巖溶地區(qū)防滲帷幕采用不封閉及間斷式布置探討

劉 銳，李思宇，張新華

(1.黔南州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 都勻 558000；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開放保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

巖溶地區(qū)防滲帷幕采用不封閉及間斷式布置探討

劉 銳1，李思宇2，張新華2

(1.黔南州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 都勻 558000；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開放保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

防滲帷幕在巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式布置已有成功的案例，但因缺乏理論支撐，在實(shí)施過(guò)程中也存在爭(zhēng)議和風(fēng)險(xiǎn).為此，本文在對(duì)多個(gè)工程案例進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有較成熟的理論，通過(guò)簡(jiǎn)化模型，以水力學(xué)為基礎(chǔ)，論證了這種布置方式與Lane統(tǒng)計(jì)法具有較高的吻合度.因此，在實(shí)際工作中，結(jié)合工程具體情況，在獲得詳實(shí)的地勘資料基礎(chǔ)上，就可以在巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式防滲帷幕布置，從而有利于加快工程建設(shè)進(jìn)度和節(jié)省投資.

防滲帷幕；巖溶；不封閉及間斷式布置；水力學(xué)；Lane統(tǒng)計(jì)法

從1970年開始，以烏江渡大壩為里程碑，我國(guó)開始在巖溶地區(qū)修建高壩，1985年后的隔河巖、東風(fēng)、觀音閣、1992年的五里沖及后來(lái)的江埡、高壩洲、洪家渡及烏江梯級(jí)等眾多水利水電工程的開工建設(shè)，使我國(guó)在巖溶發(fā)育地區(qū)修建高壩的壩基防滲處理取得了豐富經(jīng)驗(yàn)，并形成了以下共識(shí)[1]:(1)注重巖溶地區(qū)防滲處理的重要性與建壩的地質(zhì)勘測(cè)工作；(2)認(rèn)真分析巖溶地區(qū)防滲帷幕灌漿特點(diǎn)；(3)重視巖溶地區(qū)設(shè)置防滲帷幕應(yīng)遵循的原則；(4)重視并研究施工技術(shù)與特殊地段的處理.

由于巖溶地區(qū)帷幕灌漿在工程投資中所占比重較大，一般會(huì)在工程直接投資中占到15%～40%.為了降低工程造價(jià)和縮短建設(shè)工期，工程實(shí)踐中采用不封閉及間斷式布置成為了解決該問(wèn)題的關(guān)鍵.但是，由于缺乏相關(guān)理論支撐，使得該壩基處理方式在巖溶地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到一定限制.為此，本文以近年來(lái)在巖溶地區(qū)修建的不同工程實(shí)例為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析與總結(jié)，結(jié)合較成熟的理論，以水力學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)簡(jiǎn)化模型，論證在巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式防滲帷幕處理壩基的可行性和實(shí)用性.

1 巖溶地區(qū)防滲帷幕采用不封閉及間斷式布置的由來(lái)

巖溶地區(qū)防滲帷幕的布置在原則上多采取平面端點(diǎn)和剖面深度上與相對(duì)隔水層連接的布置方式.如兩岸在平面上不能與相對(duì)隔水層搭接或相對(duì)隔水層分布較遠(yuǎn)，在勘察時(shí)也會(huì)通過(guò)布置于兩岸坡的水文地質(zhì)長(zhǎng)觀測(cè)孔來(lái)確定地下水位高于水庫(kù)正常蓄水位的地段，保證防滲帷幕的端點(diǎn)置于該地段.若剖面上不能與相對(duì)隔水層搭接，則根據(jù)大壩壩高、勘探孔呂榮值、兩岸坡地下水位分布等綜合確定大壩防滲帷幕的深度.從我國(guó)在巖溶地區(qū)多年以來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，這些原則為保證巖溶地區(qū)水庫(kù)正常蓄水起到了至關(guān)重要的作用.

不封閉及間斷式防滲帷幕布置，顧名思義，就是沒(méi)有按照上述原則，在防滲帷幕的平面端點(diǎn)上未形成封閉、總體布置上呈分段式布置的一種大壩防滲帷幕.這種布置形式，在上世紀(jì)60年代的南斯拉夫、80年代左右我國(guó)的中小型水利工程中已有應(yīng)用.在這期間采用這種布置形式，主要是受制于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面，在前期經(jīng)費(fèi)不足、勘察工作不到位，后期工程經(jīng)費(fèi)緊張的情況下不得已而為之.在這種情況下實(shí)施的工程項(xiàng)目，其結(jié)果是有的滲漏嚴(yán)重、有的少量滲漏、有的能正常蓄水.

