克孜爾水庫(kù)F2活斷層防滲處理

宋瑞華 曲 苓 李炳奇

(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊 830000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 北京 100044)

1 工程概況

1.1 工程地理位置及工程特性

克孜爾水庫(kù)位于新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣渭干河干流木扎提河與支流克孜爾河的匯合處,壩址西距拜城縣約60km,東距庫(kù)車縣約70km,是一座以灌溉、防洪為主兼有水力發(fā)電等綜合利用性的大型水利樞紐工程。

克孜爾水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為6.4億m3,設(shè)計(jì)灌溉面積320萬(wàn)畝,為大 (1)型Ⅰ等工程。樞紐工程由攔河主壩、副壩、副壩二道壩、溢洪道、泄洪排沙涵洞、發(fā)電引水涵洞和壩后電站組成。

主壩和副壩均為粘土心墻砂礫石壩,主壩壩頂高程1154.60m,壩頂長(zhǎng)920.6m,最大壩高44.0m,副壩壩頂高程1154.00m,壩頂長(zhǎng)1288.0m,最大壩高32.6m,副壩右壩肩是F2斷層活動(dòng)將Ⅲ～Ⅳ級(jí)階地錯(cuò)斷上升形成的大方山,方山長(zhǎng)500m,寬160m,最高點(diǎn)高程1177.58m,方山北坡為活動(dòng)的F2斷層帶,坡高33m左右,為副壩右壩肩,工程地質(zhì)條件極復(fù)雜。

1.2 工程運(yùn)行情況

克孜爾水庫(kù)工程于1984年下半年開始 “三通一平”,1991年6月上旬開始蓄水滯洪發(fā)揮效益,1993年主體工程基本完工。

副壩右壩肩建筑在蠕動(dòng)變形的F2活動(dòng)斷層上,這在國(guó)內(nèi)尚屬首例,國(guó)外也不多見,可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少。活動(dòng)斷層上筑壩的設(shè)計(jì)是國(guó)內(nèi)壩工建設(shè)的開創(chuàng)性工作,水庫(kù)運(yùn)行16年的觀測(cè)資料以及大壩經(jīng)受1999年3月15日發(fā)生的7°地震后的觀測(cè)資料已初步表明,在F2活動(dòng)斷層上筑壩設(shè)計(jì)是成功的,運(yùn)行是安全可靠的。

2 運(yùn)行過程中出現(xiàn)的主要工程問題

2006年9月10日克孜爾水庫(kù)管理局在工程安全檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)在主壩左壩肩、壩軸線下游251m處的方山南岸3號(hào)沖溝坡腳處有兩處滲水點(diǎn),其中一處滲水于11日形成明流流向老河床。從水庫(kù)蓄水以來(lái)F2斷層帶滲水的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,斷層帶滲水有繼續(xù)向下游擴(kuò)展和水位升高的趨勢(shì),F2斷層帶部位防滲效果變化情況見圖1、圖2、圖3。

水庫(kù)運(yùn)行16年以來(lái),F2斷層帶的防滲效果有所下降,沿F2斷層帶向下游的滲漏在向兩側(cè)及下游擴(kuò)散、發(fā)展,壩后水位升高。分析原因主要是由于F2活動(dòng)斷層蠕動(dòng)變形,F2斷層破碎帶及裂隙中含有石膏等水溶鹽,經(jīng)地下水溶蝕后帶出,加之該段地下水對(duì)普通水泥具有硫酸鹽和硫酸鎂強(qiáng)腐蝕,導(dǎo)致F2斷層帶部位的防滲效果下降,而使方山及F2斷層帶壩后的地下水位升高。

根據(jù)2006年9月在F2斷層帶樁號(hào)1+250m處的鉆孔壓水試驗(yàn)成果,透水率平均值q=17.3Lu,最大值為 q=81.9Lu(為高程 1140.17～1135.17m),高程1140.17～1110.17m的透水率層平均值為q=26.4Lu,屬于中等透水層；如果F2斷帶的滲漏趨勢(shì)繼續(xù)擴(kuò)大,將影響到方山南坡的穩(wěn)定,為確保方山南岸高邊坡的整體穩(wěn)定性,有必要對(duì)F2斷層帶進(jìn)行防滲處理。

圖3 F2斷層部位壩后地下水位流網(wǎng)圖示意(2006年2月)

3 F2斷層帶加固處理

3.1 原設(shè)計(jì)F2斷層帶處理

大壩施工時(shí)對(duì)F2斷層帶采取了以下處理措施:

⑴盡可能挖除F2斷層帶表層破碎的透水層,不能挖除的部分進(jìn)行了固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。

⑵經(jīng)過固結(jié)灌漿的斷層破碎帶,由于活斷層的繼續(xù)活動(dòng),還會(huì)產(chǎn)生新的裂隙,應(yīng)使裂隙有自愈的能力,因此,對(duì)F2斷層及其影響帶范圍內(nèi)的心墻防滲體加寬到20～30m,以增加滲水通過斷層部位的滲經(jīng),在心墻上、下游增加反濾層和過渡層的厚度,并對(duì)心墻下游側(cè)F2斷層出口設(shè)反濾保護(hù)。

⑶在副壩右壩肩下游設(shè)置充分可靠的排水措施。

⑷為監(jiān)測(cè)F2斷層的活動(dòng)性及壩肩處的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),施工時(shí)在該部位埋設(shè)了監(jiān)測(cè)儀器。

