羅保才 孫剛 王世鋒
摘要:為解決盤石頭水庫右岸單薄山體在水頭高、滲漏強、流速大等特點下的滲漏問題,采用勘察、試驗、理論分析及實踐結(jié)合的方法,查明了水庫的地質(zhì)條件和滲漏原因。對山體滲透程度進(jìn)行了分級,推導(dǎo)了防滲帷幕的滲漏底界邊線,合理地設(shè)置了防滲幕體位置。通過生產(chǎn)性灌漿試驗,優(yōu)化了部分灌漿工藝和參數(shù),采用綜合壓力法及復(fù)合濃漿法進(jìn)行灌漿,保證了單薄巖體的穩(wěn)定和水庫在高水頭壓力作用下流速大、漏水、漏漿嚴(yán)重段的灌漿問題,使得設(shè)計封閉式帷幕能夠成功地閉合,有效地解決了盤石頭水庫的滲漏問題,保證了泄洪洞的安全運行及水庫社會效益和經(jīng)濟效益的發(fā)揮。
關(guān)鍵詞:滲漏;地質(zhì)構(gòu)造;防滲帷幕;生產(chǎn)性試驗;綜合壓力;復(fù)合濃漿
中圖分類號:TV221.2;TV 23.4+3
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
doi: 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.026
1 工程設(shè)計及滲漏概況
盤石頭水庫是衛(wèi)河支流淇河中游的一座大型水利樞紐工程,位于鶴壁市大河澗鄉(xiāng)盤石頭村南,正常蓄水位254.0 m,100 a-遇設(shè)計洪水位270.7 m.2 000 a-遇校核洪水位275.0 m.總庫容6.08億m3,主要由壩體、非常溢洪道、泄洪洞、輸水洞及電站等建筑物構(gòu)成。壩體為混凝土面板堆石壩,長約606 m,壩高102.2 m。
右岸雞冠山中布置兩條城門洞形無壓泄洪洞,其中:1號洞全長453 m.底流消能,軸線方位角90°58′54″,洞身寬7.00 m、高9.26 m,進(jìn)口高程215.00 m,出口高程192.75 m;2號洞(兼導(dǎo)流)全長497 m.軸線方位角81°00′26″,洞身寬7.00 m、高9.76 m,進(jìn)口高程187.10m,出口高程178.37 m.兩洞軸線夾角9.99°[ 1-3]。
水庫自2007年6月底下閘蓄水以來,隨著庫水位的上升,右岸單薄山體(右壩頭-F7段)滲漏問題一直比較突出,主要表現(xiàn)為兩條泄洪洞內(nèi)漏水量較大,其與壩基滲漏情況統(tǒng)計見表1。
右岸單薄山體滲漏量占水庫總滲漏量的71% -76%,是水庫滲漏的重點部位,其中85%- 91%的滲漏水是從兩泄洪洞中排出的。右岸山體滲漏問題不僅影響水庫防洪、供水等功能的正常發(fā)揮,而且嚴(yán)重威脅兩條泄洪洞的結(jié)構(gòu)安全。
2 山體滲漏特征
為查明右岸單薄山體的滲漏特征和原因,選擇有效的防滲處理措施,在右壩頭一F,斷層(樁號0+000-1+015)長約1 015 m的滲漏段山坡上,沿278 -264 m高程布置一排13個鉆孔,各孔按Sm段長分別采用三級壓力、5個階段的五點壓水法連續(xù)進(jìn)行壓水試驗,孔深按低于泄洪洞底板、進(jìn)入隔水層10 m且終孔段巖體透水率q<3 Lu控制,實際孔深為90-100 m。
通過對壓水試驗結(jié)果整理分析,繪制了壓水試驗的典型P-Q曲線(見圖1,其中P為試段壓力、Q為壓人流量).并對右岸山體滲透性進(jìn)行了分區(qū),提供了
3 Lu曲線位置。
由圖1可知.P-Q曲線類型屬D(沖蝕)型,表明在試驗壓力作用下裂隙狀態(tài)發(fā)生變化,巖體滲透性增強,這種變化是永久性且不可逆的:流量顯著增大且不能恢復(fù)原狀,多半是由巖石劈裂且與原有的裂隙相通或裂隙中的充填物被沖蝕、移動造成的。山體滲透性分區(qū)特征為:樁號0+000-0+540段高程215 m以上多為中等透水區(qū),其下為微一弱透水區(qū);樁號0+540-1+015段高程200 m以上基本為中等透水區(qū),其下為弱透水區(qū);F7斷層破碎帶及高程230 m以上兩側(cè)影響帶為強透水區(qū)[4-6]。
3 右岸單薄山體滲漏原因分析
右岸山體滲漏的最根本原因是地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,其次是受地形地貌、巖溶及人類活動等影響。
3.1 地質(zhì)構(gòu)造
