挖深度15 m；

(2)對(duì)齒槽底板的弱風(fēng)化巖體及兩側(cè)的覆蓋層進(jìn)行帷幕灌漿；

(3)開挖部位進(jìn)行黏土回填、碾壓，設(shè)置黏土防滲心墻，心墻與大壩防滲體銜接、并與沖溝兩側(cè)的殘積土層連接，保證防滲心墻的封閉性(見圖4～7)。通過以上處理措施，有效地減少了壩基滲漏量、降低了壩基滲透變形破壞的可能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，蓄水發(fā)電以來該部位運(yùn)行正常。

圖4 全強(qiáng)風(fēng)化層壩基處理范圍平面圖

3.3 混凝土壩段的壩基滲漏問題

蘇布雷水電站混凝土結(jié)構(gòu)段(溢洪道、進(jìn)水口)及兩側(cè)心墻壩的建基面為弱風(fēng)化-微新巖體。壩基淺表層的弱風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育、貫通性較好，加之爆破松弛的影響，透水率建議值為3～20 Lu，呈弱偏中等透水，不滿足大壩防滲要求(5 Lu)；微新巖體透水率建議值小于1 Lu，呈微～極微透水。

圖5 壩基防滲處理典型剖面圖

圖6 防滲齒槽開挖照片

圖7 防滲齒槽完工后照片

混凝土結(jié)構(gòu)段及兩側(cè)心墻壩的壩基滲漏問題涉及到弱風(fēng)化、微新兩個(gè)滲透性有差異的巖層，弱風(fēng)化巖體透水率偏大，微新巖體可視為相對(duì)隔水層，壩基滲漏條件相對(duì)簡(jiǎn)單。由于弱風(fēng)化巖體厚度較小，蘇布雷工程采用了壩基封閉式帷幕灌漿的處理方案，灌漿孔深入相對(duì)微新巖體2 m。通過帷幕灌漿處理，壩基滲漏問題得到有效控制，蓄水發(fā)電以來該部位運(yùn)行正常。

4 結(jié) 語

蘇布雷電站壩線超長(zhǎng)，土石壩壩基充分利用了表面連續(xù)分布的殘積土層作天然防滲鋪蓋，充分利用了壩基天然土體的“隔-透-隔”式非均質(zhì)透水性結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了壩基防滲處理工程量，提高了工程施工進(jìn)度并有效的降低了大壩工程的防滲處理成本。大壩局部段的全強(qiáng)風(fēng)化層壩基，通過封閉的黏土防滲心墻來進(jìn)行抗?jié)B處理，施工便利、工程效果良好，滲漏量及滲透變形得到有效控制。混凝土結(jié)構(gòu)段及兩側(cè)心墻段的巖體壩基滲漏條件相對(duì)簡(jiǎn)單，采用封閉式防滲帷幕的措施進(jìn)行處理。蘇布雷電站大壩充分利用了天然地基，工程蓄水以來滲控效果較好，工程運(yùn)行正常，其經(jīng)驗(yàn)值得非洲同類工程借鑒。