隨著我國(guó)在巖溶地區(qū)興建的高壩大庫(kù)蓄水相繼成功，在巖溶發(fā)育地區(qū)修建高壩的壩基防滲處理方面也取得了豐富經(jīng)驗(yàn).然而，據(jù)統(tǒng)計(jì):從上世紀(jì)末到本世紀(jì)初，隨著發(fā)電集團(tuán)及民間資本進(jìn)入中小型水電開發(fā)領(lǐng)域以來(lái)，巖溶區(qū)大壩防滲處理費(fèi)用在工程直接投資中已占到15%～40%.因此，若不加分析地全面布設(shè)并加密防滲帷幕灌漿孔，對(duì)于業(yè)主來(lái)說(shuō)是難以接受的.于是在實(shí)踐中就出現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)、分段實(shí)施帷幕灌漿等情況.

針對(duì)以上問(wèn)題，本文在總結(jié)所掌握的大量設(shè)計(jì)項(xiàng)目、參與驗(yàn)收項(xiàng)目及其他相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析在巖溶區(qū)實(shí)施不封閉及間斷式防滲帷幕布置的可能性，為今后類似工程的壩基處理提供有關(guān)經(jīng)驗(yàn)與借鑒.

2 工程實(shí)例

河灣水電站的兩壩肩由平面可靠端點(diǎn)改為不封閉布置形式，左右兩岸均由設(shè)計(jì)的向下游反接三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)砂頁(yè)巖相對(duì)隔水層改為僅各實(shí)施200m，由此帶來(lái)的帷幕灌漿工程量較設(shè)計(jì)的減少了近20，000 m3；灰洞水電站右岸不封閉防滲帷幕布置形式，右岸設(shè)計(jì)為855m長(zhǎng)的硐內(nèi)灌漿，實(shí)施時(shí)改為200m，優(yōu)化了7100多米的有效進(jìn)尺；茶園水庫(kù)右岸埡口未封閉(屬間斷式帷幕布置)，右岸帷幕平面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為441 m，實(shí)施了366 m，右岸埡口未封閉[2].

3 采用不封閉及間斷式布置的研究和探討

以上三個(gè)項(xiàng)目中河灣和灰洞蓄水近5年、茶園水庫(kù)蓄水14年，工程均運(yùn)行正常，屬于強(qiáng)巖溶地區(qū)采用了不封閉及間斷式防滲帷幕布置方案較為成功的案例.在我國(guó)及貴州省類似情況也不少，如貓?zhí)右患?jí)電站右岸漏水0.2m3/s，原采用直孔灌漿，與陡傾角裂隙平行，未起作用，后改變?yōu)閮H打一個(gè)斜孔，斜穿裂隙，灌漿后即止漏.穿矸水庫(kù)采用間斷式布置，原設(shè)計(jì)69孔，總進(jìn)尺3933 m，實(shí)際只實(shí)施了21孔，總進(jìn)尺1051 m，也收到了較好的效果.貓?zhí)恿?jí)電站只向左右兩岸分別實(shí)施了120 m左右，在處理完左岸巖溶管道后也取得了較好的效果[3].在與烏江渡設(shè)總李森溝通交流中，李總也認(rèn)為在巖溶地區(qū)防滲帷幕采用不封閉及間斷式布置也是可行的，但烏江渡屬國(guó)內(nèi)第一個(gè)巖溶地區(qū)的高壩大庫(kù)，在防滲方案經(jīng)多方案比較最終采用了右岸帷幕接樂(lè)平煤組、左岸自Z117孔直接穿過(guò)長(zhǎng)興灰?guī)r到樂(lè)平煤組[4].

3.1 不封閉及間斷式防滲帷幕布置的基本要求

重視工程區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律的研究工作是不封閉及間斷式防滲帷幕布置的基礎(chǔ).巖性和地質(zhì)構(gòu)造是巖溶地貌發(fā)育的地質(zhì)背景，防滲帷幕的布置應(yīng)首先重視巖溶發(fā)育規(guī)律，從巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶地貌三方面入手.

