馬鹿水庫壩基防滲處理方案設(shè)計(jì)

周彥龍，高小文，冉海林

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650021；2.四川省雅安市雨城區(qū)自然資源和規(guī)劃局，四川 雅安 625000)

壩基是水工樞紐的主要受力載體，壩基在開挖過程中總會(huì)遭遇各種不良地質(zhì)問題，如溶洞、裂隙、深厚軟弱淤積層、巖石破碎等，因而造成大壩承載能力低、不均勻沉降顯著、抗滑穩(wěn)定性差、滲透變形突出等問題[1-4]。因此，壩基的處理得當(dāng)關(guān)乎大壩的安全穩(wěn)定，以及工程建設(shè)項(xiàng)目效益的充分發(fā)揮[5-7]。目前關(guān)于壩基處理方案的應(yīng)用研究不斷取得新突破，處理成效顯著。固結(jié)灌漿，是通過向巖石裂隙注入水泥砂漿，將破碎的巖石膠結(jié)成一個(gè)整體，以加強(qiáng)巖體的整體性和均一性，提高壩基巖體的承載能力，并能在一定程度上改善壩基巖體的滲透性[8-11]；帷幕灌漿，是將漿液灌注入巖體或土層裂隙、孔隙內(nèi)，進(jìn)而形成連續(xù)的阻水帷幕，提高地基防滲能力的一種灌漿方式[12-14]；混凝土防滲墻，是在松散透水地基中連續(xù)造孔，泥漿固壁，往孔內(nèi)灌注混凝土建成垂直的防滲墻體[15-17]；深層攪拌樁，是在軟弱地層中插入深層攪拌機(jī)，均勻攪拌使得固化劑與軟土接觸后產(chǎn)生硬結(jié)固化，以達(dá)到防滲固結(jié)的目的。

1 工程概況

馬鹿水庫位于金沙江二級(jí)支流烏木河水系清水河上游，距華坪縣城約為64.2km，是一座集城鎮(zhèn)、農(nóng)村人畜生活供水和農(nóng)田灌溉用水于一體的綜合水利工程。水庫壩址以上徑流面積為58.8km2，壩址斷面多年平均徑流量為3398萬m3。

馬鹿水庫工程由水庫樞紐工程和輸水干渠工程組成，總庫容為1122.9萬m3，興利庫容為807.0萬m3，樞紐主要建筑物由大壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪隧洞及輸水隧洞組成。根據(jù)SL 252—2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，大壩級(jí)別為2級(jí)建筑物，溢洪道、泄洪隧洞、輸水隧洞為3級(jí)建筑物。大壩為黏土心墻堆石壩，上游圍堰與壩體結(jié)合，為壩體的一部分，其余臨時(shí)建筑物為5級(jí)。輸水干渠工程由渠首管道、箱涵、蓋板涵、渡槽、倒虹吸和隧洞等建筑物組成。根據(jù)GB 50288—99《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，馬鹿水庫輸水干渠設(shè)計(jì)流量為2.13～0.81m3/s，干渠主要建筑物渠首管道、箱涵、明渠、渡槽、倒虹吸和隧洞為5級(jí)建筑物。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件分析

2.1 地形地貌

壩址位于鐵廠溝上游約0.2km處，壩址區(qū)河流呈“蛇”形彎曲，河床寬6～27m，高程為1981～1953m，河谷呈左陡右緩的“U”形谷。左岸坡坡度為30°～45°，局部50°；右岸坡坡度為22°～48°。

2.2 地層巖性

壩址區(qū)廣布第四系(Q)松散地層，二迭系上統(tǒng)峨眉山組中段(P2β2)玄武巖、凝灰質(zhì)角礫巖、凝灰?guī)r，基巖露頭零星，岸坡巖體以強(qiáng)風(fēng)化為主。左、右岸壩基為強(qiáng)～弱風(fēng)化上帶巖體，屬散體～碎裂結(jié)構(gòu)巖體；河床壩基為強(qiáng)～弱風(fēng)化下帶巖體，屬塊狀或塊狀碎裂結(jié)構(gòu)巖體。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)河段屬單斜構(gòu)造，巖層總體傾向上游偏左岸。無大的區(qū)域斷裂通過，斷層少見，構(gòu)造形跡以小褶皺、層間剪切帶、流面及節(jié)理裂隙為主。

