英布魯水電站樞紐防滲設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)處理

席燕林 龐書聰 許冬語

1 壩基巖的工程特性

1.1 壩基砂巖的結(jié)構(gòu)特性

英布魯水電站壩基巖體為白堊系陸相沉積砂巖,系由不同厚度含有薄層、中厚及厚層沉積層理結(jié)構(gòu)的膠結(jié)不良軟弱砂巖組成,巖層產(chǎn)狀近水平,無構(gòu)造斷裂、褶皺和裂隙發(fā)育。按壩基巖體結(jié)構(gòu)的差異,可分為三大層兩種類型,其中,第②層沉積層理較厚,膠結(jié)程度和完整性相對(duì)較好；第①、③層沉積層理薄,膠結(jié)程度和完整性相對(duì)較差。第③層軟弱砂巖位于河床表層,頂部為全—化層,一般厚5～8 m,呈風(fēng)化砂狀,沉積層理結(jié)構(gòu)已不明顯；而中下部巖體風(fēng)化程度微弱；第②、①層軟弱砂巖巖體新鮮。三大層砂巖在物質(zhì)組成、膠結(jié)形式上基本相同,巖體組成相對(duì)較均勻,局部地段3層間的界線不明顯,呈逐漸過渡狀態(tài)。

壩基軟弱砂巖主要礦物成分為石英,含有少量長石等。中、細(xì)砂顆粒均勻,磨圓度好,多呈孔隙式點(diǎn)接觸弱膠結(jié),長石多已風(fēng)化,孔隙內(nèi)可見高嶺土團(tuán)粒,局部膠結(jié)物中含有少量硅質(zhì)。巖石孔隙發(fā)育,質(zhì)地疏松。礦物鑒定結(jié)果也表明,砂巖孔隙內(nèi)的高嶺土團(tuán)粒即是其結(jié)構(gòu)破壞后粒徑小于0.074 mm的白色析出物,為弱結(jié)晶的高嶺石。其中普遍含有分散的石英細(xì)粒,系高嶺石形成過程中產(chǎn)生的自生石英。砂巖中普遍缺少長石,其原因是長期在弱酸性地下水交替環(huán)境下,原砂巖中少量長石已轉(zhuǎn)化 (蝕變)為高嶺石{Al2Si2O5(OH)4}。其中的蛋白石脫水后轉(zhuǎn)化為石英,此外,還有微量方解石(CaCO3)。

1.2 巖體的工程特性

壩基砂巖結(jié)構(gòu)疏松,孔隙發(fā)育,實(shí)際上是一種以孔隙為主的 (n=25%)含有層面節(jié)理的孔隙—層面節(jié)理介質(zhì)。從巖體質(zhì)量和滲透性來看,可認(rèn)為是一種相對(duì)均勻的巖體,即整個(gè)巨厚砂巖沉積層是一個(gè)統(tǒng)一的孔隙地下含水系統(tǒng)。砂巖成巖程度差,孔隙及層面節(jié)理發(fā)育,不同層位或不同地段的軟弱砂巖,其巖體透水性存在一定差異,尤其是巖層在水平方向和垂直方向上存在的滲透各向異性,造成地下水在局部地段形成層間微弱承壓現(xiàn)象。壩基砂巖三大層位的劃分表明其在滲透性上存在一定差異,但進(jìn)一步劃分至更細(xì)的沉積層理結(jié)構(gòu)面層次上,其差異已不明顯,即巖層不存在相對(duì) “透水層” 和 “隔水層”。

壩基巖體干密度在2.0 g/cm3左右,孔隙率在25%左右,單軸抗壓強(qiáng)度一般小于5 MPa。具有大孔隙、低密度的特征,相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度也較低；但巖體相應(yīng)的變形模量指標(biāo)在1 GPa左右,彈模和變模指標(biāo)相差較小,反映出巖體具有 “脆性”特征。抗剪試驗(yàn)表明此類巖體具有較高的抗剪強(qiáng)度；而載荷試驗(yàn)也反映,在工程要求的試驗(yàn)壓力下,巖體均處于彈性變形狀態(tài),表現(xiàn)出較高的承載力和抗變形能力。此外,聲波速度vp與巖體質(zhì)量之間具有較好的相關(guān)性。