3.1.1 巖性

巖溶發(fā)育于碳酸鹽巖，按可溶性巖石可分為石灰?guī)r類、白云巖類及硅質(zhì)結(jié)核灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r類.

巖石的化學(xué)成分、礦物成分是巖溶發(fā)育的首要因素，控制著巖溶發(fā)育速度和發(fā)育強(qiáng)度，不同成分碳酸鹽巖地表、地下巖溶發(fā)育情況及室內(nèi)不同成分碳酸鹽巖溶蝕試驗(yàn)的成果表明純灰?guī)r至純白云巖、純灰?guī)r至泥灰?guī)r(包括它們之間過(guò)渡類巖石)的比溶蝕度是逐漸減小的，地貌形態(tài)亦由溶蝕地貌向溶蝕ˉ侵蝕剝蝕地貌過(guò)渡，巖溶發(fā)育強(qiáng)度也由強(qiáng)至弱.孔隙及微裂隙是巖溶發(fā)育的微觀空間基礎(chǔ).就巖性條件而言，巖溶是在巖石化學(xué)成分及礦物成分主導(dǎo)因素控制下，水介質(zhì)通過(guò)構(gòu)造裂隙及與之連通的層間裂隙、縫合線、微裂隙及各種原生孔隙運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在水循環(huán)過(guò)程中對(duì)上述孔隙系統(tǒng)不斷溶蝕擴(kuò)大的過(guò)程.

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

斷裂對(duì)巖溶發(fā)育的控制體現(xiàn)在影響可溶性巖組的展布格局和為溶蝕作用提供地下水活動(dòng)空間兩個(gè)方面.巖層中的大型構(gòu)造節(jié)理和層間節(jié)理(包括橫張節(jié)理)在控制地表巖溶地貌和地下巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育方面起到制約作用.

3.1.3 巖溶地貌

我國(guó)巖溶地貌發(fā)育特征各不相同，陳祖安等認(rèn)為典型的長(zhǎng)江流域和珠江流域各有特點(diǎn)，在進(jìn)行前期工作時(shí)應(yīng)區(qū)分[5].同時(shí)，注重對(duì)地表水系的研究，認(rèn)真分析巖溶發(fā)育的水文網(wǎng)因素也是重要前提，水文網(wǎng)對(duì)地下水補(bǔ)、徑、排條件的影響，主要表現(xiàn)在對(duì)地表的切割程度和密度方面，水系對(duì)地表的分割和切割程度影響了地下水及其運(yùn)移方式，導(dǎo)致巖溶沿著不同的作用方式發(fā)育.

3.2 不封閉及間斷式防滲帷幕布置的理論基礎(chǔ)及其實(shí)用性探討

在工程實(shí)踐中，采用不封閉或間斷式防滲帷幕布置主要是采用先導(dǎo)孔實(shí)施后的主動(dòng)分期(業(yè)主基于經(jīng)濟(jì)考慮，對(duì)帷幕實(shí)施分期)和被動(dòng)分期(早期水利工程因投資不夠的被動(dòng)分期)，在方案確定上多以專家經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)性蓄水運(yùn)行等主觀判斷為主，因而缺乏理論支撐且存在一定風(fēng)險(xiǎn).

3.2.1 理論基礎(chǔ)

巖溶區(qū)碳酸鹽巖類大多屬中硬巖至堅(jiān)硬巖，巖石堅(jiān)硬，在地質(zhì)構(gòu)造切割不強(qiáng)烈的情況下，由于巖溶發(fā)育的不均一性及各向異性，巖溶發(fā)育主要沿巖層面順層走向發(fā)育，多形成個(gè)體式巖溶洞穴，壩基多構(gòu)成管道式滲流帶.而在管道式滲漏通道之外，巖層透水性很小，可以起到相對(duì)隔水作用，所以防滲帷幕不必進(jìn)行全面整體布置，即可采用不封閉式布置.但要進(jìn)行這種布置，必須通過(guò)詳盡的地質(zhì)勘查工作，查明工程區(qū)巖溶發(fā)育的基本特征.

