向家壩軟弱破碎巖體滲控處理措施及實施效果評價

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向家壩水電站是金沙江中下游梯級電站的最后一級，上距溪洛渡電站壩址157 km，下距云南省水富縣城區(qū)1.5 km、四川省宜賓市區(qū)33 km。壩址位于云南省水富縣(右岸)和四川省宜賓縣(左岸)的金沙江下游河段上，左右岸分別安裝4臺80萬kW機組，裝機規(guī)模僅次于三峽、溪洛渡水電站，為中國第三大水電站。

水電站壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，壩基從左岸到右岸不同程度分布有以擠壓帶和撓曲核部破碎帶為代表的不良地質(zhì)體，因此其壩基滲控問題成為該工程的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

1 壩基撓曲核部破碎帶及擠壓帶性狀

1.1 壩基撓曲核部破碎帶

壩址區(qū)主干地質(zhì)構(gòu)造為NW向的立煤灣膝狀撓曲，從西北角的左岸立煤灣溝進入壩址區(qū)，延伸到東南角，斜貫壩址，長約2 km。該構(gòu)造空間形態(tài)復(fù)雜，巖層向三面傾斜，且傾角變化較大，其剖面形態(tài)類似膝蓋彎曲，軸面產(chǎn)狀大致走向NW、傾向SW、傾角30°～40°。膝狀撓曲核部的巖層陡傾帶上游窄、下游寬。二期工程的泄水壩段座落在膝狀撓曲核部的巖層陡傾帶及其兩側(cè)的巖體上，右岸非溢流壩段位于膝狀撓曲的SW翼，壩后廠房壩段和升船機壩段以及壩后廠房均位于膝狀撓曲的NE翼。

由于受強烈擠壓，在變形過程中撓曲核部巖層完整性遭到破壞，巖體破碎，形成“撓曲核部破碎帶”。該破碎巖帶的頂、底界面不規(guī)則且起伏大，致使其厚度變化很大，鉛直厚度多在10～60 m，一般在30 m左右。

1.2 擠壓帶

擠壓帶主要是經(jīng)構(gòu)造擠壓和地下水的作用而形成。該擠壓帶首先在一期基坑揭露，呈緩傾角帶狀分布于左岸上游引航道坡腳、一期基坑側(cè)坡上，其走向20°～30°，傾向SE，即緩傾下游偏右岸，傾角15°～30°。向左延伸，分布在岸坡壩段下部，埋深逐步增大，在左非18壩段的壩基埋深達90 m。向右延伸至泄水壩段交于撓曲核部破碎帶底面，越往右下游方向埋深越大。其在交匯部位的產(chǎn)狀有所變化，走向45°～60°、傾向SE、傾角增大至30°～45°，擠壓帶中心的碎屑結(jié)構(gòu)巖體厚度在2 m左右，局部有所增厚。左岸厚度變化大，最大厚度近10 m，最小厚度0.3 m，平均在1～4 m。主要由灰白色或淺灰色碎屑狀結(jié)構(gòu)砂巖組成，局部夾不規(guī)則的灰黑色炭泥質(zhì)條帶，以及疏松狀的砂巖碎塊，天然有圍壓條件下較密實。

表1 撓曲核部破碎帶各類結(jié)構(gòu)巖體的滲透變形試驗成果

表2 擠壓帶原狀樣滲透變形試驗成果

1.3 水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)基巖地下水屬孔隙-裂隙水，壩址巖體透水率主要介于3～30 Lu之間，個別孔段透水率在60 Lu以上，屬弱至中等透水，透水性受埋深、巖性、構(gòu)造、風(fēng)化卸荷等因素影響。巖體透水率隨埋深逐步減小，但衰減較慢，壩基相對隔水層埋深大，壩基深度下200 m范圍內(nèi)無穩(wěn)定的相對隔水層分布。

破碎夾層帶滲透系數(shù)介于1.63×10-4～1.44×10-6cm/s，屬于中等至微透水，隨著組成物質(zhì)中碎屑成分的增加，其滲透系數(shù)逐漸減小，但其水力破壞坡降也在隨之降低?，F(xiàn)場原狀樣的撓曲核部破碎帶滲透變形試驗成果見表1。

擠壓帶中心碎屑巖帶的滲透系數(shù)為1.50×10-4～4.69×10-6cm/s，屬于弱至微透水，與撓曲核部破碎帶滲透性相似?，F(xiàn)場原狀樣的擠壓帶滲透變形試驗成果見表2。

