淺談巖溶地區(qū)水庫防滲處理

(云南省水利水電工程有限公司，云南 昆明 650000)

1 引 言

云南省境內(nèi)碳酸鹽巖分布廣泛,全省碳酸鹽巖總分布面積約為9.7萬km2,約占云南省總面積的26%。主要集中分布在滇東、滇西、滇東南等地區(qū)。這些地區(qū)修建水庫的地形條件較好,但存在嚴重的滲漏缺陷,常常在水庫建成后，因滲漏帶來許多工程安全危害,如滲漏淘濁壩體、庫底塌陷落水、庫岸坍塌滲漏等,嚴重影響了水庫運行安全和效益的正常發(fā)揮。

自20世紀60年代起,云南省先后在巖溶地區(qū)修筑中、小型水庫八十余座,但由于這些水庫在修建時,限于當時條件,多數(shù)未經(jīng)詳細的地質(zhì)勘察和設(shè)計而修建,工程地質(zhì)和水文地質(zhì)工作較薄弱,大部分水庫都存在嚴重的滲漏問題。為了促使這些水庫的水資源得到充分利用,更好地造福于民,云南省在巖溶地區(qū)水庫滲漏處理上進行大膽探索，采取了許多種方法對水庫滲漏進行處理,取得了一些防滲處理的資料,總結(jié)出了一些成功的經(jīng)驗。本文結(jié)合近年來云南省巖溶地區(qū)水庫的防滲處理工程實踐,談談在巖溶水庫防滲帷幕設(shè)計、施工上的幾點體會。

2 防滲帷幕的設(shè)計原則

所謂巖溶地區(qū)水庫的防滲帷幕,是指在水庫壩址區(qū)擬定的防滲軸線上,采用鉆機鉆孔,孔內(nèi)灌注漿液的手段,以封閉滲漏的溶濁裂隙、洞穴或巖溶管道,在巖石內(nèi)形成連續(xù)的阻水體,起到防止水庫滲漏的作用。

2.1 查清防滲處理區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

設(shè)計防滲帷幕之前,應查明水庫滲漏存在的部位。設(shè)計帷幕時,應通過各種勘察手段,摸清巖溶發(fā)育的基本規(guī)律、發(fā)育特征和深度,查清防滲處理區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,才能有的放矢。

2.2 充分利用水庫壩址區(qū)有利的地質(zhì)條件

設(shè)計時，應充分利用水庫壩址區(qū)有利的隔水層,選擇在技術(shù)上先進、施工上可行、經(jīng)濟上合理的帷幕布置形式,必要時通過物探手段或鉆孔連通試驗,勘查滲漏集中的確切位置,帷幕定線要力求阻塞全部滲水通道,帷幕與隔水層(段)應以最短的直線相接，使之達到最佳防滲效果。

2.3 選擇合理的防滲帷幕灌漿設(shè)計參數(shù)

在擬定灌漿區(qū),選擇有代表性的地段,通過不同孔、排距、不同灌漿壓力、灌漿工藝方法進行實地試驗,確定適宜的灌漿參數(shù)。同一水庫灌漿帷幕設(shè)計的孔、排距，應不局限于一種孔排距，而應視各地段地質(zhì)情況而定，疏密結(jié)合。

2.4 依據(jù)滲漏區(qū)實際情況布置防滲帷幕

首先查清滲漏區(qū)的構(gòu)造特征,力求使帷幕軸線通過構(gòu)造比較簡單的地段,盡可能垂直構(gòu)造破碎帶,盡量避免帷幕軸線沿斷層走向通過,尤其是巖溶洞穴發(fā)育的地帶。如必須通過巖溶暗河或巖溶管道時,帷幕線應力求與其垂直,同時還應考慮帷幕線與地下水位線相垂直,以縮短長度,否則會增加鉆孔難度,影響帷幕效果。

3 防滲帷幕的布置方式

根據(jù)帷幕軸線與攔河大壩之間的位置關(guān)系,防滲帷幕通?？梢圆捎靡韵聨追N布置形式。

3.1 平面帷幕布置方式

3.1.1 直線式

直線式是帷幕垂直于河谷,平行大壩軸線方向。適用于壩基滲漏和繞壩滲漏,直接隔斷滲水通道,是壩基防滲采用較多的一種形式,往往達到立桿見影的效果。如：曲靖市花山水庫、師宗縣溜子田水庫、尋甸風龍灣水庫、蒙自縣莊寨水庫、師宗縣東風水庫等防滲帷幕軸線就是此種形式。