采用不封閉或間斷式防滲帷幕布置的工程在壩區(qū)和近壩兩端的防滲帷幕都須嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如何建立工程模型是理論基礎(chǔ)所在.據(jù)剡公瑞、楊若瓊、周維垣等(1993)的相關(guān)研究，在采用高壓灌漿后，大壩帷幕巖體中裂隙面水泥結(jié)石的充填和膠結(jié)性能良好，通過(guò)電鏡下巖芯切片試樣的抗拉和抗壓試驗(yàn)得到巖體膠結(jié)面的抗壓強(qiáng)度σc＝40～70 MPa；結(jié)構(gòu)面的抗剪參數(shù)f＝0.55、c＝0.2MPa；抗拉強(qiáng)度σt＝0.27～2.18 MPa，均值σt＝1.3 MPa.通過(guò)掃描電鏡的觀察，在高壓灌漿下，水泥結(jié)石和裂隙面膠結(jié)緊密，膠結(jié)面上微裂隙張開度僅為0.1～10μm，大小和完整巖石中的原生裂隙屬同一量級(jí)，該試驗(yàn)表明:巖體試樣的破壞均不是沿此膠結(jié)面微裂隙開成，而是沿微裂隙附近的方解石脈或水化、風(fēng)化質(zhì)擴(kuò)展形成.掃描電鏡觀察表明，微裂隙廣泛分布于巖體之中，在荷載作用下擴(kuò)展成簇狀網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)為張拉型，在原生裂隙發(fā)育的部位形成主導(dǎo)裂隙；試件宏觀破壞表現(xiàn)為拉斷、剪斷及壓剪滑動(dòng)等形式[6].試驗(yàn)說(shuō)明，經(jīng)過(guò)高壓灌漿處理后，巖體中受漿液充填的裂隙面強(qiáng)度有相當(dāng)大的改善.

從以上研究成果及相關(guān)大壩帷幕灌漿的相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)，在兩壩端的帷幕在實(shí)施后無(wú)論是在幕體強(qiáng)度、完整程度上都與灌漿前巖體不盡相同，按照帷幕灌漿的設(shè)計(jì)在理論上可視其為與壩體連接的刺墻.在建立了這個(gè)概念后，在進(jìn)行不封閉或間斷式防滲帷幕布置時(shí)可以進(jìn)一步將其簡(jiǎn)化為壩端與刺墻的岸坡繞滲問(wèn)題，從而引入壩端與兩岸帷幕的滲流水深和滲流量計(jì)算方法.當(dāng)然基于水力學(xué)的計(jì)算基礎(chǔ)，大壩與兩岸帷幕或岸坡巖體位于同一高程的水平不透水層上時(shí)，或大壩與其相連的巖坡透水層位于同一高程的水平不透水層上時(shí)，都假設(shè)沿任一豎直線上的滲流是符合漸變滲流條件的(亦即假設(shè)滲流流速沿豎直線是不變的).從而可得水頭函數(shù)的平方符合接拉普拉斯方程，將復(fù)雜的空間滲流問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面勢(shì)流問(wèn)題[7].

3.2.2 實(shí)用性探討

基于以上假設(shè)和基本理論，可以得到以下計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖1所示:

圖1 有刺墻的連接

如圖所示，s值可視為帷幕在平面上的長(zhǎng)度.依據(jù)水力學(xué)中的繞滲計(jì)算公式可計(jì)算出流過(guò)1ˉ2線的總滲透量及5ˉ6線的總滲透量.在基本查清巖溶區(qū)近壩端水文地質(zhì)條件情況下，s值增大對(duì)總滲流量影響可由以下公式確定[7].

1935年美國(guó)教授萊恩(E.W.Lane)對(duì)修建在不同地基上數(shù)百座的圬土擋水建筑物地下滲流資料進(jìn)行研究和分析后，提出爬路中水平(坡度小于45°)滲徑的阻滲效能只有垂直(坡度大于或等于45°)滲徑的阻滲效能的1/3.應(yīng)按有效滲徑長(zhǎng)度，即垂直滲徑與水平滲徑乘1/3的和來(lái)判斷地下滲透破壞的可能性.假定基礎(chǔ)輪廓的有效長(zhǎng)為

L0必須比壅高水頭大C0倍，即

式中H——水頭(如圖2所示)

圖2 壩體和壩基不透水輪廓簡(jiǎn)圖

C0——加權(quán)爬比，其值為1.6—8.5，視地基種類而定.

由圖所示輪廓

其中b＝b1＋b2，

式中b——水頭輪廓長(zhǎng)度

s——懸掛帷幕深度.