2 滲控處理措施

2.1 基本原則及要求

根據(jù)向家壩壩基200 m深度無相對隔水層、巖體透水性較強的水文地質(zhì)特性，以及尾水水位高、浮托力大的特點，防滲帷幕采用較深的懸掛式帷幕，設(shè)置主副排水孔，堵排結(jié)合的滲流控制措施，以減小滲流量、降低壩基揚壓力，同時保證滲透穩(wěn)定。

滲控處理措施旨在減少壩基和繞壩滲漏，防止其對壩基和兩岸邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響；防止破碎帶、軟弱巖帶和夾層等在滲流作用下產(chǎn)生滲透破壞或過大滲透變形；控制壩基和下游抗力體揚壓力。

2.2 開挖置換

開挖置換涉及部位和范圍如下。

(1) 左非7～8壩段。左非7壩踵部位擠壓帶的埋深小，厚度大，對帷幕線所經(jīng)區(qū)域及其上、下游影響范圍(壩下0-006.3～0+017.5)采用洞挖置換混凝土進行處理，對左非8帷幕線的擠壓帶大部分進行洞挖置換，形成混凝土刺墻。

(2) 左岸河床壩段。包括沖沙孔～左非6共7個壩段，對該段水平建基面上出露的擠壓帶采取槽挖置換混凝土處理，上游沿擠壓帶下界面包括下盤影響帶挖除破碎巖體，下游順壩后坡按1∶0.3開挖；對分布在周邊斜坡壩基的擠壓帶，則采取適當(dāng)深度的槽挖清除淺表部已擾動或吸水松軟的破碎巖體。左岸河床壩基部分擠壓帶基本挖除，對上游防滲帷幕沒影響。

(3) 升船機壩段及廠房壩段。由于擠壓帶自左往右延伸至升船機壩段及廠房壩段，且廠房壩段壩踵分布的擠壓帶和軟弱夾層性狀較差，在壩基連續(xù)性好，對壩基深層抗滑穩(wěn)定、防滲處理和變形不利，為此在壩踵開挖了大型齒槽，槽深25～37 m，底高程203～215 m，底寬20～25 m，上、下游側(cè)坡坡比1∶0.6。經(jīng)大齒槽開挖置換后，擠壓帶在該部位對上游滲控處理已基本不存在影響。

(4) 泄水壩段。將廠房壩段壩鍾齒槽延伸至泄6壩段，同時沿撓曲核部破碎帶軸線采取了開挖斜齒槽置換混凝土方案，齒槽貫穿泄水壩段壩基，延伸至右消力池，深37 m，底寬50 m左右。開挖后，撓曲核部破碎帶大部分被挖除。泄4～泄8壩段因撓曲核部破碎帶仍出露于建基面或埋藏較淺，采用壩基下防滲墻方案。

2.3 防滲墻設(shè)計

(1) 防滲墻設(shè)置范圍。壩基防滲的可靠性對本工程至關(guān)重要，泄4～8壩段采用混凝土防滲墻作為壩基撓曲核部破碎帶防滲處理的方案，防滲墻總長88 m，最大深度62 m，總平面面積3 430 m2。

根據(jù)開挖揭露情況，泄4以左壩段壩踵齒槽已將包括擠壓帶、撓曲核部破碎帶為代表的地質(zhì)缺陷全部挖除或截斷，齒槽底部座落在Ⅲ類巖體上，其防滲處理采用常規(guī)帷幕灌漿；泄4～6壩踵齒槽底部高程為203.00 m，其下部尚存有最大深度達60 m的撓曲核部破碎帶；泄7～8壩段壩踵高程抬高至240.00 m，建基巖體為Ⅱ～Ⅲ1類，其厚度基本在35 m以上，撓曲核部破碎帶下伏在Ⅱ～Ⅲ1類巖體以下，且越往右岸，破碎帶厚度越薄，埋藏越深；泄8中線撓曲核部破碎帶埋深已達40 m，可采用常規(guī)復(fù)合灌漿進行處理。

根據(jù)壩基廊道總體布置，泄4～6壩段齒槽混凝土內(nèi)高程210.00 m、樁號0-22 m設(shè)有4 m×4 m(寬×高，下同)帷幕灌漿廊道，泄7～8壩段在壩體高程245.00 m、樁號0-22 m設(shè)有4 m×4 m帷幕灌漿廊道。為方便防滲墻施工并盡量減小防滲墻穿過Ⅱ～Ⅲ1類巖體的厚度，在泄7～8壩段壩基高程210.000、樁號0-22 m設(shè)置防滲墻施工隧洞，以使泄4～8壩段壩基隧洞防滲墻與壩軸線平行。按照壩基滲控系統(tǒng)總體布置，在泄4～8中線防滲帷幕穿過Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶部位，采用塑性混凝土防滲墻代替第1、2排帷幕，防滲墻厚1.2 m，墻底進入Ⅲ2類巖體至少2 m。

