水利水電工程中防滲帷幕布置原則與方法

王漢輝,鄒德兵,夏傳星,蘭榮蓉

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,湖北 武漢430010)

1 概 述

防滲帷幕一般定義[1]為:在大壩基巖中通過灌漿建造一道連續(xù)、完整、小于基巖滲透性、平面上呈條帶狀、立面上形似舞臺上帷幕的防滲結(jié)構(gòu)。

水利水電工程中,防滲工程成敗往往決定著工程是否能發(fā)揮預(yù)期效益。一方面取決于防滲工程的施工質(zhì)量,另一方面取決于防滲工程設(shè)計是否合理。由于防滲工程屬于隱蔽工程,質(zhì)量難于控制,一旦蓄水后出現(xiàn)大規(guī)模滲漏問題很難補救或補救代價巨大,進而使防滲工程成為制約蓄水發(fā)電的關(guān)鍵工程,同時在實際工程中,參建各方往往更關(guān)注大壩、廠房等主體建筑物的設(shè)計施工,而忽視了防滲工程。

筆者在總結(jié)以往工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,重點討論了防滲帷幕布置的原則與方法,供同行參考。

2 防滲帷幕布置原則

2.1 以水文地質(zhì)條件為前提

2.1.1 水文地質(zhì)條件勘察

查明壩址區(qū)工程水文條件是合理布置防滲帷幕的前提。防滲帷幕設(shè)計最基本最重要的地質(zhì)資料是帷幕線上的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)滲透剖面。前期地質(zhì)工作應(yīng)盡量全面、透徹,不僅應(yīng)查明影響大壩滲透穩(wěn)定的主要地質(zhì)缺陷和水文地質(zhì)條件,對于規(guī)模大的巖溶系統(tǒng)、斷層、破碎帶及裂隙還應(yīng)詳述其特性。此外,還應(yīng)查明壩址區(qū)隔水層、相對隔水層及含水層分布。合理的防滲帷幕線路布置方案應(yīng)盡量避開重大地質(zhì)缺陷,特別是大規(guī)模巖溶管道、順河向斷層等。

2.1.2 水庫封閉性論證

在查明壩址區(qū)水文地質(zhì)條件后,應(yīng)該對水庫封閉性進行論證。結(jié)合水庫地形條件、地下分水嶺、相鄰河谷、順河向斷層及巖溶系統(tǒng)分布、正常蓄水位等,對蓄水后各種可能滲漏通道和方式進行分析論證。合理的防滲線路必須確保蓄水后上游為封閉水庫,不會向下游或鄰谷滲漏。

2.1.3 隔水層選擇

從強度方面考慮[2],要求基巖堅硬完整,但堅硬完整巖體一般斷裂或巖溶發(fā)育,對防滲不利。從防滲方面考慮,頁巖、粘土巖為等隔水巖體較為有利,但巖石強度難于滿足建壩要求。因此,在建基巖體選定后,往往需要在壩軸線附近選擇合適的隔水層或相對隔水層作為防滲依托。

隔水層就是自身不透水的巖層,常見隔水巖層有粘土巖、頁巖、千枚巖、巖溶弱發(fā)育的灰?guī)r等。相對隔水層就是相對其它含水層而言不透水的巖層,一般與防滲設(shè)計標準有關(guān),通常將透水率q不大于設(shè)計標準的巖層稱為相對隔水層。值得注意的是,選擇隔水或相對隔水層作為防滲依托,還要結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、隔水層厚度等綜合考慮,被斷裂構(gòu)造錯斷或厚度太薄的隔水層不宜作為防滲依托。表1給出了國內(nèi)部分工程的防滲標準與隔水層選擇情況[3～7]。

表1 國內(nèi)部分大型水利水電工程的防滲標準與隔水層選擇

2.2 服從主體建筑物布置

防滲帷幕布置是壩址選擇的重要影響因素之一。壩址和壩軸線選擇時,應(yīng)重點考慮防滲方案的可行性和可靠性。一般情況下,防滲線路布置應(yīng)服從于主體建筑物布置。

2.2.1 大壩防滲要求

防滲帷幕在壩基的位置,應(yīng)依據(jù)大壩形式及基礎(chǔ)應(yīng)力狀況而定[1]。合理的防滲帷幕位置,既要防止因受拉而使帷幕斷裂失效,又應(yīng)使盡量多的壩基巖石及壩肩巖體都受到帷幕的保護。

重力壩設(shè)計一般遵循無拉應(yīng)力原則,壩基帷幕一般不會因受拉破壞,防滲帷幕應(yīng)盡可能靠近壩踵,以最大限度降低揚壓力,保護盡可能多壩基巖體。通常,帷幕中心線多設(shè)在距上游壩踵0.06～0.1倍壩前最大水深或0.1倍壩底寬度部位。

