蓮花臺水電站工程壩基帷幕灌漿設計

劉興華，白朝偉，喬 白

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

丹江是漢江的一級支流，蓮花臺水電站為丹江干流在陜西省商南縣境內的第二個梯級水電站。工程開發(fā)任務以發(fā)電為主。水庫總庫容為9 985萬 m3，電站裝機容量40 MW。本工程等別為中型Ⅲ等工程。樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、泄洪壩段、泄洪排沙孔、右岸壩后廠房組成。壩頂高程297.20 m，最大壩高70.20 m。

壩體上游側設置234 m、262 m、297.2 m高程三層帷幕灌漿廊道(兼交通排水廊道)。灌漿平洞為城門型斷面，廊道斷面為3.0 m×3.5 m；262.00 m高程廊道左端灌漿平洞長17.3 m，右端灌漿平洞長63.5 m；297.20 m高程廊道左壩肩灌漿平洞長為35 m，右壩頂灌漿平洞長為80 m。

2 地質條件

工程區(qū)地質構造單元屬華北準地臺秦嶺元臺隆褶帶南側元古拱褶束，庫區(qū)屬禮縣—柞水華里西褶皺帶，壩址區(qū)屬白水江—白河褶皺帶。庫區(qū)內發(fā)育一系列走向NWW—EW向的區(qū)域性斷裂。壩址河床中部發(fā)育次級區(qū)域斷裂F31，破碎帶寬5～6 m，破碎帶由灰黑色糜棱巖、碎裂巖組成，帶內強風化，中等透水性，透水率q=30～70 Lu。上盤影響帶寬10～15 m，下盤6～8 m，受斷裂影響，兩側巖體完整性差或較差。河床基巖透水性差異較大：強風化、卸荷帶、斷層破碎帶及影響帶以中等透水為主(q=10～100 Lu)，微風化片巖和弱～微風化白云質灰?guī)r及灰?guī)r以弱透水為主(溶洞除外)。透水率q<3 Lu的巖體頂板一般埋深60～70 m，但斷層F31破碎帶及影響帶q<3 Lu的巖體頂板埋深大于100 m。斷層F31兩側及右半部巖溶較發(fā)育，以溶隙、溶孔和少量溶洞為主，在高程189～221 m間，巖溶較發(fā)育，洞高1.7～7.8 m，最大10.6 m，多數充填褐紅色粘土夾碎石，較密實，透水率10.2～61.5 Lu，為中等透水性。

左岸及F31斷層上盤巖性(Zayl-Is)為鈉長石綠泥石正片巖，片巖巖層走向為NE15°～30°，傾向SE(傾向左岸偏下游)，傾角35°～70°，表層傾角較緩。左岸發(fā)育三條層間斷層F1～F3，其中F1、F3寬10～40 cm，F2寬2～3 cm，破碎帶以碎裂巖為主，上下盤面連續(xù)分布2～3 mm厚的灰黑色斷層泥，斷層附近層面及裂隙面普遍滲水，且夾泥膜。左岸壩基以鈉長石綠泥石正片巖為主，巖體強～弱風化，層間斷層較發(fā)育。左岸壩肩巖體以弱透水(q=1～10 Lu)為主，透水率q<3 Lu的巖體頂板埋深為55～60 m。由于層間斷層較發(fā)育，巖體較破碎，透水性中等(q=10～100 Lu)。

右岸及F31斷層下盤巖性(Zbdn)為白云質灰?guī)r及灰?guī)r，白云質灰?guī)r及灰?guī)r走向NW345°～NE10°，傾向NE或SE(總體傾向左岸偏下游)，傾角60°～65°。總體，地形上陡下緩。地下水埋深34～52 m，為裂隙性潛水，水力坡降為13%～16%。局部在溶隙和溶孔有少量巖溶水滲出。右岸邊坡發(fā)育2條層間斷層(F4、F5)和三條層間擠壓帶(J1～J3)。斷層破碎帶寬8～20 cm，破碎帶由碎裂巖夾斷層泥組成，走向NW345°～350°NE∠70°～80°。

圖1 帷幕軸線水文地質剖面圖

3 壩基帷幕設計

3.1 防滲帷幕設計要求

減小壩基和繞壩滲漏；防止在壩基軟弱結構面、斷層破碎帶、巖體裂隙充填物以及抗?jié)B性能差的巖層中產生滲透破壞；防止慘漏水流對壩基及兩岸邊坡穩(wěn)定產生不利影響；在帷幕和壩基排水的共同作用下，使壩基揚壓力和壩基滲漏量控制至允許值以內；具有連續(xù)性和足夠的耐久性[1]。

3.2 防滲帷幕設計標準

根據《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319-2018)規(guī)定要求[1]：

(1)壩基下存在可靠的相對隔水層，且埋深較淺的，防慘帷幕應伸入到該巖層內3～5 m，形成封閉式帷幕。壩高在50～100 m之間，透水率q為3～5 Lu。

(2)壩基下相對隔水層埋藏較深或分布無規(guī)律的，可設置懸掛式帷幕。帷幕深度應符合3.1條的規(guī)定，并參照滲流計算，考慮工程地質條件和壩基揚壓力等因素，結合工程經驗研究確定，非巖溶地區(qū)可在0.3～0.7倍水頭范圍內選擇。