地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為斷層和裂隙,其斜穿巖體形成張開度、延伸長度、充填及膠結(jié)程度不同的縫隙,把巖體切割成大小不一且不連續(xù)的塊狀結(jié)構(gòu)體,使巖體的完整性遭到破壞,構(gòu)成導(dǎo)水構(gòu)造,成為庫水的主要滲漏通道。
右岸單薄山體發(fā)育的斷層主要有19條,總體呈羽狀排列,走向一般為N30° - 40°E,傾向北西或南東,傾角一般為70° - 85°.較大角度斜穿山體,與壩軸線近平行。斷層規(guī)模一般不大,垂直斷距除F7斷層大于100m以外,其他斷層斷距為0.4 - 10.0 m。斷層破碎帶最寬20 m(F7),一般寬0.3 -2.0 m.破碎帶內(nèi)頁巖破碎未膠結(jié)、灰?guī)r角礫巖部分為鈣質(zhì)膠結(jié),且多有溶蝕現(xiàn)象。斷層影響帶內(nèi)一般裂隙、節(jié)理較發(fā)育,有較嚴(yán)重的風(fēng)化現(xiàn)象。
裂隙有構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙及風(fēng)化裂隙三種類型。構(gòu)造裂隙對滲漏起控制作用,主要發(fā)育兩組共軛裂隙,一組走向25° -40°.與場區(qū)主要斷層基本平行,另一組走向290° - 310°,均為高角度裂隙,發(fā)育密度1-3條/m。裂隙寬度頁巖中1-2 mm,灰?guī)r中5-10 mm,局部被溶蝕成溶縫,寬3~5 cm,一般無充填,局部充填巖屑、黏土。剪節(jié)理的裂隙面一般較平直光滑,且延伸較遠(yuǎn):張節(jié)理裂隙面一般粗糙不平,延伸長度一般較短[1]。
3.2 地形地貌
右岸山體屬低山侵蝕地形,呈北西向展布,被河道U形包裹,底部寬350 - 600 m,向上逐漸變窄變陡,山頂高出河床250 - 300 m。高程300 m以上山體呈高90~160 m的直立陡壁,由寒武系中統(tǒng)(∈:)灰?guī)r構(gòu)成,其下山體由寒武系下統(tǒng)( E1)灰、頁巖互層構(gòu)成陡緩不一的山坡,灰?guī)r處為直立陡坡,頁巖處形成坡角30°- 40°的陡坡,山坡上溝谷較發(fā)育,間隔一般40 - 60m。右岸山體總體單薄而滲徑短,加之坡上溝谷發(fā)育,使得山體滲徑變短,易造成庫水滲漏[1]。
3.3 巖溶
正常蓄水位254.0 m至洞底板高程178 m段內(nèi),山體由寒武系下統(tǒng)(∈1)互層狀的灰?guī)r、頁巖構(gòu)成,除El3層灰?guī)r厚度(厚10.8~ 34.3 m)較大外,其余各層灰?guī)r一般厚3-5 m,厚度較小?;?guī)r層中一般無較大溶洞,巖溶現(xiàn)象主要表現(xiàn)為沿斷層、裂隙、層面等構(gòu)造面發(fā)育的一些規(guī)模較小的溶洞及溶縫、溶槽、溶孔、溶隙等。溶蝕作用的發(fā)生、發(fā)展加大了已有斷層及裂隙規(guī)模,從而使山體滲透性增強[1]。
3.4 人類活動
右岸山體單薄,其內(nèi)開挖的兩條泄洪洞及洞壁密集布設(shè)的排水孔對庫水滲流路徑和邊界條件影響極大,洞身在縮短滲徑的同時成為無壓臨空面,形成滲透水流宣泄出口,沿斷層、裂隙及其他構(gòu)造面滲漏的庫水通過洞壁排水孔向洞內(nèi)排泄,洞身成為集水廊道。觀測分析表明,兩條泄洪洞滲漏量占右岸山體總滲漏量的85% - 91%,可見庫水主要是通過泄洪洞滲漏的,而泄洪洞及洞身排水孔均是由人類活動造成的,因此人類活動是水庫滲漏量大增的主要外因。
4 防滲處理措施及效果
根據(jù)對右岸單薄山體滲漏問題及滲漏特征的分析,設(shè)計采用封閉式防滲帷幕進(jìn)行防滲處理。防滲處理難點有兩個:一是如何選擇灌漿壓力以確保單薄巖體穩(wěn)定;二是在現(xiàn)有庫水位的高水頭壓力作用下,如何解決流速大、漏水、漏漿嚴(yán)重段的灌漿問題。
4.1 帷幕布置
防滲帷幕起點位于右壩頭壩幕處(樁號0+000),向上游沿高程278 - 264 m道路布置,終點為穿越F2斷層帶后外延60 m處(樁號1+026),全長1 026 m。斷層帶及裂隙發(fā)育處布置3排帷幕,其余處布置2排帷幕,排距、孔距均為1.5 m。帷幕頂界:樁號0+000-0+450段按高出2 000 a-遇校核洪水位控制取275m,樁號0+450-1+026段按高出正常蓄水位6m控制取260 m。帷幕底界:E11,層頁巖頂面和3 Lu線(高程為170-208 m)視為弱透水區(qū)頂界,帷幕底界按進(jìn)入兩者深度大者頂界Sm控制,局部斷層帶3 Lu線未確定處按進(jìn)入主河槽基巖面平均高程以下10 m且進(jìn)入弱透水層控制[2-3]。
