某水電站明渠局部滲涌水與變形原因分析及處理

劉義彬,劉邑飛,蘇建明,彭仕雄

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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某水電站明渠局部滲涌水與變形原因分析及處理

劉義彬,劉邑飛,蘇建明,彭仕雄

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都610072)

本文首先介紹了某水電站明渠漏水變形情況以及可能對工程造成的嚴(yán)重后果；然后，介紹了漏水變形部位巖土體類別及抗沖性能；同時，介紹了水工模型試驗研究成果，即下游河床可能的主要沖刷部位及各部位可能的沖刷程度。在此基礎(chǔ)上對明渠漏水及變形原因進行了深入的分析，并介紹了防護處理措施及防護處理效果。最后對水電站下游河道抗沖防護問題提出了建議。

滲涌水;變形;允許抗沖流速;地下水滲徑;抗沖樁

1　概　　況

某水電站位于雅礱江流域，是以發(fā)電為主的綜合利用水利樞紐。該水電站水庫正常蓄水位1 015 m，壩高69.5 m，裝機容量為600 MW。工程樞紐建筑物從左到右依次為左岸擋水壩、廠房壩段、河床四孔泄洪閘壩段、明渠三孔泄洪閘壩段及右岸擋水壩段。

2　滲涌水與變形情況

三期工程(右岸明渠3孔泄洪閘)施工時間為2014年6月～2015年6月。2015年2月11日，明渠左導(dǎo)墻墻腳樁號明渠0+155 m分縫上游約1 m左右水平施工縫位置，原局部滲水量突然變?yōu)橛克?見圖1)，涌水水柱距底板頂面高約30～50 cm，水質(zhì)清澈，未見明顯巖屑等物質(zhì)。導(dǎo)墻底板①-2、①-3及明渠底板⑤-2周邊結(jié)構(gòu)縫滲水變大，尤其⑤-2周邊滲水變大較為明顯，由滲水演變?yōu)橛克?，最大涌水水柱距離底板頂面高5 cm；①-3塊為0+170 m結(jié)構(gòu)縫處為點狀滲水現(xiàn)象(見圖1)，滲涌水總量約為400～600 m3/h。當(dāng)時，三期圍堰已截流，并進行三期施工，河水從河床四孔泄洪閘過流，下泄流量約1 000 m3/s。

明渠護坦⑤-2塊結(jié)構(gòu)發(fā)生局部沉降，相對于周邊塊下沉約1～5 cm；左導(dǎo)墻頂在明渠0+155 m、明渠0+170 m、明渠0+185 m結(jié)構(gòu)縫部位有向河床一側(cè)變形現(xiàn)象(約2～3 mm)。

以上情況如繼續(xù)惡化會導(dǎo)致涌水加劇或明渠左導(dǎo)墻失穩(wěn)，嚴(yán)重影響三期施工。為此，需弄清滲涌水及變形原因，以便采取針對性的防護措施。

圖1　明渠導(dǎo)墻底板滲涌水位置示意

3　滲涌水與變形部位工程地質(zhì)條件

3.1左導(dǎo)墻及明渠底板

明渠左導(dǎo)墻采用混凝土“L”型結(jié)構(gòu)，樁號為左導(dǎo)墻0+125～0+326.3 m；墻頂高程為1 014～1 004 m，左導(dǎo)墻建基面高程974 m。左導(dǎo)墻末端110.3 m采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，連續(xù)墻埋深約10～29 m。

明渠底板于明渠軸線0+125～0+180.00 m段建基面高程為981.0 m， 0+180.00～0+309.5 m段建基面高程為981.0～985.0 m，明渠底板厚度為2.5 m。明渠軸線0+309.5 m下游為覆蓋層，采用連續(xù)墻基礎(chǔ)，連續(xù)墻頂高程為981.00 m，明渠底板厚6.0 m。

F1斷層產(chǎn)狀N40°～50°W/NE∠65°～75°，斷層帶及其影響帶寬約25 m，斷層帶由碳質(zhì)頁巖及粉碎巖組成，斷層影響帶主要為碳質(zhì)頁巖夾砂巖。斷層帶及影響帶抗沖刷能力極差，透水性微弱。

F1斷層及其影響帶以上游建基面巖性為混合巖，弱風(fēng)化Ⅳ類巖體，弱至中等透水，抗沖能力差。

F1斷層及其影響帶以下游建基面為弱風(fēng)化砂質(zhì)頁巖夾砂巖(Ⅴ類巖體)以及砂巖夾有少量頁巖和煤線(Ⅳ類巖)；明渠軸線0+309.5 m以下游段覆蓋層厚，以粉砂質(zhì)粘土為主，表部為砂卵石，采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)。