拱壩基礎(chǔ)底寬一般較小,上游壩踵允許出現(xiàn)一定拉應(yīng)力,帷幕應(yīng)設(shè)置在壓應(yīng)力區(qū)之內(nèi),以防帷幕受拉破壞。帷幕軸線盡量折向上游,以使大部分壩肩巖體處于帷幕保護下,有利于壩肩穩(wěn)定。

土壩和堆石壩帷幕位置主要根據(jù)壩內(nèi)防滲體位置而定,即帷幕必須與壩內(nèi)防滲體緊密相連。對于面板堆石壩,帷幕一般沿趾板中心線布置。

2.2.2 廠房防滲要求

廠房防滲要求與廠房布置型式有關(guān),當采用河床式時,廠房上游側(cè)帷幕布置要求同大壩主帷幕;當采用岸邊式或地下式時,主帷幕應(yīng)布置于廠房上游。當下游水位高于廠房底板高程時,應(yīng)布置防滲帷幕防止江水倒灌廠房;對于河床式,廠房下游應(yīng)設(shè)置封閉帷幕,對于岸邊式或地下式,應(yīng)沿岸邊設(shè)置臨江側(cè)帷幕。當山體內(nèi)地下水位較高時,地下廠房還應(yīng)設(shè)置靠山側(cè)帷幕。封閉帷幕、臨江側(cè)及靠山側(cè)帷幕均應(yīng)與主帷幕銜接形成防滲整體。

2.2.3 溢洪道防滲要求

對于土石壩,一般設(shè)置岸邊溢洪道泄洪,主帷幕在兩岸的延伸應(yīng)將溢洪道置于帷幕保護之下。防滲帷幕一般穿過溢洪道控制段,其在堰基位置與重力壩要求相似,應(yīng)盡量靠近上游堰踵。

2.3 帷幕線路盡量短

2.3.1 垂直巖層走向布置

當壩址區(qū)存在多層隔水層時,應(yīng)選擇使帷幕線路較短的隔水層作為防滲依托。為縮短帷幕線路,減少帷幕工程量,帷幕線路應(yīng)垂直巖層走向布置接至隔水層。

2.3.2 垂直地下洞室布置

帷幕線路可能穿越電站引水洞、導(dǎo)流洞、泄洪洞、放空洞等地下洞室。為確保洞室穩(wěn)定,其周邊一定范圍(5 m～10 m)內(nèi)的帷幕灌漿一般采用環(huán)向加密固結(jié)灌漿代替。但該范圍內(nèi)灌漿壓力一般小于正常區(qū)域灌漿壓力,可能影響帷幕質(zhì)量,因此該范圍灌漿面積應(yīng)該盡量小。而帷幕軸線垂直穿越上述地下洞室,所需洞內(nèi)灌漿帷幕面積最小。值得一提的是,帷幕線路與導(dǎo)流洞軸線應(yīng)盡量垂直或大角度相交,以減少導(dǎo)流洞后期封堵、帷幕灌漿的工期。

2.4 方便施工

為確保隱蔽工程質(zhì)量,防滲帷幕線路布置應(yīng)兼顧施工方便。應(yīng)使帷幕灌漿少利用壓漿板,多利用平洞中施工,這一方面可減少其它工作干擾,另一方面可充分利用上覆巖體壓重提高灌漿壓力從而提高灌漿質(zhì)量。帷幕越深,其鉆孔耗費的時間增加很多,且容易造成孔斜,因此,帷幕布置應(yīng)使帷幕深度盡量淺。此外,深巖溶管道可能需要反復(fù)間歇灌漿處理,應(yīng)盡量回避。

上述4個主要布置原則是相輔相成,辯證統(tǒng)一的。一般前兩者必須滿足,后兩者盡量滿足。

3 防滲帷幕布置方法

防滲帷幕線路布置包括防滲帷幕設(shè)計標準選擇、防滲帷幕平面布置及剖面布置等。

3.1 設(shè)計標準

防滲設(shè)計標準是指基巖灌漿后透水率,它不僅關(guān)系到大壩基巖的滲漏量與滲透穩(wěn)定,而且決定帷幕灌漿工程造價的高低,一般根據(jù)水工建筑物類型、規(guī)模、基巖地質(zhì)條件、允許滲漏量及工程重要性等因素,依據(jù)設(shè)計規(guī)范等確定。國內(nèi)主要水工建筑物規(guī)范規(guī)定的防滲設(shè)計標準見表2。