4.2 灌漿工藝與灌漿參數(shù)的確定
灌漿工程實施前,先選擇非斷層帶和斷層帶等典型地質(zhì)段按設(shè)計的灌漿參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗,以檢驗灌漿壓力及在水頭高、滲漏強、流速大等特點下設(shè)計灌漿工藝、材料、參數(shù)的可行性及機具設(shè)備的實用性,優(yōu)化灌漿工藝與參數(shù)。非斷層帶布置兩排帷幕孔,選擇4個試驗區(qū),分別按先上游排、后下游排及先下游排、后上游排的順序施工;斷層帶布置3排帷幕孔,選擇2個試驗區(qū),分別按先上游排、后下游排、最后中間排及先下游排、后上游排、最后中間排的順序施工。排距和孔距均為1.5 m,每排按先I序孔、后Ⅱ序孔、最后Ⅲ序孔的順序施工[4-6]。
單孔施工工藝為:測放孔位_鉆進(jìn)就位_孔口段鉆孔→孔口管鑲鑄→第一段鉆孔及洗孔→阻塞→壓水試驗→灌漿→第二段至終孔段分段鉆孔、阻塞、壓水、灌漿→封孔。灌漿方法采用“孔口封閉、自上而下分段循環(huán)式灌漿法”,封孔采用“全孔灌漿封孔法”,漿液采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.7:1.0、0.5:1.0等6個比級。
為保證山坡單薄巖體的穩(wěn)定,采用了綜合壓力法對各次序孔進(jìn)行灌漿,灌漿壓力見表2。
為解決高水頭作用下流速大、強漏水、漏漿段的堵漏問題,采用復(fù)合濃漿法進(jìn)行灌漿,即在壓水、灌漿不起壓段,以0.5:1.0漿液為基礎(chǔ),添加水玻璃、木屑、黃豆、砂等進(jìn)行灌漿。
其他條件一定時,灌漿參數(shù)、工藝的合理性及灌漿質(zhì)量的優(yōu)劣主要通過單位透水率和單位注灰量反映。非斷層帶一區(qū)(先上游后下游)、二區(qū)(先下游后上游)試驗結(jié)果較典型,其試驗結(jié)果統(tǒng)計見表3。
分析表3可知:①隨著灌漿次序的增加,一區(qū)和二區(qū)各次序孔的單位透水率和單位注灰量均逐次減小,符合一般灌漿規(guī)律,灌漿質(zhì)量滿足設(shè)計要求:②灌漿參數(shù)及灌漿工藝、灌漿材料、機具設(shè)備等可行性較好,可供后續(xù)工作采用;③施工順序上,先施工上游排、后下游排與先施工下游排、后上游排的效果差異不明顯,兩者均可采用。
生產(chǎn)性灌漿試驗結(jié)果表明,設(shè)計灌漿工藝及參數(shù)比較合理,采用的綜合壓力能夠保證單薄巖體的穩(wěn)定和灌漿質(zhì)量,復(fù)合灌漿法能夠較快速有效地解決高水頭壓力下流速大、滲漏性強段的封堵問題。優(yōu)化的灌漿工藝如下:①設(shè)計灌漿方法為孔口封閉、自上而下分段循環(huán)式灌漿法,將其中Ⅲ序孔優(yōu)化為綜合灌漿法,即上部采用自上而下分段灌漿法、下部采用自下而上分段灌漿法:②設(shè)計開灌水灰比為5:1,在局部壓水時無壓無回水的孔段優(yōu)化為采用1:1或0.5:1.0濃漿開灌;③在部分裂隙發(fā)育、難以結(jié)束灌漿的大漏量孔段,采用添加水玻璃、木屑、黃豆、砂等進(jìn)行特殊處理[7-10]。
4.3 防滲處理效果
對比1#、2#泄洪洞在防滲帷幕形成后滲漏量的變化情況,可直觀地反映防滲效果及防滲體形成情況。無防滲帷幕、庫水位235.0 m,1#泄洪洞最大滲漏量約為102 L/s、2#泄洪洞最大滲漏量約為64 L/s;帷幕形成后,同樣水位下,1#泄洪洞最大滲漏量約為7 L/s,2#泄洪洞最大滲漏量約為3 L/s,與前者相比,分別減小了約93%和95%,滲漏量減小非常顯著。這表明防滲處理效果非常明顯,說明幕體設(shè)置合理且封閉情況良好,能有效地截斷滲漏通道,阻止庫水滲漏。
5 結(jié)語
在查明水庫滲漏特征及原因的基礎(chǔ)上,合理地設(shè)置了防滲幕體的空間位置:通過生產(chǎn)性試驗優(yōu)化了灌漿工藝及參數(shù),選擇了合理的灌漿方案;采用綜合壓力法和復(fù)合濃漿法進(jìn)行灌漿,保證了單薄巖體的穩(wěn)定及水庫在高水頭壓力作用下流速大、漏水、漏漿嚴(yán)重段的灌漿問題,保證了泄洪洞的安全運行及水庫社會效益和經(jīng)濟效益的發(fā)揮。
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