2 壩基灌漿帷幕的試驗(yàn)研究

2.1 灌漿試驗(yàn)成果

技施階段在基坑內(nèi)進(jìn)行了灌漿試驗(yàn),灌漿試驗(yàn)成果如表1,從灌漿前后的聲波檢測結(jié)果看,灌漿前后的聲波值變化微小,灌漿對(duì)巖體的加強(qiáng)作用微弱。從灌漿試驗(yàn)成果分析,可以判斷基礎(chǔ)幾乎不吸漿,從而推斷水泥灌漿在本工程特殊的基巖條件下是無效的。

表1 灌漿試驗(yàn)效果檢查成果表

2.2 灌漿效果分析

設(shè)置防滲帷幕的目的是要在大壩基巖中形成一道連續(xù)的、完整的、比大壩基巖滲透性低的幕狀防滲結(jié)構(gòu)。帷幕灌漿效果首先取決于巖體的可灌性,即巖體裂隙發(fā)育程度、張開程度、充填情況和連通情況。由于本工程的巖體具有以下特征,使得本工程的水泥灌漿不能形成有效的帷幕。

(1)本工程軟弱砂巖屬于一種孔隙介質(zhì),雖然有沉積層面節(jié)理,但只是表現(xiàn)為一種沉積韻律,裂隙并不發(fā)育,巖體完整性很好。

(2)壩基軟弱砂巖呈半成巖狀態(tài),其25%的孔隙率使其具有較強(qiáng)的透水性。但水泥漿液的粒徑相對(duì)孔隙而言又是 “巨大”的,漿液中表現(xiàn)出水分能通過孔隙,而水泥連膠體 (＜0.002 mm)物質(zhì)都不易通過。

(3)巖體孔隙率雖高達(dá)25%,透水性較強(qiáng)；但結(jié)構(gòu)較緊密,相當(dāng)于密實(shí)的砂層。由于巖體孔隙較小,漿液擴(kuò)散半徑非常小,這與通常不能在密實(shí)的砂層中進(jìn)行灌漿的經(jīng)驗(yàn)是一致的。

所以,采用普通水泥灌漿方法不能達(dá)到防滲目的。

3 樞紐防滲體系設(shè)計(jì)

對(duì)于基巖壩基的基礎(chǔ)防滲,通常采用帷幕灌漿形成帷幕,可以形成有效的防滲體系。本工程壩基巖體雖巖體的滲透系數(shù)達(dá)到K ×10-2cm/s,具有呈中等—強(qiáng)透水的特性,但它具有的孔隙—層面節(jié)理的結(jié)構(gòu)特征,使得帷幕難以奏效,為此,設(shè)計(jì)進(jìn)行了壩基防滲體系的設(shè)計(jì)研究。

攔河樞紐主要由土壩、泄水閘、電站廠房組成,壩頂全長581 m,最大壩高32.5 m。針對(duì)土壩和電站廠房進(jìn)行的防滲方案研究成果如下。

3.1 土壩壩基防滲帷幕研究

土壩壩基與壩體滲流計(jì)算采用平面有限元方法,分不同工況分別計(jì)算。采用加拿大GEOSLOPE系列程序之SEEP/W-Version5。

由于壩基透水性高于壩體防滲材料透水性100倍以上,計(jì)算中將地基作為無限深的透水地基。按滲流計(jì)算分析的要求,為保證計(jì)算精度,選取較大范圍的地基建立分析模型。整個(gè)計(jì)算區(qū)域?yàn)?自壩體建基面以下沿深度方向取300 m；在上、下游坡腳分別向上游選取500 m,向下游選取200 m。計(jì)算域的邊界條件為:壩基底邊界為不透水邊界,即在壩基300 m深度處不考慮垂直方向的水流交換；壩體及壩基上、下游坡面水面線以下部分為水力邊界,水頭大小與上、下游水位一致；其余部分為自由滲流邊界。計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 土壩滲流計(jì)算參數(shù)

壩基滲流計(jì)算成果如圖1所示。從計(jì)算結(jié)果看,無帷幕和有帷幕計(jì)算結(jié)果差別不大,最大的出逸比降分別為0.311和0.31,位于貼坡排水下部；懸掛式防滲帷幕隨著其深度增加,出逸比降和通過壩基的滲透流量呈下降趨勢,但防滲帷幕的作用不大。