壩址河段巖體風(fēng)化嚴(yán)重，兩岸玄武巖張性裂隙發(fā)育，卸荷強(qiáng)烈，左岸卸荷深5～13m，右岸卸荷深15～37.6m。除了流面裂隙延伸較好，其余裂隙延伸差，裂隙總體不發(fā)育，無潛在不利結(jié)構(gòu)面組合，自然邊坡基本穩(wěn)定。但右岸坡風(fēng)化深、卸荷強(qiáng)，流面斜傾上游偏左岸，淺部開挖邊坡不穩(wěn)定，深部邊坡開挖需采取工程處理措施，開挖邊坡穩(wěn)定性差。

壩基無緩傾角結(jié)構(gòu)面，全風(fēng)化下部巖體、強(qiáng)風(fēng)化巖體強(qiáng)度較高，壓縮變形小，基本不存在抗滑失穩(wěn)的條件。下部強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體相對完整，不存在滲透變形，壩基滲流基本穩(wěn)定。

2.4 水文地質(zhì)條件

壩基巖體為強(qiáng)風(fēng)化塊狀～碎裂結(jié)構(gòu)巖體，弱～中等透水，表層及右岸有極強(qiáng)透水帶分布。相對隔水層(帶)為深部的弱～微風(fēng)化P2β2玄武巖，其透水率q<5Lu，分布連續(xù)。

根據(jù)本階段鉆孔初步揭露，相對隔水層埋深：左岸36～56m，河床37～55m，右岸55～108m。

3 壩基防滲處理方案設(shè)計(jì)

3.1 滲透分析

大壩建基面以下兩岸壩基卸荷裂隙發(fā)育、壩基巖體強(qiáng)～極強(qiáng)透水，水庫存在壩基及繞壩滲漏問題。根據(jù)滲透計(jì)算，左、右壩肩繞壩滲漏及壩基滲漏為845.25萬m3/a，占多年平均來水量3398萬m3的24.87%，滲漏嚴(yán)重，采用帷幕灌漿處理。壩址區(qū)相對隔水層(帶)為深部的弱～微風(fēng)化P2β玄武巖，其透水率q≤5Lu，分布連續(xù)。相對隔水層埋深：壩線左岸地面以下54～60m，壩基灌漿蓋板以下34～80m，右岸地面以下80～108m。

3.2 壩基帷幕灌漿設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘探成果及建議，設(shè)計(jì)為灌漿帷幕底界線深入相對隔水層(q≤5Lu)以下5.0m，分布連續(xù)。左岸及河床壩段(灌0+000.00m～灌0+256.50m)灌漿采用單排孔，孔距為1.5m，防滲底界進(jìn)入相對隔水層(q≤5Lu)以下5m。右岸坡壩段(灌0+256.50m～灌0+597.70m)灌漿采用雙排孔，排距為1.2m，孔距為2.0m，帷幕防滲底界進(jìn)入相對隔水層(q≤5Lu)以下5m。防滲軸線總長597.50m，其中布置單排孔段長256.50m，布置雙排孔段長341.00m。帷幕灌漿鉆孔總進(jìn)尺25422m，其中灌漿段長24041m，非灌段長1381m。

其中左岸繞壩滲漏段灌漿邊界以正常蓄水位與左岸地下水位相交，帷幕灌漿長度自壩橫0+000.0m外延108.14m與地下水位相交，帷幕灌漿鉆孔深9.0～56.5m；壩基滲漏段，壩基段帷幕灌漿長度為253.203m，帷幕灌漿鉆孔深38.06～84.95m；右岸繞壩滲漏段灌漿邊界以正常蓄水位與右岸地下水位相交，自右壩肩壩橫0+253.203m外延220.40m與地下水位相交，帷幕灌漿鉆孔深9.34～84.95m。

為減少左、右岸繞壩滲漏帷幕灌漿非灌段的長度，在左、右岸壩肩外延段設(shè)置灌漿平洞，帷幕灌漿施工在洞內(nèi)進(jìn)行。左岸灌漿平洞軸線平行于壩基帷幕灌漿軸線，位于壩基帷幕灌漿軸線下游10m，平洞長93m，為2.0m×3.5m(寬×高)城門洞型斷面，洞口底板高程為2046.50m，底坡i=1/250，防滲帷幕為單排孔，孔距為1.5m。右岸灌漿平洞軸線與壩基帷幕灌漿軸線延長線重合，右岸平洞長210m，為3.0m×3.5m(寬×高)城門洞型斷面，洞口底板高程與壩頂高程同高，為2046.00m，底坡i=1/250，防滲帷幕為雙排孔，孔距為2m，排距為1.2m。左、右岸平洞均采用厚30cm的C25鋼筋混凝土襯砌。

