某電站沖砂閘基礎(chǔ)處理研究及實(shí)施

李 永 清， 林 森

(1.四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 610072；2.四川圣達(dá)水電開發(fā)有限公司，四川 樂山 614900)

1 概 況

某大Ⅱ型壩后式水電站，其閘壩建基于深厚砂卵石覆蓋層(厚度達(dá)43 m)上，自2010年完工運(yùn)行以來，5孔沖砂閘持續(xù)沉降，其中1～2號(hào)閘孔單元沉降量超過了設(shè)計(jì)值，達(dá)到20 cm，導(dǎo)致1號(hào)弧門產(chǎn)生卡阻無法正常啟閉。

分析認(rèn)為，弧門卡阻的主要原因是在施工期間基礎(chǔ)碾壓填筑過程中，部分填筑料級(jí)配和密實(shí)度控制不嚴(yán)，填筑后未預(yù)留足夠的沉降時(shí)間，同時(shí)，長(zhǎng)期地下滲流導(dǎo)致基礎(chǔ)砂卵石中細(xì)顆粒發(fā)生移動(dòng)，形成較大空隙，進(jìn)而出現(xiàn)基礎(chǔ)不均勻沉降所致。

為保證電站安全運(yùn)行，沖沙閘需采取截?cái)酀B流通道、充填砂卵石中空隙等措施進(jìn)行處理，避免基礎(chǔ)持續(xù)沉降。

2 沖砂閘情況分析

2.1 原設(shè)計(jì)

工程河段砂卵石覆蓋層最深達(dá)50 m，沖砂閘段位于廠房基坑邊坡開挖范圍內(nèi)。為適應(yīng)基礎(chǔ)沉降變形，結(jié)構(gòu)縫設(shè)置在閘墩中部，閘孔凈寬14 m，底板頂高程416.5 m。閘室底板前緣設(shè)長(zhǎng)15 m鋼筋混凝土鋪蓋，與其上游端砂卵石覆蓋層中厚1 m、深50 m的塑性混凝土防滲墻(嵌入基巖1 m)連接，結(jié)構(gòu)縫分別通過橡膠止水、銅片止水、瀝青井等與其他閘室、廠房連接，形成封閉的防滲系統(tǒng)。

閘基碾壓填筑要求為：干密度≥2.32 g/cm3，粒徑<5 mm的含量≤20%，粒徑<0.075 mm含量≤5%，最大粒徑≤500 mm，且級(jí)配連續(xù)，相對(duì)密度0.78～0.88。

塑性混凝土防滲墻[1]要求為：厚度1 m，28 d抗壓強(qiáng)度≥5 MPa，抗折強(qiáng)度≥1.5 MPa，彈性模量≤3 600 MPa，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W8，滲透系數(shù)k≤i×10-7cm/s，允許滲透坡降≥80，拉應(yīng)力≤0.2～0.3 MPa。

2.1.1 地基設(shè)計(jì)計(jì)算沉降量

沉降量理論上為自重應(yīng)力下的沉降量與建閘后的附加應(yīng)力下的沉降量之和。計(jì)算將整個(gè)填筑體分為10層，按分層總和法計(jì)算。經(jīng)計(jì)算閘基最大沉降量<12 cm，相鄰部位最大沉降差約1 cm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.1.2 不同工況及不同防滲方案下的地基滲流分析

運(yùn)用IGW軟件對(duì)閘基滲流場(chǎng)、滲透坡降、滲流量等問題對(duì)應(yīng)不同運(yùn)行工況、不同防滲方案分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，各工況下閘壩段基礎(chǔ)滲流量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各工況下閘壩段基礎(chǔ)滲流量計(jì)算結(jié)果