此外,也可根據(jù)各部位承受水頭、重要性程度的不同而采用兩種或多種防滲標準,如河床段、近岸段帷幕與遠岸山體段帷幕可采取不同的防滲設(shè)計標準。

3.2 平面布置

平面布置應(yīng)根據(jù)兩岸地形條件、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件,按照可靠、經(jīng)濟、合理的原則對防滲線路平面布置進行比選。常見的帷幕線路平面布置可劃分為以下三種類型[8,9]。

(1)全接式帷幕:帷幕向山體內(nèi)延伸至隔水或相對隔水層。

(2)弱接式帷幕:帷幕向山體內(nèi)延伸至弱透水性巖層。

(3)地下水位式帷幕:帷幕向山體內(nèi)延伸至建壩前枯水位與水庫正常蓄水位交點。

表2 不同水工建筑物的防滲標準

3.3 剖面布置

剖面布置主要是確定防滲帷幕灌漿布置型式及深度,它是指防滲帷幕與壩體周邊銜接并向河床及兩岸以下延伸的深度及范圍。

3.3.1 布置型式

常見的帷幕剖面布置型式分為以下3類[9,10],見圖1。

圖1 防滲帷幕剖面布置常見型式

(1)封閉式帷幕:帷幕與隔水層(相對隔水層)相接形成整體,在垂直剖面上構(gòu)成全封閉形式。

(2)懸掛式帷幕:帷幕未與隔水層(相對隔水層)相接,在垂直剖面上構(gòu)成懸掛形式。

(3)混合式:部分區(qū)域為封閉式,部分區(qū)域為懸掛式。

3.3.2 型式選擇與深度確定

帷幕灌漿的作用主要是封堵滲漏通道,減小滲透流量。為此,灌漿帷幕的型式及深度應(yīng)使其達到壩基不再產(chǎn)生過大(不能容許的)滲漏量的范圍及深度為止。

3.3.2.1 有隔水層

若隔水層(相對隔水層)在壩基河床下埋深較淺,應(yīng)選擇封閉式帷幕。帷幕應(yīng)深入隔水層頂板下5 m～10 m,局部地質(zhì)缺陷部位應(yīng)適當加深。

3.3.2.2 無隔水層

若無隔水層或隔水層(相對不透水層)埋深高程較低,帷幕深度難以達到隔水層的,可根據(jù)工程需要,選擇采用懸掛式帷幕。在確定懸掛式帷幕深度時,一般應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件參考工程經(jīng)驗確定。主要有以下2種情況:

(a)按壩高(或水頭)的倍數(shù)確定,常用經(jīng)驗公式為:

式中:D為帷幕深度(m);H0為壩前最大水深(m);C為常數(shù),一般取8 m～25 m。

(b)按巖層透水性確定:以基巖透水率等值線作為確定帷幕深度依據(jù),一般根據(jù)壩高等因素選擇一控制性透水率等值線作為帷幕底線,帷幕深入該透水率呂容線5 m～10 m。

3.3.2.3 其它復(fù)雜及巖溶地層

在巖溶地基及其它可能存在較大滲漏通道的地基上建壩,帷幕型式的選擇及深度的確定需慎重考慮,專門論證。帷幕型式可選用封閉式、懸掛式或混合式。帷幕底線的確定一般應(yīng)遵循“抓大放小”的原則,即對壩基較大的巖溶管道及滲漏通道進行有效封堵,對壩基埋深較深的局部裂隙性管道可適當放棄,以減小帷幕深度,降低施工難度,節(jié)約資源。

4 彭水水電站防滲帷幕布置

4.1 工程概況

彭水水電站由擋水建筑物、泄洪建筑物、右岸地下廠房及通航建筑物等組成。設(shè)計壩型為碾壓混凝土重力壩,最大壩高為116.5 m。

壩基巖體主要由灰?guī)r、頁巖、白云巖等組成。壩址巖溶發(fā)育,兩岸對稱發(fā)育有11個巖溶系統(tǒng)。壩址區(qū) O1d1-3及O1n1+2+3為可靠的(相對)隔水層,可作為防滲依托。

4.2 防滲線路布置

4.2.1 防滲帷幕設(shè)計標準

彭水水電站采用碾壓混凝土重力壩,最大壩高116.5 m,根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL319-2005),結(jié)合不同工程部位、重要性程度并類比同類工程經(jīng)驗,確定大壩基礎(chǔ)防滲帷幕設(shè)計防滲標準為:河床壩基、左、右岸壩肩及右岸地下電站區(qū)山體段q≤1 Lu,左岸山體及右岸地下電站以遠山體q≤3 Lu。主廠房沿江側(cè)和靠山側(cè)防滲帷幕設(shè)計標準為:q≤1 Lu。