圖1 有帷幕正常運(yùn)行壩體浸潤線及流網(wǎng)圖

3.2 河床電站壩基防滲帷幕研究

取上游防滲護(hù)坦及河床電站底板底邊作為混凝土建筑物邊界,上、下游取100 m基礎(chǔ),自建筑物底邊界向下取100 m基礎(chǔ),建筑物邊界為不透水邊界,整個(gè)基礎(chǔ)均為透水地基。計(jì)算中取無帷幕和有帷幕分別建立兩種計(jì)算模型,帷幕深度為8 m。地基各層滲透系數(shù)如表3。

表3 河床電站滲流計(jì)算參數(shù)

從河床電站計(jì)算結(jié)果看,無帷幕和有帷幕計(jì)算結(jié)果差別不大,在出逸點(diǎn)5 m范圍平均出逸比降分別為0.16和0.15,無帷幕和有帷幕單寬滲流量分別為K ×10-3m3/(s?m)及 K ×10-3m3/(s?m)。

土壩和河床電站壩基滲流計(jì)算結(jié)果均顯示,壩基設(shè)置帷幕對(duì)水頭的削減、滲漏量及出逸比降影響很小,即帷幕對(duì)基礎(chǔ)防滲幾乎不起作用。

3.3 樞紐的防滲體系

根據(jù)土壩和河床電站的滲流計(jì)算結(jié)果和灌漿試驗(yàn)成果分析,基礎(chǔ)作為一個(gè)無限深的透水體,在有限的深度范圍沒有相對(duì)隔水層,因此帷幕加深與否都只是懸掛式。滲流計(jì)算結(jié)果表明,深度小于40 m的帷幕對(duì)基礎(chǔ)滲流圖形的改變較小。從現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)過程看,巖層基本不吃漿,灌漿后巖體的透水性和巖體波速值也沒有明顯的變化。灌漿根本不能形成有效的帷幕,除非改為連續(xù)墻,如采用防滲深墻,又將嚴(yán)重影響施工工期。

對(duì)于以上影響因素,設(shè)計(jì)進(jìn)行了增加水平防滲取代帷幕灌漿的研究,計(jì)算結(jié)果表明,各建筑物的壩基滲透比降的控制,取決于基礎(chǔ)面滲流路徑長度,只要控制基礎(chǔ)面滲流路徑長度,使基礎(chǔ)內(nèi)部和出逸處的滲透比降小于允許滲透比降,同樣可以控制基礎(chǔ)滲流穩(wěn)定 (見圖2)。

圖2 樞紐最終的防滲體系

3.3.1 土壩的防滲體系

土壩、泄水閘及河床電站取消帷幕灌漿后,為確保各建筑物的壩體穩(wěn)定及滲透穩(wěn)定,采取了以下防滲措施,形成了可靠的防滲體系。

(1)心墻與上游內(nèi)鋪蓋相結(jié)合形成壩體與基礎(chǔ)防滲體系,為控制壩基滲流穩(wěn)定,將內(nèi)鋪蓋在壩體外向上游延伸20 m,鋪蓋由上游向下游逐漸加厚,前端最小厚度1.5 m,末端最小厚度3 m。

(2)在壩軸線上游壩基設(shè)截水槽,其中心線距壩軸線25m,截水槽底寬4 m,上、下游邊坡為1∶1.5,截水槽底挖至建基面以下3 m左右。沿槽底澆筑混凝土板,厚度為1.0 m,防止土壩壩基產(chǎn)生接觸滲透破壞。

(3)在壩趾滲流出逸區(qū)設(shè)置水平反濾層,水平長度大于5 m,并與左右岸下游岸防護(hù)形成整體。對(duì)于壩基的防護(hù)考慮淺層基巖經(jīng)開挖擾動(dòng)后形成散粒體結(jié)構(gòu)。被保護(hù)巖體按散粒的粒徑進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了雙層反濾層,第1層反濾粒徑0.25～5 mm,厚度40 cm；第2層反濾粒徑為3～50 mm,厚30 cm。