3.2河床四孔泄洪閘消力池下游河床

河床四孔泄洪閘消力池下游齒槽樁號為壩0+125 m，齒槽建基面高程為956～960 m，消力池頂板高程為970 m。

消力池齒槽下游為天然河床，基巖以Ⅳ類混合巖為主，其中，右下角(壩0+175～0+200 m靠左導(dǎo)墻部位)為F1斷層及影響帶，Ⅴ類巖體。壩0+125～0+200 m范圍內(nèi)基巖頂板高程為952～986 m，頂板較低部位位于壩0+160 m附近、靠廠房縱向?qū)б粋?cè)；左導(dǎo)墻左側(cè)墻腳附近基巖頂板高程為983～986 m。Ⅳ類巖體抗沖刷能力差，Ⅴ類巖體抗沖刷能力極差。

河床覆蓋層厚約17～37 m，頂?shù)诪樯奥咽瘜?，中部為桐子林組粉砂質(zhì)黏土(厚約15～24 m)，覆蓋層抗沖刷能力極差。

3.3漏水變形點工程地質(zhì)條件

①-2號明渠底板地基以Ⅳ類混合巖為主，漏水量最大的左下角地基為Ⅳ類混合巖，位于F1斷層上游約8 m；右下角局部處于F1斷層帶上，

①-3號明渠底板左上部分為Ⅳ類混合巖，右下部分為F1斷層及影響帶。

⑤-2號明渠底板左上角部分為Ⅳ類混合巖，其余部分為F1斷層及影響帶。

開挖揭示地質(zhì)條件與前期勘察結(jié)論基本一致。

可研階段，根據(jù)工程類比提出了壩區(qū)巖土體允許抗沖流速建議值，見表1。

表1　壩區(qū)巖土體允許抗沖流速建議值

4　前期水工模型試驗情況

招標(biāo)技施設(shè)計階段工程樞紐整體水工模型試驗結(jié)果表明，常年洪水(見圖2)、50年一遇、100年一遇洪水情況下，明渠四孔泄洪閘消力池后水流流速大于該部位土體允許抗沖流速，有的部位流速大于巖體抗沖流速；河床0+168～0+185 m處，沖坑最深點高程為956～962 m；明渠導(dǎo)墻地基部位沖刷高程在962～965 m之間，低于左導(dǎo)墻建基面高程974 m。

明渠出現(xiàn)滲涌水時，河水流量較小，為1 000 m3/s左右，但導(dǎo)墻地基及河床部位巖土體已遭到較嚴(yán)重的沖刷。

圖2工況8060m3/s 下游沖刷地形(1號、2號孔全開，3號孔局開，電站全發(fā))

5　勘探、檢測及監(jiān)測情況

針對明渠滲涌水情況、明渠底板變形情況、左導(dǎo)墻變形情況，進行了如下勘探和檢測:進行了地質(zhì)鉆孔取芯;在地質(zhì)鉆孔內(nèi)進行了孔內(nèi)電視、孔內(nèi)錄像、孔內(nèi)聲波、壓水試驗、鹽化試驗;并在地質(zhì)鉆孔間進行了連通試驗;在明渠底板表面縱橫剖面上進行地震反射波測試;左導(dǎo)墻布置了外觀測點、傾角計、水準(zhǔn)點等監(jiān)測手段。

鉆孔巖芯、孔內(nèi)電視、孔內(nèi)聲波、鹽化試驗表明:明渠底板出水點主要在混凝土內(nèi)，其次為混凝土與基巖的接觸面，基巖內(nèi)未發(fā)現(xiàn)出水點;混凝土與基巖接觸面無明顯的脫空;明渠混凝土蜂窩、麻面現(xiàn)象較嚴(yán)重，左導(dǎo)墻底部基巖附近的1～2m 混凝土巖性非常破碎。

孔內(nèi)壓水試驗表明:F1 斷層及斷層影響帶為微透水;Ⅳ類混合巖為弱～中等透水;混凝土內(nèi)及混凝土與基巖接觸面存在強透水帶，混凝土內(nèi)存在冷縫現(xiàn)象，明渠混凝土與基巖接觸部位存在淘刷情況，但未完全貫通;位于明渠底板表部止水部分失效。

孔內(nèi)錄像表明:水流方向向右岸，水源為河水。

鉆孔間連通試驗表明:水源為河水，地下水流速為1.5m/min。

地震反射波測試表明:明渠底板以下無明顯的、大范圍的脫空帶存在。

左導(dǎo)墻外側(cè)地形測量表明:河床四孔泄洪閘過流后，左導(dǎo)墻外側(cè)地基受到了沖刷，主涌水點附近沖刷深度低于建基面2m(EL972m)，水平方向沖刷深度未超過3m。