4.2.2 防滲帷幕平面布置

防滲線路在河床主要沿大壩基礎(chǔ)灌漿廊道布置,故平面布置重點是兩岸山體內(nèi)帷幕線路走向及端點選擇。由前述可知,壩軸線附近可作為防滲依托的主要是O1d1-3頁巖隔水層及O1n1+2+3層相對隔水層,左右岸均可以其為防滲依托,可采用全接式平面布置。

左岸端點若以O(shè)1d1-3厚層頁巖隔水層為依托,則防滲可靠性高,但線路較長,約606 m,需穿越KW17、W9兩大巖溶系統(tǒng),且f5斷層破碎帶與防滲線走向交角很小,灌漿處理難度大。若接f5斷層上盤O1n1+2+3相對隔水層,則線路較短,約260 m,沿線巖溶不發(fā)育,透水性微弱,施工方便。

右岸端點若以O(shè)1d1-3厚層頁巖隔水層為依托,則防滲可靠性高,但需穿越KW51巖溶系統(tǒng),沿線O1n4+5層沿 C2、C4、C5夾層發(fā)育深巖溶,灌漿處理難度大,成幕后要排除幕后KW51巖溶系統(tǒng)地下水。若以O(shè)1n1+2+3相對隔水層為依托,則帷幕深度較淺,底部可靠,線路短,但防滲帷幕距主廠房太近,對廠房邊墻穩(wěn)定不利。

根據(jù)本文歸納的4條布置原則,選定的防滲帷幕線路平面布置方案為:帷幕穿過河床大壩基礎(chǔ)廊道、左岸通航建筑物后向左岸山體延伸接至O1n1+2+3相對隔水層,右岸穿過地下電站引水隧洞后垂直巖層走向接至O1d1-3隔水層,防滲線路總長850 m。選定的防滲帷幕平面布置見圖2。

圖2 烏江彭水水電站防滲帷幕線路平面布置

由于大壩下游枯水位及廠房山體內(nèi)地下水位均高于廠房洞室底板高程,為防止江水和地下水沿岸邊巖溶通道、卸荷帶及層面滲向主廠房,分別在主廠房臨江側(cè)和靠山側(cè)設(shè)置防滲帷幕。臨江側(cè)帷幕上游與主帷幕相接,下游穿越W84接至∈3m2巖層,帷幕線路長約150 m?？可絺?cè)帷幕設(shè)置范圍為O1n1-2～O1n4之間巖層,防滲線路長約110 m。

4.2.3 防滲帷幕剖面布置

防滲線路剖面布置在其平面布置確定后進行,帷幕上限一般為正常蓄水位,剖面布置主要是確定帷幕下限。依據(jù)滲透剖面可知,河床部位帷幕可深入O1n1+2+3相對隔水層成為封閉式帷幕,兩岸則采用懸掛式帷幕。帷幕下限確定主要依據(jù)防滲線路上巖溶發(fā)育高程,巖體透水性、地下水位、地層巖性、斷裂等因素。

根據(jù)地勘資料綜合分析后確定主防滲帷幕下限:河床部位為高程100 m;左岸f7斷層及∈3m層區(qū)為高程80 m,以 120 m高程通過f5斷層帶至帷幕端點;右岸f8斷層部位高程80 m,右岸O1n4～C5段(KW51局部深巖溶帶)降至35 m,然后逐漸升至160 m高程接帷幕端點。選定線路的防滲面積約15×104m2。選定線路的剖面布置見圖3。

圖3 烏江彭水水電站防滲主帷幕剖面布置

廠房臨江側(cè)帷幕,上限根據(jù)下游最高江水位定為270 m,下限為:上游端與壩基主帷幕相同,為高程100 m,下游根據(jù)巖溶發(fā)育高程和巖體透水性確定為高程120 m。靠山側(cè)帷幕上限根據(jù)地下水分布情況確定為277 m,下限低于主廠房洞室底板,定為高程160 m。

5 結(jié) 語

(1)防滲帷幕布置應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件,以服從主體建筑物布置,盡量縮短帷幕線路并方便施工為基本原則。

(2)防滲帷幕平面布置應(yīng)結(jié)合隔水層或相對隔水層的分布及帷幕線路上的水文地質(zhì)條件進行比選,以確定安全、經(jīng)濟、可靠的防滲線路。

(3)防滲帷幕剖面布置應(yīng)綜合考慮工程設(shè)計標準及水文地質(zhì)條件等因素,確定剖面布置型式及帷幕深度。

(4)結(jié)合彭水水電站工程實例,有針對性地介紹了防滲帷幕布置原則與方法的具體運用。

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