(4)為防止左岸繞滲水流對(duì)岸坡的破壞,在左右壩肩的岸坡部分,設(shè)置了大范圍的貼坡防滲鋪蓋,鋪蓋采用防滲土料加反濾層的結(jié)構(gòu),下游設(shè)貼坡反濾層排水,形成了有效的岸坡防滲和排水系統(tǒng)。

3.3.2 泄水閘及河床電站的防滲體系

泄水閘及河床電站壩段為混凝土結(jié)構(gòu),由于帷幕難以形成,且基礎(chǔ)抗?jié)B性能差,不能按通常的基巖地基采用設(shè)帷幕和排水孔幕的方式形成防滲和排水體系。為確保各建筑物的滲透穩(wěn)定,采取了以下防滲措施,形成了可靠的防滲體系。

4 壩基保護(hù)與處理

4.1 建基面的處理

由于壩基巖體膠結(jié)程度較差,巖層表部風(fēng)化程度較高,其強(qiáng)透水性使得巖體在滲透壓力作用下極可能發(fā)生滲透變形破壞,主要反應(yīng)在施工期基坑的滲流破壞和運(yùn)行期滲流出逸區(qū)的滲流破壞。

4.1.1 基坑的滲流破壞處理

在施工期,基坑的表面排水往往造成順巖層節(jié)理面的順層淘刷,這種順層淘刷在短時(shí)間內(nèi)就能迅速擴(kuò)大并向巖體內(nèi)深度發(fā)展。防止這種破壞,是在基礎(chǔ)表面設(shè)置縱橫排水盲溝,在盲溝內(nèi)設(shè)置反濾體和排水管,并設(shè)置灌漿管。當(dāng)完成建基面以上壩體填筑并達(dá)到一定的壓重厚度時(shí),將采用低壓灌漿對(duì)排水盲溝進(jìn)行回填封堵,灌漿按排水盲溝的空隙體積的1.1～1.3倍作為結(jié)束灌漿的標(biāo)準(zhǔn)。灌漿完成后采用取心法進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

4.1.2 建基面的保護(hù)措施

在建基面清理時(shí),由于壩基巖體膠結(jié)程度較差,當(dāng)建基面保持干燥時(shí),往往在建基面產(chǎn)生一層不均勻的松散砂。如果這層不均勻的松散砂保留在基礎(chǔ)面,將可能形成結(jié)構(gòu)薄弱面和滲流的集中通道。設(shè)計(jì)采用撒潑1∶3的水泥漿措施取得了較好處

(1)為延長滲徑,在泄水閘及河床電站上游設(shè)置了防滲護(hù)坦,鋪蓋厚0.5 m,長41.89 m。為保證防滲效果,采用鋼筋混凝土護(hù)坦設(shè)置雙層止水,并在施工中嚴(yán)格控制上游防滲護(hù)坦的質(zhì)量。

(2)采用固結(jié)灌漿加固壩趾和壩踵區(qū)的巖體,并提高建基面的結(jié)合效果,防止產(chǎn)生淺層滲流破壞。

(3)在泄水閘的消力池底板和電站尾水渠底板均設(shè)置反濾層,并在底板設(shè)排水管排除反濾層的滲流水,達(dá)到基礎(chǔ)排水的目的。

3.3.3 樞紐的防滲體系

樞紐最終的防滲體系為:兩岸土壩為心墻與上游內(nèi)鋪蓋相結(jié)合形成壩體與基礎(chǔ)防滲體系；泄水閘及河床電站采用上游設(shè)混凝土防滲護(hù)坦防滲；左右壩肩的岸坡采用貼坡防滲鋪蓋。貼坡防滲鋪蓋、上游內(nèi)鋪蓋與混凝土防滲護(hù)坦通過上游縱向?qū)π纬蛇B接過渡,形成樞紐整體的上游防滲體系。兩岸土壩在壩趾滲流出逸區(qū)設(shè)置水平反濾層,左右壩肩的岸坡在下游設(shè)貼坡反濾層排水,泄水閘和電站在下游均設(shè)置反濾層和排水管,形成了樞紐有效的排水保護(hù)系統(tǒng)。理效果,水泥漿撒潑與基礎(chǔ)面不均勻的松散砂自然結(jié)合形成了砂漿保護(hù)層,對(duì)建基面進(jìn)行了有效保護(hù),并消除了基礎(chǔ)面的松散砂可能造成的隱患。

