探析盤石頭水庫雞冠山防滲帷幕設(shè)計要點

于 軍

(河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，鄭州 450000)

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探析盤石頭水庫雞冠山防滲帷幕設(shè)計要點

于 軍

(河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，鄭州 450000)

盤石頭水庫以防洪、工業(yè)及城市生活供水為主，兼顧農(nóng)田灌溉、結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。由于在右岸雞冠山單薄山體中存在多條與泄洪洞大角度相交的斷層，滲透/排泄條件發(fā)育，泄洪洞排水孔水流部分呈射流狀態(tài)，流速高，沖擊洞壁發(fā)出巨大聲響，滲漏問題嚴(yán)重。文章結(jié)合盤石頭水庫工程項目案例，針對水庫壩區(qū)的防滲處理進(jìn)行闡述，介紹了防滲帷幕設(shè)計要點，以期為類似工程設(shè)計提供參考借鑒。

盤石頭水庫；防滲設(shè)計；生產(chǎn)性灌漿試驗；防滲；設(shè)計

1 工程基本情況

盤石頭水庫位于鶴壁市西南約15km的衛(wèi)河支流淇河中游盤石頭村附近。該水庫《海河流域綜合規(guī)劃》選定的以防洪、工業(yè)及城市生活供水為主，兼顧農(nóng)田灌溉、結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。

2 工程現(xiàn)狀及存在問題

盤石頭水庫工程于1999年底開工興建，目前主體工程已經(jīng)完成，水庫于2004年2月完成蓄水安全鑒定，并于2007年6月底下閘蓄水。水庫下閘蓄水8年多來的工程觀測資料分析成果表明，壩基及左岸滲漏情況基本正常，而由于在右岸雞冠山單薄山體中存在多條與泄洪洞大角度相交的斷層，滲透/排泄條件發(fā)育，泄洪洞排水孔水流部分呈射流狀態(tài)，流速高，沖擊洞壁發(fā)出巨大聲響，滲漏問題嚴(yán)重。

根據(jù)實測滲流量資料，當(dāng)庫水位為239.03m時，水庫地表滲流量達(dá)到0.403m3/s，考慮地下潛流后及臨谷滲流等因素，水庫總滲流量可達(dá)0.806m3/s，水庫年滲漏量為2541.8萬m3；若庫水位達(dá)到設(shè)計正常蓄水位254.0m，推測水庫年滲漏量將為3216.67萬m3，水庫達(dá)到中等滲漏程度。如不處理，隨著蓄水位抬高，將導(dǎo)致右岸單薄山體及泄洪洞滲流量加大，并造成右岸泄洪洞所承受的外水壓力超過設(shè)計值。經(jīng)檢測，兩條泄洪洞襯砌已出現(xiàn)裂縫千余條，部分裂縫鋼筋截面積銹蝕率達(dá)22.56%～27.75%，結(jié)構(gòu)安全性降低。

為保證水庫的安全運行和防洪、供水等正常功能的發(fā)揮，對右岸雞冠山進(jìn)行滲漏處理及對泄洪洞進(jìn)行加固是十分必要和迫切的。

3 本工程地質(zhì)條件

1)雞冠山山形單薄陡峭，位于壩址區(qū)右壩肩。出露地層為寒武系中、下統(tǒng)地層，上第三系地層及第四系沖積、沖洪積、坡崩積層，其中∈2地層分布在高程270～300m以上；∈1地層多分布在高程46～300m之間，其中下部地層埋藏于地下；第三系僅零星出露；第四系分布于河谷及兩岸沖溝、山坡。

2)雞冠山位于馬鞍山背斜東翼。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)以斷裂為主，一般為NE向高傾角正斷層，同時節(jié)理及風(fēng)化卸荷裂隙較發(fā)育。巖層產(chǎn)狀平緩。

3)場區(qū)屬區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好的地段，地震動峰加速度值為0.15g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

4)場區(qū)的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r不同程度的發(fā)育有溶蝕現(xiàn)象，多表現(xiàn)為溶縫、溶孔，巖溶發(fā)育受構(gòu)造和巖性控制作用明顯。

5)場區(qū)地下水可分為基巖層間巖溶裂隙潛水及第四系潛水兩種類型?；鶐r裂隙潛水、河水、第四系孔隙潛水對混凝土無侵蝕性，對混凝土中鋼筋無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

4 雞冠山防滲帷幕設(shè)計

4.1 防滲帷幕布置

右岸雞冠山單薄分水嶺滲漏處理采用封閉式防滲帷幕，幕底伸入基巖相對隔水層，以截斷滲流通道。帷幕起點樁號為0+000，位于盤石頭水庫右壩頭，大壩樁號0+633.53，起點和右岸岸幕相接；為加強新老帷幕連接，確保岸幕防滲效果，本次帷幕起點沿右岸岸幕大壩方向延伸幕線，增加布置雙排帷幕，共計15個灌漿孔，幕底深度按本次設(shè)計伸入相對隔水層。