(2) 混凝土防滲墻設(shè)計指標(biāo)?？箟簭姸?～5 MPa、模強比500、滲透系數(shù)不大于10～8 cm/s。

(3) 防滲墻與大壩接頭型式。防滲墻頂部伸入壩體導(dǎo)槽1.3 m，接頭頂部和上、下游側(cè)與壩體之間均設(shè)有銅片止水，并設(shè)置閉孔泡沫板作為彈性變形空間。防滲墻接頭頂部、上游側(cè)、下游側(cè)閉孔泡沫板厚分別為10，3，5 cm。

(4) 防滲墻與帷幕的銜接。防滲帷幕采用3排同深孔，排距1.5 m，孔距2 m，孔底高程均為90.00 m。在泄4～泄8壩段防滲帷幕穿過Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶部位，采用塑性混凝土防滲墻代替第1、2排帷幕灌漿，防滲墻厚1.2 m，墻底進入Ⅲ2類巖體至少2 m。第1、2排帷幕孔在防滲墻內(nèi)埋管施工，重點對防滲墻與基巖的接觸面及以下巖體進行帷幕灌漿；第3排帷幕孔對防滲墻下游經(jīng)沖擊擾動的Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶及以下巖體進行灌漿。

2.4 防滲帷幕

(1) 壩基上游帷幕。壩基相對隔水層埋藏較深且變化較大，采用懸掛式帷幕進行防滲。廠房壩段和左泄水壩段的壩基上游開挖了壩踵深齒槽，帷幕廊道下至齒槽底部，廊道底板高程210.00 m，向左逐漸爬升至高程227.00 m與左岸一期工程上游帷幕廊道銜接，向右通過豎井與右泄水壩段高程245.00 m的上游帷幕廊道連接。壩左岸山體防滲帷幕長度根據(jù)三維滲流分析成果確定，從左岸壩頭延伸至山體內(nèi)330 m。防滲線路考慮到避開左岸T33巖體存在煤層采空區(qū)，防滲帷幕向上游折轉(zhuǎn)。對于壩右岸山體，綜合考慮鉆孔深度、壩基開挖形狀和便于與右岸地下廠房帷幕相銜接，設(shè)置搭接帷幕分別與右岸地下廠房防滲帷幕連接。

根據(jù)帷幕所承受的水頭，河床壩段上游主帷幕采用3排孔布置，兩岸常規(guī)防滲主帷幕采用2排孔布置，即一期大壩左非9壩段～沖沙孔壩段，二期大壩航運～右非7壩段的所有壩段壩基均平行布置3排帷幕孔。一期大壩上游帷幕中間排為主帷幕孔，孔深為0.7倍上游水深，前排孔約為0.7倍主帷幕孔深，后排孔約為0.5倍主帷幕孔深；二期大壩考慮到壩基存在尚未完全挖除的撓曲破碎帶，上游帷幕上游排和中間排均為主帷幕孔，孔深均至設(shè)計幕底，下游排作為副帷幕孔，孔深約為主帷幕孔深的0.5倍。一期大壩左非10壩段～左壩頭高程384 m灌漿平洞、二期大壩右非8壩段～右壩頭灌漿平洞平行布置2排帷幕孔，上游排為主帷幕孔，下游排為副帷幕孔，孔深約為主帷幕孔深的0.7倍。另外，考慮對分布在上游防滲線路的左岸岸坡壩段下覆的擠壓帶、右泄水壩段下覆的撓曲核部破碎帶進行加強處理，適當(dāng)加深左岸岸坡壩段左非13～左壩頭高程384 m灌漿平洞深150 m范圍內(nèi)的上游帷幕副帷幕孔的深度，以確保有2排帷幕孔穿過擠壓帶；對于右泄水壩段下覆的撓曲核部破碎帶，則加深了泄7～13壩段上游帷幕第3排孔的深度，以確保有3排帷幕孔穿過撓曲核部破碎帶。

(2) 壩基防滲復(fù)合灌漿。根據(jù)滲流分析成果、結(jié)合壩基開挖揭露的地質(zhì)條件并適當(dāng)考慮現(xiàn)場帷幕灌漿施工現(xiàn)狀，在現(xiàn)場常規(guī)水泥(包括濕磨細水泥)灌漿效果不理想的情況下，在以下部位設(shè)置了化學(xué)灌漿，選用CW環(huán)氧樹脂灌漿材料：①左非9～12壩段壩基上游帷幕穿過擠壓帶范圍；②泄8壩段中線～泄13壩段壩基上游帷幕穿過撓曲破碎帶上分支范圍；③泄6壩基防滲墻底部、泄7～8壩段中線壩基上游帷幕穿過撓曲破碎帶下分支范圍。