(3)巖溶地區(qū)灌漿帷幕深度應根據相對隔水層的埋深、壩高、壩基及兩岸允許的滲漏量及幕后揚壓力等因素在保證大壩安全的前提下，通過技術經濟比較選定。

根據壩區(qū)工程地質、水文地質和灌漿試驗資料，結合水庫功能和壩高,綜合考慮防滲和排水的相互作用，進行帷幕灌漿孔和排水孔的布設。

本工程壩基下相對隔水層埋藏較深、分布無規(guī)律。壩址河床中部斷層F31順河展布，兩側巖溶較發(fā)育，透水中等。經綜合分析采用懸掛式帷幕。帷幕深度按1.5倍壩高控制。防滲帷幕的軸線方向和延伸長度標準：左岸壩頂廊道深度及帷幕軸線延伸長度按正常蓄水位與地下水位相交處控制；右岸壩頂廊道深度及帷幕軸線延伸長度按一倍壩高進行控制。

3.3 防滲帷幕及排水孔布置

壩基灌漿帷幕中心線距壩上游面6.50 m，鉆孔傾向上游2°～3°，沿帷幕灌漿廊道布置。防滲帷幕采用主副兩排布置，排距0.8 m，孔距2.0 m。在斷層部位局部加強設置3排。最大孔深(深入基巖)約100.00 m。

排水孔布設在帷幕中心線下游側1.5 m處，鉆孔傾向下游5°，沿帷幕灌漿廊道布置。排水孔布置一排，孔距3.0 m，孔深為帷幕深度的0.4倍。在F31斷層范圍內孔內設反濾層。滲水經排水孔排入廊道，再通過廊道匯集到壩內滲漏集水井排至下游。

圖2 壩基防滲帷幕布置圖

3.4 灌漿方法及次序

灌漿方法：主、副帷幕灌漿采用孔口封閉、自上而下分段灌漿；搭接帷幕采用自上而下(自孔口至孔底)分段卡塞灌漿法[2]。

灌漿次序：帷幕灌漿孔應先施工下游排，后施工上游排，各排孔分三個灌漿次序逐漸加密的原則施工。搭接帷幕按環(huán)間分序、環(huán)內加密的原則進行，環(huán)間分三個次序、環(huán)內分兩個次序施工[2]。

3.5 漿段長及壓力

主、副帷幕水泥灌漿分段長度及壓力見表1。

3.6 灌注材料及水灰比

(1)3.5.1 非巖溶區(qū)：采用普通水泥漿液或水泥砂漿

(2)巖溶區(qū)：當灌前壓水試驗透水率大于200 Lu時，灌注可控自密實水泥漿液或自密實砂漿，必要時也可灌注自密實細石混凝土(最大骨料粒徑小于10 mm)。

表1 主、副帷幕灌漿灌漿壓力表

3.7 灌漿結束標準

在設計規(guī)定的最大灌漿壓力下，必須同時滿足：

(1)在最大設計壓力下持續(xù)灌注歷時不小于60 min；

(2)在設計最大壓力下，當注入率小于1.0 L/min后，再繼續(xù)灌注60 min結束。

3.8 質量檢查評定標準

帷幕合格標準為：檢查孔透水率小于5 Lu。

經檢查孔壓水試驗檢查，壩體混凝土與巖石接觸段的透水率的合格率為100%；其余孔段的合格率不小于90%，不合格試段的透水率不超過7.5 Lu，且分布不集中，灌漿質量可評為合格。

4 施工過程及效果評價

帷幕灌漿施工過程中基本按設計要求施工。在對巖溶區(qū)灌漿吃漿量相對較大的壩段，現場結合實際情況等，未采用自密實水泥砂漿或自密實砂漿，采取了常規(guī)的水泥砂漿(水泥)加速凝劑及灌漿過程工藝控制等措施減少灌漿吃漿量，也取得了較好的成效。

本工程常規(guī)帷幕灌漿分21個單元工程。根據灌漿量數據成果分析，最大單位耗灰量1 278 kg/m，平均單位耗灰量202.2 kg/m[3]。帷幕灌漿灌后壓水試驗檢查透水率均小于5 Lu。帷幕灌漿灌后檢查孔壓水試驗檢查結果全部滿足設計要求，灌漿質量合格。

5 結語

針對蓮花臺水電站工程巖溶較發(fā)育的實際情況，對壩基以下巖溶結合帷幕灌漿過程同步處理。該措施大大減小了巖溶滲漏幾率，節(jié)省了施工成本上，是針對弱巖溶地層防滲處理的有效工程措施，可為其他類似巖溶化地層防滲帷幕設計、施工提供借鑒。