監(jiān)測資料表明:自監(jiān)測儀器安裝后，左導(dǎo)墻未發(fā)現(xiàn)明顯變形。

水量觀測表明:自出現(xiàn)涌水以來，水量未明顯進一步變大。

6　明渠滲涌水及變形原因分析

(1)滲涌水原因分析。綜上所述，滲漏水原因為:明渠底板與混凝土接觸面固結(jié)灌漿效果欠佳，混凝土內(nèi)存在豎向及水平向冷縫及裂縫，同時存在蜂窩等缺陷，設(shè)置于明渠底板表部的止水部分失效，存在過水通道。巖土體抗沖性能差，但未進行防沖保護，河床四孔泄洪閘過水后對消力池下游天然河床部位覆蓋層及基巖、左導(dǎo)墻地基進行了沖刷，導(dǎo)致地下水滲徑變短，水壓增大。河水沿混凝土內(nèi)缺陷、混凝土與基巖接觸面滲漏入導(dǎo)流明渠(三期基坑)內(nèi)。

(2)變形分析。⑤-2塊底板出現(xiàn)1～5cm沉降，主要原因為該塊建基面以F1斷層及影響帶為主，為碳質(zhì)頁巖，V級巖體，其中右上角局部為混合巖，Ⅳ級體;在滲水作用下接觸面處F1斷層及其影響帶物質(zhì)被部分帶走，在載重汽車反復(fù)碾壓下，底板出現(xiàn)沉降變形。

左導(dǎo)墻頂在明渠0+155m、明渠0+170m、明渠0+185m結(jié)構(gòu)縫部位有向河床一側(cè)變形現(xiàn)象(約2～3mm)，主要原因為左導(dǎo)墻地基受河水沖刷、淘蝕，并在河水作用下引起了導(dǎo)墻不均勻錯動變形。

7　明渠滲涌水、變形處理措施

監(jiān)測資料顯示，發(fā)現(xiàn)滲涌水后，左導(dǎo)墻變形未發(fā)現(xiàn)進一步增加，基本穩(wěn)定;滲涌水量未明顯增大，對三期施工影響不大。但考慮到汛期各種流量下河水的沖刷，對左導(dǎo)墻地基進行了防沖處理設(shè)計;對明渠底板及地基進行了固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，封堵滲漏通道;同時對出現(xiàn)沉降的明渠底板設(shè)置錨筋樁，增加底板抗浮力。

具體處理措施如下:在明渠左導(dǎo)墻(左導(dǎo))0+130.00～(左導(dǎo))0+214.00m頂部范圍設(shè)置抗沖樁，樁頂高程1004.00m，鋼筋進入導(dǎo)墻底高程以上2.5m，樁底高程為956.00m。樁中心距離導(dǎo)墻左側(cè)2.5m，樁直徑1.0m，間距1.5m。

在① -2、①-3、①-4、①-5、⑤-2、⑥、瑏瑦-1、瑏瑦-2塊底板進行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿深度控制在建基面以下5.0～9.8m，間排距3.0m。

在① -2、① -3、① -4、① -5 塊左導(dǎo)墻底部平行導(dǎo)墻底邊線布置2排帷幕灌漿，排距50 cm。第一排(靠左側(cè))距離墻角1.0m 位置，帷幕深度入巖24.0m，第二排(靠右側(cè))深度為第一排的1 /2;孔間距1.5m。

⑤ -2、⑥、瑏瑦-1、瑏瑦-2 塊明渠底板加固采用錨筋束，深入基巖深度9.8m，間排距均為3.0m。

同時設(shè)計了外觀點、水準(zhǔn)點、傾角計等永久監(jiān)測手段。

8　結(jié)　語

導(dǎo)流明渠開挖揭示地質(zhì)條件與前期勘察結(jié)論基本一致。在查明滲涌水及變形原因的基礎(chǔ)上，采取了以上防護處理措施，已經(jīng)過一個汛期的檢驗，監(jiān)測資料顯示，明渠運行正常，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，處理效果好。

根據(jù)實際沖刷情況來看，桐子林工程前期提出的巖土體允許抗沖流速是基本合適的，水工模型試驗成果也具有很好的參考價值。

水電工程抗沖刷研究，需從兩方面進行:一方面根據(jù)巖土體特性，提出允許抗沖流速;另一方面，根據(jù)水工模型試驗，了解工程各部位可能出現(xiàn)的沖刷情況。水電工程在抗沖刷研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)充分重視對下游各可能遭受沖刷的部位進行防護。

2016-03-07

劉義彬(1967-)，男，重慶人，高級工程師,從事水電工程地質(zhì)勘察工作。

TU46

B

1003-9805(2016)03-0045-03