萊恩研究認(rèn)為水平和垂直方向的滲徑不應(yīng)該起著相同的作用，1m垂直方向的滲徑，約相當(dāng)于3m水平方向滲徑的效用.實(shí)踐中可通過(guò)統(tǒng)計(jì)的C0，求出L0，轉(zhuǎn)換(3)式后可求出s[8].該法不能反映滲流場(chǎng)邊界條件對(duì)滲透壓力和滲透坡降的影響.計(jì)算仍較粗略，但由于它有大量實(shí)測(cè)資料作根據(jù)，計(jì)算簡(jiǎn)便，雖大量用于均質(zhì)地基，但對(duì)于近似均一的巖溶地基，也有一定的參照和應(yīng)用基礎(chǔ).查證河灣、灰洞、茶園實(shí)施的水平方向帷幕長(zhǎng)度均大于河床段帷幕垂直深度3倍以上(河灣最接近3倍)，故Lane統(tǒng)計(jì)法與以上工程實(shí)施具有較高吻合度.

4 結(jié)論與建議

在巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式防滲帷幕布置，以成功的案例來(lái)看，是符合水力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)和滲流理論的，以Lane統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行分析也有較高的吻合度.但從現(xiàn)實(shí)來(lái)說(shuō)，以上理論基礎(chǔ)存在簡(jiǎn)化較多、假設(shè)條件等限制，會(huì)存在與實(shí)際情況不符的情況.目前，多孔連續(xù)介質(zhì)的滲流理論、裂隙介質(zhì)滲流理論等在理論建設(shè)上取得了一定的成績(jī)[9]，但存在諸如用同一種代表體來(lái)表征節(jié)理和巖體、連續(xù)性方程相同、不能體現(xiàn)較大的裂隙(如導(dǎo)水?dāng)鄬?、溶蝕管道、溶洞等)，因此，在實(shí)際運(yùn)用中還存在較大困難.

但是，根據(jù)作者的工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)在巖溶地區(qū)認(rèn)真的前期勘測(cè)設(shè)計(jì)工作、注重施工期先導(dǎo)孔資料分析、有針對(duì)性的處理較大的裂隙(如導(dǎo)水?dāng)鄬?、溶蝕管道、溶洞等)、加強(qiáng)蓄水后期觀測(cè)工作等手段，以工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐、并輔以簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式作為簡(jiǎn)化計(jì)算和設(shè)計(jì)、加強(qiáng)后期觀測(cè)并及時(shí)修正是最符合工程實(shí)際和具體要求的，使巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式防滲帷幕布置成為可能.當(dāng)然，以上結(jié)論是基于成功的案例加以分析論證的，在今后工作中應(yīng)加大理論研究，建立相應(yīng)的工程數(shù)學(xué)模型，通過(guò)大數(shù)據(jù)研究分析最終可以找到其客觀規(guī)律并建立起相應(yīng)可靠的計(jì)算公式和數(shù)學(xué)地質(zhì)模型.

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(責(zé)任編輯:付強(qiáng)，張陽(yáng)，李建忠，羅敏；英文編輯:周序林)

Unclosed and intermittent layout of antiˉseepage curtain in karst regions

LIU Rui1，LI Si-Yu2，ZHANG Xin-hua
(1.Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of Qiannan Prefecture，Duyun 558000，P.R.C.；2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Chengdu 610065，P.R.C.)

The unclosed and intermittent layout of the antiˉseepage curtain has been applied successfully in karst regions.However，due to the lack of theoretical support，some controversy and risks are encountered in the process of its practical implementation.Based on the investigation and analysis of existing projects，Lane statistical method and hydraulics by simplifying the related model，this paper demonstrates the applicability of this kind of seepage control curtain in the karst regions.Results indicated that there was a good agreement between anti-seepage curtain and the Lane statistical method.Namely，the unclosed and intermittent layout of antiˉseepage curtain can be applied in the karst regions with the detailed geological investigation data of the projects.Moreover，it helps accelerate the progress of project constructions and also saves project investments.

antiˉseepage curtain；karst；unclosed and intermittent layout；hydraulics；Lane statistical method

TV221

A

2095-4271(2016)05-0582-05

10.11920/xnmdzk.2016.05.019

2016-06-13

劉銳(1974—)，男，漢族，四川榮縣人，高級(jí)工程師，研究方向:水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì).E-mail:331576430＠qq.com

張新華(1965—)，男，四川資中人，博士(后)，研究員.E-mail:xhzhang＠scu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(51379137)