從表1可知，對(duì)基礎(chǔ)不進(jìn)行任何防滲措施，其總滲流量在校核工況時(shí)可達(dá)0.36 m3/s，為枯期來水量(400 m3/s)的0.09%。采用防滲墻和灌漿帷幕時(shí)，滲流量大幅度減小，最大僅為0.02 m3/s；僅設(shè)防滲墻時(shí)，滲流量較防滲墻+灌漿帷幕方案增加約0.24%。

2.1.3 防滲墻及砂卵石基礎(chǔ)的三維有限元復(fù)核

根據(jù)工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單位委托第三方采用不同軟件，對(duì)設(shè)計(jì)方案再次進(jìn)行了復(fù)核，地基、防滲墻、壩體材料采用各向同性本構(gòu)模型，塑性防滲墻兩側(cè)泥皮單元采用橫觀各向同性本構(gòu)模型。依據(jù)地層界限及開挖結(jié)構(gòu)線進(jìn)行離散，一般結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)六面體等參單元，防滲墻上下游側(cè)泥皮、閘壩結(jié)構(gòu)分縫等采用有厚度的薄層單元。

通過計(jì)算可知：防滲墻深入基巖形成完整的防滲體系，墻前后水頭差約14 m，折減83.5%，效果顯著。最大滲透比降砂卵石為0.09、基巖為2.10、防滲墻為5～9.5，均滿足各區(qū)域材料允許滲透比降。

防滲墻沉降量隨高程增加而增加，其中完建工況極值為2.2 cm，正常運(yùn)行工況為2.7 cm。水平位移完建工況主要受閘壩自重所導(dǎo)致的地基變形控制，中下部向上游側(cè)變形，極值為1.15 cm，墻頂受上游水平鋪蓋的影響略向下游變形；運(yùn)行工況作用于墻體的滲透荷載使其整體向下游變位，在407 m高程處最大位移為2.1 cm。

各工況墻體主應(yīng)力總體呈壓應(yīng)力狀態(tài)，且小于允許值，覆蓋層/基巖交接面處出現(xiàn)極值-0.02 MPa拉應(yīng)力，未超過允許值。

綜上所述，防滲墻起到了很好的防滲作用，墻體應(yīng)力變形處于合理范圍內(nèi)，地基滲透穩(wěn)定性與墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 閘基砂卵石填筑及防滲墻施工

沖砂閘段基礎(chǔ)填筑施工時(shí)段為2007年8月～2008年2月，本段由于原河床砂卵石覆蓋層隨廠房深基坑邊坡的施工被開挖成臺(tái)階狀，因此，基礎(chǔ)利用現(xiàn)場(chǎng)開挖的砂卵石料、回采渣場(chǎng)砂卵石料回填碾壓處理，碾壓機(jī)具QX520B(20t)振動(dòng)碾，碾壓8～11遍。經(jīng)對(duì)填筑砂卵石層取樣試驗(yàn)表明，其小于5 mm含量為20.4～23.7%，小于0.075 mm含量為3.3～5.0%，為級(jí)配不良礫，但級(jí)配連續(xù)，具低壓縮性和較高的抗剪強(qiáng)度，填筑料基本滿足設(shè)計(jì)要求，但局部存在填筑料分離、粒徑超標(biāo)等情況，且填筑砂卵石層后未預(yù)留自然沉降固結(jié)時(shí)間，于次月開始閘室混凝土澆筑。

防滲墻于2008年5月16日開工，采用YKC振沖鉆機(jī)，一般5 m一個(gè)槽段，槽段間隔施工。

2.3 沖砂閘運(yùn)行及監(jiān)測(cè)

2011年汛期，沖砂閘1號(hào)弧門發(fā)生卡阻，當(dāng)閘門開度至0.5 m時(shí)，無法繼續(xù)開啟，控制屏顯示閘門左右側(cè)偏差超過了20 mm，使用手動(dòng)操作也無法糾偏。

截至2011年底，1號(hào)閘疊加建立初始值前累計(jì)沉降量最大達(dá)174 mm，大于設(shè)計(jì)值；閘室單元內(nèi)不均勻沉降值最大51 mm。通過監(jiān)測(cè)可知，變形在初始階段較大，隨著時(shí)間推移呈逐漸減小趨勢(shì)但并未收斂。