4.2 壩基排水措施

為防止基礎(chǔ)滲流破壞,本工程取消了壩基廊道內(nèi)設(shè)置的壩基排水孔幕,采用壩基上游設(shè)防滲鋪蓋延長滲徑控制滲流比降的措施,為消減基礎(chǔ)揚(yáng)壓力,靠下游設(shè)置水平反濾。

在土壩壩趾出逸區(qū)和泄水閘和電站壩段的下游護(hù)底區(qū)設(shè)置水平反濾,在護(hù)底混凝土板中設(shè)排水管,滲透水通過反濾進(jìn)入排水管排向下游。排水孔孔距1.5～2.0 m,排水管采用PVC透水花管,內(nèi)填砂礫石并外包土工織布。

為確保消力池安全運(yùn)行,在消力池底部設(shè)排水墊層并設(shè)U形排水暗管排水系統(tǒng),在消力池底板設(shè)縱橫向 Φ 200 mm PVC透水花管,將滲水排向隔墩壩導(dǎo)墻高于正常高尾水位上的側(cè)面出口,自流將滲透水排至下游河道。這項(xiàng)措施受施工中出現(xiàn)的混凝土進(jìn)入排水暗管失誤的影響沒有實(shí)現(xiàn),仍采用了在消力池混凝土板底中直接設(shè)排水管的措施。

4.3 壩肩滲流保護(hù)

本工程兩岸壩肩上覆砂壤土,由于砂壤土覆蓋層較厚,且越向山體內(nèi)厚度越大,對(duì)砂壤土的防滲需要較深的帷幕。從右、左岸壩肩防滲帷幕的效果看(計(jì)算工況包括自壩端開始,深入山體50,100,150 m,底高程為270 m),防滲帷幕的作用不明顯,繞壩滲流量變化不大,僅比不設(shè)防滲帷幕的情況減少1%。

設(shè)計(jì)采用的壩肩防滲是:利用砂壤土覆蓋層的“鋪蓋”作用,以鋪蓋防滲為主,使河床鋪蓋、岸坡鋪蓋等防滲措施與山體砂壤土覆蓋層形成一個(gè)完整的鋪蓋防滲系統(tǒng)。計(jì)算顯示,在鋪蓋防滲系統(tǒng)完整的前提下,在左岸下游距壩肩軸線600多m的岸坡處會(huì)發(fā)生出逸現(xiàn)象,在左右壩肩的岸坡下游設(shè)置了貼坡反濾層保護(hù)。

右岸廠前區(qū)大部分在河岸砂壤土覆蓋層中開挖形成,水庫蓄水后,在繞壩肩滲流的影響下,靠近岸邊的部分將被滲透水浸沒。由于廠區(qū)平臺(tái)的寬度較大,利用自然排水無法保證廠區(qū)平臺(tái)不受浸沒影響,設(shè)計(jì)在右岸廠前區(qū)岸坡沿上下游方向設(shè)置排水盲溝,溝深2.5 m,PVC花管排水。外圍采用透水反濾料填筑,保證右岸廠前區(qū)不被滲透水浸沒影響。

5 結(jié) 語

英布魯水電站特殊的地基條件,使得通常在基巖地區(qū)采用的防滲、排水和基礎(chǔ)處理措施都不適用。設(shè)計(jì)通過灌漿試驗(yàn)和滲流分析研究,土壩采用心墻與上游內(nèi)鋪蓋相結(jié)合形成壩體與基礎(chǔ)防滲體系,泄水閘及河床電站采用上游設(shè)混凝土防滲護(hù)坦防滲,左右壩肩的岸坡采用貼坡防滲鋪蓋形成樞紐整體的上游防滲體系；在下游設(shè)置反濾層和排水管替代壩基排水孔幕,形成了樞紐有效的防滲和排水保護(hù)體系。施工中采用基坑表面設(shè)置縱橫排水盲溝和撒潑水泥漿與基礎(chǔ)面松散砂結(jié)合形成了砂漿保護(hù)層的措施,對(duì)基礎(chǔ)建基面形成了有效保護(hù)。

目前工程蓄水到達(dá)正常高水位,各項(xiàng)觀測數(shù)據(jù)顯示建筑物滲流及變形正常,建筑物處于安全運(yùn)行狀態(tài)。