強(qiáng)巖溶基礎(chǔ)上粉質(zhì)土心墻優(yōu)化布置及滲流保護(hù)措施研究

宋子龍，陳建康，葉敏敏

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都，610065;2.湖南省水利水電科學(xué)研究所，長沙，410007)

1 引言

重力壩壩基巖體內(nèi)存在的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面(I類缺陷)和土石壩土質(zhì)防滲體基巖中存在的順河張節(jié)理或巖溶通道(II類缺陷)，是最具代表性的大壩基巖地質(zhì)缺陷，它們往往影響或控制大壩的安全〔1、2〕。

對于“I類缺陷”的嚴(yán)重危害性，人們已有較為深刻的認(rèn)識，因此，幾乎所有國家的重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范都有相關(guān)的核算規(guī)定。但是，對于“II類缺陷”的嚴(yán)重危害性，人們的認(rèn)識并沒有那么深刻和統(tǒng)一，以致在水利工程技術(shù)發(fā)達(dá)的美國竟于1976年6月5日發(fā)生了震憾世界的提堂壩潰決，造成3.6億m3水量下泄，淹沒面積達(dá)780km2，無家可歸者2.5萬人，損失財(cái)產(chǎn)價值量約4億美元〔3〕。事后由權(quán)威機(jī)構(gòu)和權(quán)威專家得出的結(jié)論為“II類缺陷”隱患導(dǎo)致的破壞。本文針對某心墻基礎(chǔ)存在嚴(yán)重“II類缺陷”的粉質(zhì)土心墻堆石壩，分析對易被壩身、壩基滲水和壩基承壓巖溶地下水沖蝕的粉質(zhì)土心墻的保護(hù)措施，供同類工程參考并為“II類缺陷”的處理提供技術(shù)參考。

2 工程概況

某粉質(zhì)土心墻堆石壩建于二迭系石灰?guī)r地層上，最大壩高為68.5m，壩軸線呈拱向上游的弧形布置，壩頂弧長374m，大壩總填筑土石方量為133.5萬m3。水庫總庫容1.28億m3，灌溉農(nóng)田6960hm2，具有補(bǔ)償調(diào)節(jié)性能，可增加保證出力7MW。

大壩地質(zhì)情況十分復(fù)雜(見圖1和圖2)，地層中巖溶發(fā)育，存在大量溶洞、泉水和煤洞(見表1)，而距壩址近區(qū)可采且可作防滲用的粉質(zhì)土僅有40萬m3～50萬m3。在這樣復(fù)雜地質(zhì)和不利建材條件下，正確的大壩優(yōu)化布置和粉質(zhì)土心墻滲流保護(hù)措施，是減少壩身壩基滲流，確保大壩安全的關(guān)鍵技術(shù)手段。

3 大壩優(yōu)化布置

3.1 水庫地質(zhì)及壩址選定

大壩筑于橫切向斜西北翼高山的河谷中，位于晏家——石塘向斜盆地的西南部。這里，盆地地形的發(fā)育與向斜地層構(gòu)造相一致，在向斜兩翼，對稱于向斜軸(走向N25°E)，如圖1所示。圖2為I－I地質(zhì)剖面圖，按地層從新到老依次相向分布著上三迭系大冶灰?guī)r、上二迭系大隆灰?guī)r、龍?zhí)睹航M、下二迭系茅口灰?guī)r、棲霞灰?guī)r及中、上石炭系壺天灰?guī)r等地層。

由于在各石灰?guī)r地層中巖溶發(fā)育，且上部頁巖地層中沿巖層走向和傾向開挖了縱橫交錯的煤洞(見表1)，因此，唯有其下部，厚度僅19m的粉砂巖地層為水庫提供了成庫的條件。顯然，這層粉砂巖橫貫的河谷也就是唯一的無漏水通道的壩址。

當(dāng)時對壩址巖層和地質(zhì)構(gòu)造的全面勘測，對24處巖溶漏斗的逐一測定，對26處巖溶泉水的逐處追蹤，對70處煤洞的逐個調(diào)繪，既保證了水庫、壩址的工程和水文地質(zhì)結(jié)論的正確性(這一點(diǎn)已被多年實(shí)踐證明)，同時也為合理選定壩型，優(yōu)化布置防滲體，正確設(shè)置滲流保護(hù)提供了可靠依據(jù)。

表1 庫區(qū)、壩區(qū)溶洼溶洞、泉水及煤洞數(shù)量

3.2 壩址地形地質(zhì)及壩型優(yōu)選

壩址隔水層巖性軟弱，河谷開闊，只宜修建土壩或堆石壩。但是，壩基巖溶發(fā)育，土壩壩基防巖溶水沖蝕保護(hù)工程量大，且距壩址近區(qū)適合當(dāng)年人工采運(yùn)的可作防滲用的粉質(zhì)土僅有40萬m3～50萬m3，不足土壩壩體工程量的1/4，而質(zhì)地良好的石灰?guī)r卻極為豐富。因此，采用土質(zhì)防滲墻堆石壩更為可取。