通過滲壓監(jiān)測(cè)可知，高填方區(qū)的沖砂閘測(cè)壓管滲壓普遍偏大，表明高填方區(qū)基礎(chǔ)變形造成該區(qū)域防滲系統(tǒng)存在薄弱部位。

2011年8月，業(yè)主委托專業(yè)人員對(duì)沖砂閘右邊墩與廠房左邊墩結(jié)構(gòu)縫面進(jìn)行水下探摸，發(fā)現(xiàn)沖砂閘右邊墩在結(jié)構(gòu)縫部位下游比上游低5 cm，縫寬底部大于頂部，頂部寬僅0.5 cm，小于設(shè)計(jì)值2 cm。

閘室上游砂卵石河床低于混凝土鋪蓋40 cm左右，同樣判定該部位存在滲漏通道，在水頭差的作用下部分細(xì)顆粒被移動(dòng)。

3 基礎(chǔ)沉降原因

根據(jù)前面情況分析，基礎(chǔ)不均勻沉降主要原因?yàn)椋?1)基礎(chǔ)碾壓填筑過程控制存在薄弱環(huán)節(jié)，部分填筑料級(jí)配和密實(shí)度控制不嚴(yán)；(2)碾壓填筑施工期短，未預(yù)留足夠的沉降時(shí)間；(3)長(zhǎng)期地下滲流導(dǎo)致基礎(chǔ)砂卵石中細(xì)顆粒發(fā)生移動(dòng)，形成加大孔隙。

若要避免基礎(chǔ)繼續(xù)沉降，則需要截?cái)嗷A(chǔ)滲流通道或者延長(zhǎng)滲徑，填充砂卵石中孔隙，封閉細(xì)顆粒移動(dòng)通道。

4 基礎(chǔ)灌漿處理

4.1 設(shè)計(jì)方案

砂卵石覆蓋層固結(jié)灌漿，目前施工工藝盡管很成熟，但由于其灌漿壓力較大，施工過程中會(huì)對(duì)閘室有一定的抬動(dòng)作用[2]，另一方面，其針對(duì)砂卵石孔隙沒有充填灌漿效果明顯，因此設(shè)計(jì)推薦采用充填灌漿[3]。

為了不影響施工期電站正常發(fā)電，灌漿僅布置在檢修門門葉下游閘室底板部位，孔排距3×3 m，及下游消力池上段布置兩排，孔排距2×2 m。灌漿深度至原廠房深基坑開挖底界。考慮到閘室檢修門上游位于水下，無法垂直灌漿，因此，在樁號(hào)0+010.60 m處布置三排斜孔灌漿，角度分別為：15°、30°、45°。

4.2 方案實(shí)施

基礎(chǔ)處理施工于2013年3月19日開始，5月29日完成。采用最新研發(fā)并成功實(shí)施的“預(yù)設(shè)花管膜袋式分段阻塞灌漿法”工藝。該工藝一鉆到底、自下而上連續(xù)灌漿，與傳統(tǒng)“套管法”相比，省去了灌注填料、填料待凝等復(fù)雜程序，操作性強(qiáng)、安全可靠、成孔精度高、灌漿故障率低、施工工效高[4]。

4.3 質(zhì)量檢查

每個(gè)灌漿單元施工結(jié)束后，按規(guī)定時(shí)間分別進(jìn)行質(zhì)量檢查，以鉆孔壓水及聲波檢查為主，并結(jié)合取芯等資料綜合評(píng)定。

4.3.1 壓水試驗(yàn)

灌漿處理后滲透系數(shù)最小6.73×10-5cm/s，最大9.91×10-4cm/s。其中小于5×10-4cm/s的孔段占66.67%～88.89%，且均小于1×10-3cm/s。經(jīng)換算，基本滿足設(shè)計(jì)灌漿要求。