3.1.2 前傾式

前傾式是帷幕軸線向上游傾斜一定的角度,適用于上游壩基繞壩滲流。前傾式的優(yōu)點是：可以直接切斷滲水巖層,防止?jié)B水沿壩肩淘濁壩體,起到防滲保壩作用。如：彌勒縣洗灑水庫,右岸壩外帷幕軸線斜向上游，與壩軸線交角23°,直接隔阻右岸巖層滲水,有效地阻止了繞壩滲漏。

3.1.3 后傾式

后傾式是岸坡帷幕軸線斜向下游,此種形式是在繞壩滲漏水源來程較遠,而與近壩肩、壩基滲水關(guān)聯(lián)不大時采用,通常是防止?jié)B水回流沖刷淘濁壩體,起到保護壩體的作用。如：洱源縣海西海水庫Ⅱ號滲漏帶,在左壩腳外有三個集中滲漏出溢點,滲水總量達143.64L/s,筑壩時采用砂管將滲水引排壩外,但水庫1993年擴建加高大壩后,II號滲漏帶滲水明顯加大,并回流對壩體產(chǎn)生直接侵害。設(shè)計在充分查明滲漏通道后，帷幕軸線依據(jù)滲漏帶分布位置,在左壩肩部位帷幕軸線與壩軸線帷幕相接,左岸壩外帷幕軸線則傾向下游，并沿河岸向下游延伸246m,目的是直接將滲水阻攔出壩外一定距離,達到保壩的目的。

3.2 剖面帷幕布置方式

3.2.1 懸掛式帷幕

懸掛式帷幕適用于隔水層埋藏較深，帷幕底不能深入到隔水層或相對隔水層的情況。帷幕有一定深度，懸掛在相對弱透水層中,如：蒙自莊寨水庫、洱源海西海水庫、祥云新興苴水庫等防滲帷幕設(shè)計。對于懸掛式帷幕設(shè)計,應力求深入到弱透水層中,帷幕深度應削減壩前水頭至少一半以上為原則,以達到延長滲徑,降低滲透水流速的作用。

3.2.2 接地式帷幕

接地式帷幕幕底深入到隔水層或相對隔水層中,取決于隔水層的可靠性,此種形式在隔水層或相對隔水層埋藏不太深的壩基滲漏處理中適用。隔水層或相對隔水層埋藏較深,多采用懸掛式。

4 防滲帷幕的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 孔距與排距

孔距與排距的選擇,根據(jù)云南省的巖溶地區(qū)水庫滲漏處理及資料分析來看,孔距一般為1～3m,最小的孔距可達0.50m,孔排距的確定,依據(jù)設(shè)計帷幕厚度,通過灌漿試驗確定。灌漿試驗,可得到漿液擴散的有效半徑,在巖溶地區(qū),由于溶濁裂隙和溶濁洞穴是無規(guī)律的,其擴散特點在不同部位是不規(guī)則的,因此,灌漿試驗十分必要,只有通過不同孔、排距試驗,才能取得可靠的灌漿技術(shù)數(shù)據(jù)。

4.2 孔序與排序

按先堵后排和逐序加密的原則,一般孔序按三個次序(也有個別水庫按四個次序)進行排序，即：先施工下游排孔,再施工上游排孔,最后加密施工中間排孔，依次進行灌漿施工。

4.3 分層帷幕的設(shè)計

分層帷幕多適用于透水層較厚的防滲處理，即采用開挖分層廊道的辦法,分層構(gòu)筑防滲帷幕。廊道的高差和層數(shù)視河谷形態(tài)、壩高和地質(zhì)條件而定。在巖溶地質(zhì)條件復雜的情況下,層間高差宜小些,如：蒙自市五里沖水庫,層高60～80m,分三層廊道;在巖溶地質(zhì)條件簡單的情況下層高可大些,如：富寧縣青華洞水庫,層高為80～100m。廊道的布設(shè),除了有利于鉆孔灌漿的要求以外,還應有一些特殊要求,廊道尺寸應大些,滿足多排孔灌漿的要求,同時廊道應設(shè)通風口,最好一層廊道設(shè)有多個出口。

5 灌漿材料的試驗與選用

巖溶地區(qū)的水庫，其滲漏特點是常常產(chǎn)生集中滲漏,灌注時漿液注入量在平面和立面的不同位置均有所不同,而有的孔段往往耗漿量極大,常常采用一些特殊的灌漿材料。云南省多采用水泥漿、水泥和水玻璃漿、水泥黏土漿、化學漿液(甲凝、丙疑、聚氨酯等)、水泥砂漿、細石混凝土等作為灌漿材料。通常情況下使用混合漿液,可就地取材、節(jié)約水泥,且摻用其他材料,可調(diào)節(jié)漿液的和易性,以促使?jié){液在裂隙中擴散充填,對改善灌漿效果有利，應用實例詳見表1。