3 滲控措施效果檢驗

3.1 典型壩段壩基揚壓力監(jiān)測

2012年10月10日,導(dǎo)流底孔下閘,水庫開始蓄水;10月16日下午,壩前水位蓄至高程353 m，10月23日,監(jiān)測數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。

沖沙孔壩段基巖面共布置有9支滲壓計，以該壩段作為典型壩段,對滲壓計監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行了分析。分析結(jié)果表明，沖沙孔壩段壩基面實測揚壓力均小于按規(guī)范計算的揚壓力，且有較大的安全裕度。

3.2 大壩及壩基應(yīng)力、變形監(jiān)測

(1) 壩基應(yīng)力。為了監(jiān)測在壩基布置了壓應(yīng)力計。監(jiān)測分析結(jié)果表明，壩基應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，蓄水后壩基應(yīng)力變化較小，壓應(yīng)力均有不同程度增大，典型壩段最大增加值為0.25 MPa，壩基面總體應(yīng)力水平較低。

(2) 深齒槽部位壩基深部軟弱夾層的相對位移。泄4，6，10壩段均采用倒垂孔進行深部水平位移監(jiān)測。監(jiān)測成果表明，泄4、6壩段壩基深部軟弱夾層可能存在相對位移情況，但位移量值不大，均在5 mm以內(nèi)。各壩段垂線數(shù)據(jù)顯示在蓄水至354 m高程后，變形趨于穩(wěn)定。

(3) 深齒槽高程210 m廊道不均勻沉降。自蓄水以來，210 m廊道垂直位移變形量隨庫水位的上升而變化，總體變形幅度不大，庫水位蓄至高程354 m后變形趨于穩(wěn)定。至11月10日，航1～泄6壩段壩軸線附近的各測點均為沉降變形趨勢，測點累計沉降量在1.01～1.61 mm之間，各相鄰壩段不均勻沉降均在0.2 mm以內(nèi)，未發(fā)生不均勻沉降。下游側(cè)0+132.000廊道附近測點累計沉降量在-0.72～-0.45 mm之間，變形較小，各相鄰壩段不均勻沉降均很小。壩基總體呈略向上游傾斜，但量值很小。

(4) 壩體高程243～245 m基礎(chǔ)廊道不均勻沉降。高程243 m縱向排水廊道測點均呈現(xiàn)沉降趨勢，其中泄12以右壩段沉降在0.5 mm以內(nèi)，泄12以左至航運壩段沉降量隨庫水位的上升而變化，庫水位蓄至高程354 m后變形趨于穩(wěn)定。第2排縱向排水廊道和下游廊道垂直位移也隨庫水位的上升而變化，但變幅相對較小。至11月10日，高程243 m縱向排水廊道測點垂直位移累計變化在-0.14～1.17 mm之間，第2排縱向排水廊道和下游廊道垂直位移累計變化分別在0.11～0.93 mm，-0.51～0.34 mm之間，各相鄰壩段不均勻沉降均在0.5 mm以內(nèi)，未發(fā)生不均勻沉降。

4 實施效果綜合評價

2012年10月10日，導(dǎo)流底孔下閘水庫開始蓄水，10月16日下午壩前水位蓄至高程353 m，向家壩水電站大壩上游一線滲控工程經(jīng)受住了初期蓄水考驗。監(jiān)測資料顯示出如下結(jié)果。

(1) 壩基揚壓力。河床壩段壩基揚壓力水平均較低，其中左泄水壩段和廠房壩段由于深齒槽的存在形成了較強的"漏斗"效應(yīng)，壩基揚壓力遠低于按規(guī)范計算的揚壓力。

(2) 壩基應(yīng)力。壩基應(yīng)力均為壓應(yīng)力，總體應(yīng)力水平較低，蓄水后壩基應(yīng)力變化較小，壓應(yīng)力有不同程度加大，最大增加為0.25 MPa。

(3) 壩基及壩體變形。泄水壩段壩基深部軟弱夾層存在相對位移的可能，但位移量值不大，均在5 mm以內(nèi)；各壩段垂線數(shù)據(jù)顯示，在蓄水至354 m高程后變形趨于穩(wěn)定；各壩段未見不均勻沉降情況。

因此，在經(jīng)過一系列針對軟弱破碎巖體的滲控工程處理措施后，壩基上游一線防滲體系經(jīng)受了工程蓄水及運行檢驗。為確保軟弱破碎巖體在長期運行過程中的滲透穩(wěn)定，仍需加強對監(jiān)測資料的整理和分析，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。