4 滲透穩(wěn)定性分析

4.1 分析方法與原理

采用理正巖土計(jì)算6.0版軟件中的滲流分析軟件進(jìn)行壩體滲流計(jì)算。

4.2 滲流計(jì)算工況分析

根據(jù)SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對以下幾種工況進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析：①上游正常蓄水位與下游相應(yīng)最低水位；②上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)水位；③上游校核洪水位與下游相應(yīng)水位。詳見表1。

表1 各組合對應(yīng)上下游水位表

4.3 計(jì)算參數(shù)選擇

壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)主要有壩體堆石料、反濾料、黏土及壩基巖石，各筑壩材料及壩基滲透系數(shù)見表2。

表2 筑壩料及壩基滲透系數(shù)表

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

各特征水位大壩滲流等值線圖如圖1—4所示。

圖1 校核洪水位滲流等值線圖

圖2 設(shè)計(jì)洪水位滲流等值線圖

圖3 正常蓄水位滲流等值線圖

圖4 死水位滲流等值線圖

滲流計(jì)算成果見表3。

表3 大壩滲流計(jì)算成果表

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在各種工況下，黏土心墻出逸比降均大于允許比降，需設(shè)置反濾；下游坡壩殼料出逸比降均為零，小于允許出逸比降，大壩滲流穩(wěn)定安全。

當(dāng)正常蓄水位為2042.50m時(shí)，壩基進(jìn)行帷幕灌漿后，壩體、壩基單寬滲流量為8.1m3/d，年滲漏總量為73.02萬m3，僅占多年平均來水量3398萬m3的2.15%，不會(huì)影響水庫的正常蓄水，帷幕灌漿防滲處理效果良好。

5 結(jié)語

(1)應(yīng)用帷幕灌漿技術(shù)處理壩基，對降低繞壩滲漏及壩基滲漏，減少壩基揚(yáng)壓力有著至關(guān)重要作用，帷幕灌漿底界及邊界的確定，直接影響壩基處理效果。選擇合理的帷幕灌漿底界及邊界，既達(dá)到壩基處理的目的，又可節(jié)約投資；既追求使用功能，又考慮綜合經(jīng)濟(jì)效益，以達(dá)到最佳效果。因此在施工過程中必須認(rèn)真做好先導(dǎo)孔及各灌漿孔的壓水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)帷幕底界，使得局部孔灌前壓水試驗(yàn)檢測至設(shè)計(jì)灌漿底界達(dá)到灌前透水率q≤5Lu的標(biāo)準(zhǔn)。

(2)帷幕灌漿孔分為灌漿段與非灌漿段，在降低左、右岸繞壩滲流的帷幕灌漿孔中，往往為了減少非灌漿段的長度，設(shè)置帷幕灌漿平洞，帷幕灌漿在平洞中進(jìn)行。帷幕灌漿平洞的尺寸設(shè)置，應(yīng)綜合考慮平洞襯砌厚度、帷幕灌漿孔上下游排數(shù)、排距、施工設(shè)備等因素的影響，設(shè)置合理的斷面尺寸。

(3)在帷幕灌漿施工前，灌漿區(qū)鄰近一定范圍內(nèi)勘探平洞的封堵及回填灌漿、勘探鉆孔、斷(夾)層等地質(zhì)缺陷的開挖、清理、混凝土回填、固結(jié)灌漿以及灌漿平洞的開挖、混凝土襯砌、回填灌漿等工作應(yīng)完成并檢查合格。

(4)為了監(jiān)測灌漿施工過程中蓋重的變形值，將蓋重抬動(dòng)變形值控制在合理范圍內(nèi)，沿防滲帷幕軸線方向布設(shè)抬動(dòng)監(jiān)測孔。抬動(dòng)變形允許值：壓水≤200μm，灌漿<200μm；累計(jì)變形值不得超過2mm。

(5)帷幕灌漿在施工前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)[4]。生產(chǎn)灌漿工藝、主要施工參數(shù)、灌漿壓力、漿液配比等應(yīng)通過生產(chǎn)性試驗(yàn)成果確定。