4.3.2 聲波檢查

波速灌前最大值2.0 km/s，平均值1.7 km/s，灌后最大值2.25 km/s，平均值1.95 km/s，波速提高率為17.63%，總體提高明顯，高于設(shè)計(jì)要求值15%。

4.3.3 取芯檢查

JC-3巖芯水泥膠結(jié)質(zhì)量良好，水泥漿脈清晰可見，取芯效果較好。其余檢查孔巖芯雖有水泥結(jié)石，但大部分卵石沒有膠結(jié)在一起，取芯效果相對(duì)較差。但總體可以看出，水泥漿液對(duì)改善地層條件有一定效果。

5 灌漿后運(yùn)行監(jiān)測(cè)

5.1 變形監(jiān)測(cè)

沖沙閘LS37、LS38等測(cè)點(diǎn)(布置于1、2號(hào)閘室)在灌漿施工期間垂直位移出現(xiàn)突變，最大約4 cm。過后其沉降變形仍在繼續(xù)，沉降速率與處理前基本一致，并沒有出現(xiàn)明顯的收斂跡象。另外布置于本部位防滲墻體內(nèi)的變形、應(yīng)變等儀器的測(cè)值也出現(xiàn)了一定的異常變化。沖砂閘永久垂直位移過程線見圖1。

圖1 沖砂閘永久垂直位移過程線

5.2 再次水下探摸

結(jié)合實(shí)際情況，專業(yè)人員于2014年6月再次進(jìn)行水下探摸，發(fā)現(xiàn)1號(hào)閘室底板與壩前鋪蓋連接縫處有明顯滲漏，且河床局部出現(xiàn)類似于漏斗狀的塌陷區(qū)，其中心形成直徑約15 cm的漏水孔，塌陷區(qū)最大深度達(dá)1.83 m；結(jié)合其他部位多個(gè)滲漏點(diǎn)分析，防滲墻存在滲漏通道。

5.3 下游消力池及海漫涌水

2014年初，運(yùn)行單位發(fā)現(xiàn)下游消力池及海漫局部出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水點(diǎn)主要位于Ⅱ級(jí)消力池中的兩處排水孔、四條結(jié)構(gòu)縫(三條豎向縫，一條橫向縫)，盡管總涌水量較小，但在水淺流速低的部位，明顯看到有細(xì)砂被帶出，堆積厚度約3 cm，充填灌漿后沒有明顯變化。

為了進(jìn)一步查明滲漏及變形，先后采取了聲納滲流檢測(cè)、水下機(jī)器人高清攝像示蹤、連通性示蹤試驗(yàn)等手段，均不同程度反映了存在滲漏通道。

根據(jù)以上判斷，對(duì)基礎(chǔ)僅充填灌漿還不能從根本上解決問題，而且由于基礎(chǔ)鉆孔減壓造成短期內(nèi)沉降明顯加大，可能對(duì)閘室止水造成進(jìn)一步的局部拉裂，加大了滲漏和變形。同時(shí)根據(jù)再次摸排查明的情況判定，防滲墻轉(zhuǎn)彎點(diǎn)存在集中滲水通道(其前緣塌陷區(qū)位于轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，亦為YKC墻體槽段搭接施工的難點(diǎn))，必須對(duì)防滲墻進(jìn)行加強(qiáng)處理。