帷幕終點設(shè)置：①根據(jù)工程地質(zhì)對雞冠山滲漏問題評價及建議，雞冠山滲漏斷層帶影響范圍至F7斷層，“F7斷層至東南雄厚山體50m范圍為斷層上盤影響帶，多為灰?guī)r脆性巖體，斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育，為減少水庫滲漏量，需進(jìn)行防滲處理”；②根據(jù)地形條件，帷幕軸線與F7斷層呈150o交叉，由于該斷層最大寬度達(dá)20m，帷幕范圍如需完全覆蓋斷層，終點需向南延伸60m。根據(jù)地形、地質(zhì)條件綜合分析，為覆蓋雞冠山F7以北斷層帶并切斷該斷層以南影響帶，設(shè)計帷幕終點位于F7斷層以南約60m，樁號1+026，可有效截斷區(qū)間滲漏途徑。

雞冠山防滲帷幕設(shè)計為前后兩排，排距1.5m，斷層帶及滲漏嚴(yán)重地段加強灌漿，帷幕加密至三排。帷幕樁號0+000～0+450沿現(xiàn)有通往1#、2#泄洪洞278m高程道路布置，278m道路作為灌漿平臺；278m道路以南根據(jù)現(xiàn)有地形修建臨時施工道路作為帷幕樁號0+450～1+026灌漿平臺，路面高程278m～264m，后期為永久管理道路，道路凈寬4.5m，終點在穿越F7斷層后向南約60m結(jié)束。灌漿孔距參照右岸岸幕灌漿，并考慮壩區(qū)斷層裂隙產(chǎn)狀陡傾角特點，帷幕孔距按1.5m布置。防滲帷幕施工應(yīng)按輕重緩急分段實施，首先封堵地質(zhì)斷層帶，由施工地質(zhì)確認(rèn)本區(qū)滲漏途徑與斷層的關(guān)系，根據(jù)防滲效果進(jìn)一步優(yōu)化或加強防滲工程布置。

4.2 帷幕厚度、鉆孔排數(shù)和深度

4.2.1 帷幕厚度及鉆孔排數(shù)

1)帷幕的厚度主要是根據(jù)工程地質(zhì)條件，帷幕允許的水力坡降，基巖的防滲標(biāo)準(zhǔn)和幕體本身的密實性、穩(wěn)定性而決定的。

帷幕厚度可按《大壩基巖灌漿》中的下列公式進(jìn)行計算：

T=(δ/Ia)H

(1)

式中：T為帷幕厚度，m；δ為通過帷幕的水頭衰減系數(shù)(δ=帷幕前后的水頭差/水頭)，設(shè)計取值為1；Ia為幕體內(nèi)(即帷幕前后)的允許水力坡降，根據(jù)幕體透水性按≤3lu控制，允許水力坡降Ia取15；H為水頭，m，=正常蓄水位254m-泄洪洞進(jìn)口洞口頂部高程224.3m=29.7m

經(jīng)計算，帷幕厚度T為1.98m，設(shè)計取2m。

2)帷幕幕厚與孔距的關(guān)系可按下列公式進(jìn)行計算：

T=D(tan300+(N-1)sin600)，

即T=(0.87N-0.29)D

(2)

式中：D為帷幕孔間距，m，設(shè)計取1.5m；N為帷幕鉆孔的排數(shù)；即一排鉆孔帷幕厚度T1=0.58D=0.87m，二排鉆孔帷幕厚度T2=1.45D=2.175m，三排鉆孔帷幕厚度T3=2.32D=3.48m。

由此可見帷幕鉆孔設(shè)兩排時，其幕厚2.175m大于計算厚度2m，滿足要求。

3)根據(jù)以上計算分析并結(jié)合國內(nèi)工程實踐，盤石頭水庫右岸雞冠山單薄分水嶺巖石破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、透水性大，為保證帷幕的密實性，減少滲透性，使巖石透水率達(dá)到3lu以內(nèi)，需設(shè)置二排防滲帷幕。

4.2.2 帷幕深度

1)帷幕幕底：防滲帷幕以截斷橫穿雞冠山單薄分水嶺主要滲漏通道為目的，帷幕深度取決于地層巖性的透水性，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)勘探資料，雞冠山圍巖相對隔水層為∈頁巖層及3lu線，高程170.00～214.20m，帷幕底界按接入∈111頁巖層和入3lu線5m控制(取深度較大者)，斷層帶超出3lu線部分(如F7斷層)結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗帷幕底界按進(jìn)入主河槽基巖高程以下0.3倍水頭深度控制。