表1 云南巖溶地區(qū)水庫灌漿使用材料情況

曲靖花山水庫曾采用水泥漿液、化學漿液(丙疑、聚氨酯)、水泥和水玻璃漿液在主壩、Ⅰ副壩、Ⅱ副壩分地段采取不同漿液，進行多次灌漿試驗。根據(jù)不同的滲漏特征，采取不同類型的漿液灌漿。對巖溶集中滲漏通道,采用水泥、水玻璃漿液灌注；對主壩右岸繞滲，滲水流速較快的地段，采用聚氨酯漿液灌注，封堵住大通道后，再用水泥漿液灌注補強；而對壩體與基巖接觸帶則采用1∶1的水泥、黏土混合漿灌注；壩體滲漏，則采用1∶3水泥黏土漿劈裂灌漿法灌漿。由于該工程因地制宜制定切實可行的灌漿方案，采取適合的漿液灌注，有效地封閉了巖溶滲漏通道，取得了良好的灌漿效果。

尋甸縣鳳龍灣水庫,采用純水泥漿和水泥、水玻璃漿液,對右岸巖溶滲漏通道進行灌漿，有效地阻塞了右?guī)r繞壩滲漏。

永善縣嵩枝壩水庫,左岸壩基巖溶發(fā)育,建庫蓄水后,滲漏總量達117L/s,而最大的滲漏點為73L/s,根據(jù)滲漏特點,采用右岸黏土制成黏土漿,再按水泥∶黏土比例為1∶3配制成混合漿液進行灌漿,取得明顯防滲效果,灌漿結(jié)束后,整個壩址區(qū)滲水減少至0.35L/s。

6 巖溶水庫大漏段的處理

巖溶水庫由于存在溶濁空洞和巖溶管道,常產(chǎn)生集中滲水通道,灌漿時可采取特殊的辦法進行處理。

6.1 地下水位以上大漏段處理

當1∶0.5的純水泥漿液灌入4～6t后仍無壓時,水泥漿中可逐級加入5%、10%、15%、20%的細沙，通過攪拌捅攪拌，用砂漿泵壓入孔內(nèi)。如仍無壓，可灌入膠凝時間10～15min的水泥—水玻璃漿液,在攪拌桶內(nèi)混合，用泥漿泵壓入孔內(nèi),如灌入2～3t水泥后仍無壓，則采用間歇或停歇法灌漿，直至達到設(shè)計壓力結(jié)束灌漿。

6.2 地下水位以下的大漏段處理

先按地下水位以上大漏段的工序操作，無效時選用水泥—水玻璃漿液，膠凝時間為2～5min,采用雙管雙液法，孔內(nèi)混合，直到瞬時膠凝的漿液配比,進行灌漿。

6.3 遇有大孔洞且流速大的孔段處理

可投沙、石(小于1cm)入孔內(nèi),使孔底墊起 0.50～1m，用高壓水槍裝置將其沖出孔外再灌漿，反復投石灌漿,根據(jù)孔內(nèi)情況反復進行,直至封堵密實(詳見表2)。

表2 水泥-水玻璃漿液配比與膠凝時間關(guān)系

注溫度19℃～24℃,水泥強度等級42.5級。

此表中數(shù)據(jù)依據(jù)洱源縣海西海水庫灌漿用42.5 級普通硅酸鹽水泥和水玻璃室內(nèi)配制試驗而得,具體使用時應根據(jù)水泥標號、水玻璃濃度、氣溫進行現(xiàn)場試驗而定。

7 小 結(jié)

實踐證明,防滲帷幕是巖溶水庫滲漏處理中最有效、最具普遍適用意義的措施和方法。 在今后的工程施工中，需進一步探討先進的電探、物探等探測技術(shù),研究先進的灌注施工工藝和方法，借助風動沖擊型大口徑(200～500mm)鉆機等先進的施工設(shè)備,有效提高巖溶水庫防滲處理中技術(shù)水平和防滲處理效果，徹底消除水庫滲漏安全隱患，使水庫工程真正發(fā)揮應有效益。

鄒成杰.水利水電巖溶工程地質(zhì)[M].北京：水利水電出版社，1994.