6 防滲墻處理

6.1 設(shè)計(jì)方案

方案應(yīng)避免對(duì)原有防滲體系和地基造成不良影響甚至破壞。設(shè)計(jì)初步擬定了五個(gè)方案：

(1)緊鄰原防滲墻上游增設(shè)塑性混凝土防滲墻；

(2)距離原防滲墻上游6 m增設(shè)防滲墻；

(3)在原混凝土防滲墻軸線上鉆孔灌漿；

(4)閘室底板上游側(cè)齒槽部位增設(shè)四排帷幕灌漿；

(5)緊鄰原防滲墻上游增設(shè)四排帷幕灌漿[5]。

經(jīng)論證推薦方案(5)，設(shè)計(jì)孔排距1.0×0.8 m，梅花型布置。灌漿穿過巖溶角礫巖，深入泥質(zhì)白云巖1 m，最大深度約69 m。設(shè)計(jì)砂卵石層帷幕灌漿要求<1×10-4cm/s，基巖層帷幕灌漿要求<10 Lu。

6.2 方案實(shí)施

為了不影響機(jī)組出力，保證施工期庫內(nèi)常水位運(yùn)行，借鑒海上鉆井，提出了在鋼結(jié)構(gòu)灌漿平臺(tái)上進(jìn)行灌漿作業(yè)方式。平臺(tái)工作面比正常蓄水位高1.5 m。鋼平臺(tái)總重量約365 T，從場(chǎng)外設(shè)計(jì)、制作到現(xiàn)場(chǎng)具備灌漿條件，工期46 d，于2014年12月18日開始加工，次年3月2日完成安裝。鋼平臺(tái)橫剖面圖見圖2。

圖2 鋼平臺(tái)橫剖面圖

帷幕灌漿于2015年3月4日開工，至7月23日灌漿工程全部完成，11月25日檢查孔全部完成。耗漿量最大為下游排Ⅰ序孔，覆蓋層最大單耗3 576.47 kg/m，基巖最大單耗4 373.33 kg/m。隨灌序的遞增，單位注入量呈明顯遞減規(guī)律，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減50.4%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減54.2%。

6.3 質(zhì)量檢測(cè)及監(jiān)測(cè)

灌漿完成后進(jìn)行了檢查孔的壓水和注水試驗(yàn)，合格率100%。

灌漿期間，施工單位在閘室下游設(shè)置一量水堰，隨著灌漿的推進(jìn)，測(cè)得量水堰水位明顯下降，相應(yīng)滲漏量減少，當(dāng)然量水堰水位與庫水位也有一定規(guī)律的聯(lián)系。

灌漿過程中，施工單位對(duì)下游消力池部位冒水點(diǎn)進(jìn)行了觀測(cè)、拍照和錄像，對(duì)比發(fā)現(xiàn)灌漿后滲水量明顯減少。2015年2月24日，施工現(xiàn)場(chǎng)第一次發(fā)現(xiàn)消力池部位出現(xiàn)白色漿體，25日有關(guān)方使用抽筒聯(lián)合對(duì)白色漿體進(jìn)行了取樣，經(jīng)確認(rèn)為水泥漿液結(jié)石，是某些孔段灌漿后冒出的漿液，可以判定存在較大滲漏通道。后通過待凝、摻外加劑等措施，隨著灌漿的繼續(xù)，冒漿逐漸減少直至消失。

帷幕灌漿后，沖砂閘沉降明顯減速。截至2021年底工程已安全運(yùn)行6年有余。

7 結(jié) 語

經(jīng)過兩次加固處理，終于解決了工程所存在的問題，消除了隱患。

本工程沉降滲漏處理，從收集資料、分析原因、提出處理方案、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施等過程前后耗時(shí)約五年，是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過程，兩次處理共耗資約6 000余萬元。若帷幕灌漿和充填灌漿同時(shí)實(shí)施，應(yīng)會(huì)達(dá)到更好的處理效果。

在水利水電工程建設(shè)中，質(zhì)量安全尤為重要，若出現(xiàn)潰壩后果難以設(shè)想。通過此項(xiàng)目的實(shí)施，可以看到對(duì)于深厚覆蓋層基礎(chǔ)、高填方基礎(chǔ)、特別是軟弱且不均勻基礎(chǔ)，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理、保證合理工期、預(yù)留充分的自然沉降固結(jié)時(shí)間，才能有效提高工程質(zhì)量。