2)帷幕幕頂：盤石頭水庫正常蓄水位為254m，2000a一遇校核洪水位275.0m，考慮到1#、2#泄洪洞均在278m道路以北，為保證雞冠山圍巖防滲效果，擬定278m道路灌漿平臺(樁號0+000～0+450)帷幕頂按高出2000a一遇設(shè)計洪水位控制，設(shè)計取275m；278m道路以南灌漿平臺(樁號0+450～1+026)帷幕頂按高出正常蓄水位6m控制，設(shè)計取260m。帷幕頂至灌漿平臺鉆孔采用自重壓力灌漿，以封堵孔周裂隙，減少跑漏漿；同時為保證灌漿效果，帷幕頂以上設(shè)≥3m厚基巖蓋重，防止巖石表面漏漿，提高灌漿質(zhì)量，278m道路以南灌漿平臺設(shè)計高程在264m以上。

3)帷幕深度：根據(jù)防滲帷幕布置，帷幕樁號0+000～0+450灌漿平臺為278m高程現(xiàn)有道路，帷幕灌漿深度一般為87～132m；帷幕樁號0+450～1+026灌漿平臺為新修建278～264m高程施工道路，帷幕灌漿深度一般為75～117m，F(xiàn)7斷層部位帷幕最大深度117m。

防滲帷幕實施前，需結(jié)合部分先導(dǎo)孔實際地質(zhì)資料和壓水試驗結(jié)果，修正完善防滲帷幕地質(zhì)剖面，增加風(fēng)化分帶界線和滲透性分帶等內(nèi)容，并以此為依據(jù)，對防滲剖面帷幕底部高程進(jìn)行調(diào)整。

4.3 帷幕穿越1#、2#泄洪洞設(shè)計

雞冠山防滲帷幕在樁號0+295.3、0+436.2分別與1#、2#泄洪洞交叉，交叉處帷幕設(shè)計底高程分別為187m、186.8m。為防止帷幕擊穿泄洪洞，帷幕底邊界控制在頂拱以上2m，直墻外側(cè)帷幕距襯砌邊按≥2m控制，同時灌漿壓力≤1MPa。

為確保1、2#泄洪洞洞頂帷幕可靠封閉，洞內(nèi)頂拱應(yīng)實施加強固結(jié)灌漿處理，固接深度入基巖7m，同帷幕重合5m，同時在不影響襯砌安全前提下適當(dāng)加大固結(jié)灌漿壓力，確保灌漿效果。洞底以下防滲帷幕，1#洞采用洞內(nèi)鉆孔灌漿方法實施，若困難較大，也可采用斜孔灌漿法；2#泄洪洞，由于導(dǎo)流洞封堵已實施灌漿，且洞身圍巖處于相對隔水層，僅需對龍?zhí)ь^洞頂以上圍巖灌漿。

5 生產(chǎn)性灌漿試驗

雞冠山防滲帷幕實施前應(yīng)先進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗，根據(jù)巖石破碎程度及試驗結(jié)果，確定灌漿工藝及相關(guān)參數(shù)。

5.1 防滲帷幕生產(chǎn)試驗布置

根據(jù)工程建筑物布置及地質(zhì)條件，在雞冠山主帷幕區(qū)域附近選取非斷層帶和斷層帶作為代表性試驗段。

1)二排帷幕灌漿生產(chǎn)試驗選擇在非斷層地段，如F117與F148斷層之間，沿現(xiàn)有通往1#、2#泄洪洞278m道路布置，278m道路作為灌漿平臺。二排帷幕孔，單排9孔，計18個灌漿孔，排距1.5m，孔距1.5m?？孜徊贾靡姸裴∧还酀{孔孔位布置圖。

圖1 二排帷幕灌漿孔孔位布置圖

2)三排帷幕灌漿生產(chǎn)試驗段，選擇在斷層地段，如F7斷層，樁號0+931.5～0+996，沿278m道路以南修建臨時施工道路，作為灌漿平臺。三排帷幕孔，單排9孔，三排計27個灌漿孔。孔位布置見三排帷幕灌漿孔孔位布置圖。

圖2 三排帷幕灌漿孔孔位布置圖

5.2 試驗?zāi)康?/p>

帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗包括對鉆孔、灌漿孔布置方式(排距、孔距)、孔深、壓水、灌漿分段、灌漿壓力等有關(guān)參數(shù)、材料、設(shè)備性能及施工工藝措施等內(nèi)容可行性作驗證性試驗，取得鉆孔、灌漿孔布置方式、孔深、壓水、灌漿分段、灌漿壓力等有關(guān)參數(shù)的可行性及檢查灌漿效果，整理、分析各序孔和檢查孔的單位吸水率、單位耗灰量等試驗資料及經(jīng)驗。

[1]肖東旭.帷幕灌漿施工工藝與質(zhì)量控制分析[J].黑龍江水利科技，2015(02)：13.

[2]邱一柳.中小型水庫主壩帷幕灌漿施工技術(shù)探析[J].科技展望，2015(06)：49.

[3]羅崇霄.帷幕灌漿在水庫中的應(yīng)用[J].中國建材科技，2012(01)：68.

TV543

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1007-7596(2016)08-0069-02

2016-06-18

范博(1983-)，男，遼寧遼陽人，工程師，從事水文測驗、水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等工作。