對于堆石壩，主要的問題是防滲體材料和形式的選定。該壩壩址巖層走向垂直河谷，傾向上游，傾角33°～30°，為防滲體的布置提供了有利條件。但由于隔水層被煤洞破壞，有效厚度僅19m，因此，欲使防滲體建基面盡可能與隔水層相吻合，有可能被采用的防滲體形式只有斜率為1∶1.7～1∶1.5的斜心墻和鋼筋混凝土面板以及平面上呈弧形拱向上游的直立心墻等三種。其它更平緩的斜墻、更陡的垂直剛性防滲結(jié)構(gòu)或壩軸呈直線布置的其它防滲結(jié)構(gòu)形式，都無法保證防滲體在受力合理的同時能與隔水巖層相接。

很明顯，結(jié)合當(dāng)?shù)夭牧虾彤?dāng)?shù)厥┕l件考慮，與上述三種防滲體形式相應(yīng)的壩型只有粘土斜心墻堆石壩、鋼筋混凝土面板堆石壩和呈弧形拱向上游的直立式薄(或中厚)粘土心墻堆石壩三種。三者比較，前者，由于斜心墻坡比達(dá)1∶1.7～1∶1.5，難以適應(yīng)群眾運(yùn)動人工堆石體的沉陷，有發(fā)生裂縫之憂，且裂縫發(fā)生后又難以補(bǔ)救，因此被否定。中者，因當(dāng)年缺乏鋼材和堆石碾壓機(jī)械設(shè)備，也被排除。唯后者軸線直立的粘土心墻堆石壩，因少受堆石體沉陷的影響，且最能與當(dāng)?shù)厥稀⒄惩?、砂卵石等建筑材料的分布和?shù)量相符合，故被采用。選定壩型的最大剖面圖和平面布置圖分別如圖3和圖4所示。

4 粉質(zhì)土心墻大壩滲流保護(hù)措施

粘土心墻保護(hù)的成敗，直接關(guān)系到大壩的安危。由于心墻隱蔽在壩體之中，無論發(fā)生裂縫或被滲流沖蝕都不易被發(fā)現(xiàn)，更難以處理和修復(fù)，特別是該工程還存有十分復(fù)雜的因素(部分心墻不得不座落于煤洞和巖溶涌泉上，心墻土料為粉質(zhì)土)。因此，對該工程粘土心墻的保護(hù)，提出了嚴(yán)格的要求，采取了以下穩(wěn)妥措施:

(1)采用多層反濾，并要求各濾層既能滿足反濾要求，避免發(fā)生滲透破壞，又不至于被堵塞而在濾層中造成過大的剩余水頭;

(2)采用厚反濾層，以滿足心墻與堆石之間沉陷、變形、應(yīng)力等的過渡要求，盡可能避免堆石與心墻間沉陷數(shù)值差和時間差的“拱效應(yīng)”導(dǎo)致的心墻水平裂縫;

(3)采用中砂(河砂)作為心墻下游臨心墻面反濾層，并加厚心墻上游反濾砂層(混合砂料)，以保證當(dāng)心墻發(fā)生裂縫后，能有效的控制滲流速度，能防止沿裂縫產(chǎn)生滲透沖刷，能使裂縫自行愈合;

(4)采用混凝土墊層、砂墊層等措施，阻止壩基裂隙滲流和巖溶泉水等對粉質(zhì)土心墻的直接作用，保證心墻不被沖蝕。

為此，本工程在心墻上、下游面分別設(shè)置了兩層和三層由砂、石組成的過渡段;在無法避開而必須與基巖裂隙、巖溶泉水相接的心墻下，設(shè)置了混凝土墊層以及墊層下的導(dǎo)水砂層(見圖3)。心墻及其下游過渡段各層粒徑特性見表2。

表2 心墻及其下游過渡段各層粒徑特性

表2中，Di為材料粒徑，小于該粒徑的材料占總料重的i%;di為被保護(hù)材料的粒徑，小于該粒徑的材料占總料重的i%;η為 不均系數(shù)，η=D60/d10。

由于砂層D15=2mm＜4mm，D5=0.12mm＞0.1mm;被保護(hù)和保護(hù)的各層材料η＜10，D15/D85＜4，D15/d15＞5，因此，無論采用當(dāng)時(該壩設(shè)計(jì)時)或現(xiàn)行的國外或國內(nèi)有關(guān)規(guī)定，該工程的過渡層均能滿足反濾的要求。

5 結(jié)論

對滲水沖蝕粉質(zhì)土心墻認(rèn)識不足，缺乏嚴(yán)密的心墻保護(hù)措施，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的大壩安全問題。針對存在嚴(yán)重“II類缺陷”的粉質(zhì)土心墻堆石壩，應(yīng)該高度重視大壩壩址選定、壩型優(yōu)選、壩體穩(wěn)定計(jì)算方法優(yōu)選等問題，特別應(yīng)在粘土心墻保護(hù)、防止巖溶滲漏破壞等方面采取有效措施，方可確保大壩長期安全運(yùn)行。

〔1〕顧沖時，伍 元等.地質(zhì)缺陷對壩體結(jié)構(gòu)影響分析模型研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009.31(6).

〔2〕崔冠英.水利工程地質(zhì)［M］.北京:中國水利水電出版社，1999.12.

〔3〕托馬斯M·萊普斯，張?zhí)祆?提堂壩的失事［J］.人民長江，1991.22(8).

〔4〕李國英，王祿仕等.土質(zhì)心墻堆石壩應(yīng)力和變形研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2004.(8).

〔5〕施瑞庭，盧劍梅等.老君山水庫粘土心墻堆石壩設(shè)計(jì)［J］.云南水力發(fā)電，2004，(2).