3.2 F2斷層加固處理設(shè)計(jì)原則

⑴F2斷層加固處理主要是防滲處理,減少通過壩基防滲體的滲漏量,降低壩后地下水位的高度和擴(kuò)散范圍,確保方山南坡高邊坡的整體穩(wěn)定性。⑵處理方案要充分考慮到防滲結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性。⑶該部位地下水對(duì)普通水泥具有硫酸鹽和硫酸鎂強(qiáng)腐蝕,部分地下水對(duì)抗硫酸鹽水泥仍有強(qiáng)腐蝕,處理方案選用的防滲結(jié)構(gòu)要有足夠的抵抗硫酸鹽腐蝕的能力。

3.3 F2斷層加固處理方案比選

F2斷層帶由三支斷層組成,該斷層帶巖體為弱膠結(jié)的軟巖,加上斷層的破壞、風(fēng)化、卸荷作用,巖體非常破碎。

在工程施工時(shí),僅將表層破碎的透水層清除,底部進(jìn)行普通的固結(jié)灌漿和帷幕灌漿處理。

工程投入運(yùn)行近二十年來(lái),由于受F2活斷層的影響和地下水硫酸根離子的腐蝕,防滲帷幕遭到了嚴(yán)重破壞。試驗(yàn)表明F2活斷層帶的透水率平均值為q=26.4～17.3Lu,最大值為q=81.9Lu,因此必須進(jìn)行防滲處理。

根據(jù)F2活斷層帶的工程地質(zhì)特性和F2仍在活動(dòng),以及地下水硫酸根離子含量較高的特點(diǎn),擬定兩個(gè)加固處理方案進(jìn)行比較,優(yōu)選出技術(shù)上可靠、施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理的加固處理方案。

(1)超細(xì)水泥﹢化學(xué)材料復(fù)合灌漿方案。

F2活斷層帶的巖性為砂巖、泥巖,斷層帶裂隙小,普通水泥由于顆粒粗,可灌性差,原施工時(shí)通過灌漿試驗(yàn)選用了膠體磨超細(xì)水泥灌漿,可灌性相對(duì)較好,為抵抗硫酸根離子對(duì)防滲帷幕的侵蝕,本次選用超細(xì)水泥灌漿加化學(xué)材料灌漿,即設(shè)置三排帷幕灌漿,上下游兩排為超細(xì)水泥灌漿,中間一排為化學(xué)材料灌漿,排距1.5m,上下游兩排超細(xì)水泥灌漿孔距為2.0m,梅花型布置,中間一排化學(xué)材料灌漿孔距為1.5m,三排帷幕灌漿孔深相同,均為15～35m,處理深度同原壩基防滲處理深度,化學(xué)材料灌漿帷幕軸線與原大壩防滲軸線重合。

(2)塑性混凝土防滲墻方案。

由于壩基巖體強(qiáng)度低,飽和抗壓強(qiáng)度平均2.34MPa(平行層理),又處于斷層破碎帶范圍,采用塑性混凝土防滲墻進(jìn)行加固處理,該方案施工難度相對(duì)困難,但難度不大并且是可行的。

塑性混凝土防滲墻厚度采用800mm,墻體強(qiáng)度為2～5MPa,彈性模量400～1000MPa,水泥采用抗硫酸鹽水泥。防滲墻深度為進(jìn)入基巖透水率小于5Lu線以下1.0m,最深處在心墻建基面以下約30m,塑性混凝土防滲墻軸線與原大壩防滲軸線相重合。

塑性混凝土防滲墻從壩頂垂直向下開槽,穿透心墻向下進(jìn)入基巖,墻體深入基巖最大深度約為30m,對(duì)于壩體心墻內(nèi)的槽孔,為了保證防滲體的完整性,有利于心墻正常安全的運(yùn)行,采用塑性混凝土防滲墻澆筑。

表1 F2活斷層處理方案比較

(3)F2處理方案比選。

對(duì)超細(xì)水泥﹢化學(xué)材料復(fù)合灌漿及塑性混凝土防滲墻這兩種處理方案,從施工難易程度、運(yùn)行期的安全可靠性、抵抗F2斷層活動(dòng)的影響、抵抗地下水硫酸根離子侵蝕的能力、滲漏量大小、對(duì)方山南坡穩(wěn)定性影響和工程投資等方面進(jìn)行了綜合比較評(píng)價(jià)。

通過比較表明,塑性混凝土防滲墻方案耐久性好,在材料內(nèi)添加了膨潤(rùn)土并且采用抗硫酸鹽水泥,抵抗硫酸根離子侵蝕的能力較強(qiáng),即使防滲墻產(chǎn)生裂縫滲漏量也不大,這對(duì)方山南坡穩(wěn)定是有利的,而且投資較低。

因此采用塑性混凝土防滲墻方案對(duì)F2活斷層做防滲處理。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)F2斷層帶部位大壩下游地下水位的發(fā)展趨勢(shì)判斷,沿F2斷層帶向下游的滲漏在向兩側(cè)及下游擴(kuò)散、發(fā)展,壩后水位升高,防滲帷幕遭到了嚴(yán)重破壞。

(2)造成防滲帷幕嚴(yán)重破壞的原因主要是由于F2活動(dòng)斷層蠕動(dòng)變形及地下水對(duì)普通水泥具有硫酸鹽強(qiáng)腐蝕,導(dǎo)致F2斷層帶部位的防滲效果下降。

(3)通過對(duì)F2斷層帶兩種處理方案多因素進(jìn)行綜合比較,優(yōu)選出質(zhì)量可靠、防滲效果和耐久性好的塑性混凝土防滲墻處理方案。

略)