白鶴灘水電站上游圍堰防滲墻設計與實施

黃 雷，王永明，梁現(xiàn)培，董聯(lián)杰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

白鶴灘水電站初期導流為50年一遇洪水標準，上游圍堰為3級建筑物，堰頂設計高程為658.00m，堰前水位655.58m，采用復合土工膜斜墻土石圍堰，最大堰高83.0m，堰頂寬12.0m，堰頂軸線長約208m。圍堰615.0m以上采用復合土工膜斜墻防滲，防滲墻施工平臺高程為615.0m，615.0m高程以下采用塑性混凝土防滲墻防滲，防滲墻軸線長110m，墻厚1.0m，最大墻深53m。白鶴灘水電站上游圍堰防滲墻是整個圍堰施工的關鍵，具有地質條件復雜、控制工序繁多、墻深大、施工強度高及工期緊等特點。

2 水文地質條件

白鶴灘壩址平均流量4170m3/s，平均降水量為715.9mm。金沙江流域實測最大洪峰流量為25800m3/s，實測第二大洪峰流量為23800m3/s。壩址為亞熱帶季風區(qū)，多年平均氣溫21.9℃，平均風速1.8m/s，平均相對濕度66%。

水電站上游圍堰位于大壩上游約300m處，枯水期江水位591m。河床底面高程572～582m，覆蓋層厚度4.5～14.40m不等，層間錯動帶C3分布于左岸595m高程左右，堰基范圍無大規(guī)模斷層發(fā)育。河床基巖頂板高程561～578m，基巖主要出露峨眉山組玄武巖P2β41和P2β42層隱晶質玄武巖、微晶質玄武巖、杏仁狀玄武巖及角礫熔巖，強卸荷帶巖體透水率一般為10Lu，為中等透水，弱卸荷帶巖體透水率一般為3～10Lu，平均5Lu。覆蓋層主要為漂石夾卵(礫)石，覆蓋層滲透系數(shù)為10-3～10-1cm/s，屬中等透水層。

3 上游圍堰防滲墻設計

3.1 防滲型式選擇

高噴灌漿、剛性混凝土混凝土防滲墻以及塑性混凝土防滲墻，三者在技術和應用上都比較成熟[1]，由于堰基處漂石占80%～90%，同時考慮上游圍堰擋水水頭高，為確保防滲效果，堰基采用全封閉混凝土防滲墻。為減少圍堰的滲水量，確保滲透穩(wěn)定，防滲墻下設置帷幕灌漿。

3.2 防滲墻的設計

上游圍堰基礎覆蓋層厚4.5～14.4m，圍堰設計擋水水頭約95.0m[2]，如果采用高彈模的剛性混凝土防滲墻在上部荷載的作用下，周圍土層的沉降比防滲墻大得多，使得墻體承受巨大的周圍土體的側面拖拽力，可能引起墻體內部產(chǎn)生巨大的壓應力，壓應力過大將造成防滲墻墻體破壞。三峽工程二期圍堰的實踐表明[3]，圍堰防滲墻采用高強度低彈模的塑性混凝土能較好的與周圍土體協(xié)調分配荷載，防滲墻的應力狀態(tài)較好，因此上游圍堰基礎防滲選擇彈模低，適應變形能力強的塑性混凝土材料。

混凝土防滲墻的滲透破壞主要取決于墻體的水力梯度[4]，須使墻體承受的最大水力梯度小于墻體的允許梯度，本次設計根據(jù)防滲墻破壞時的水力梯度確定墻厚，上游圍堰防滲墻設計成果見表1。

表1 上游圍堰防滲墻設計成果表

防滲墻的厚度的確定應考慮圍堰堰基地質情況及機械設備因素，墻體應力、應變、耐久性、抗?jié)B指標等均應滿足要求，通過計算及參考類似成功經(jīng)驗，確定上游圍堰塑性混凝土防滲墻厚度為1.0m，塑性混凝土防滲墻各項指標見表2。

表2 塑性混凝土防滲墻設計性能指標

3.3 墻下帷幕灌漿設計

(1)設計標準

上游圍堰設計擋水水頭為95m，圍堰防滲墻至關重要，同時考慮上游圍堰的基礎水文地質條件，層間錯動帶C3分布于左岸595m高程左右，為解決堰肩和堰基基巖透水層防滲問題，在防滲墻下部設置防滲帷幕，防滲帷幕灌穿過3Lu線以下深度3～5m(同時保證帷幕灌穿左岸及堰基C3埋深較淺部位)，并將防滲帷幕向兩岸延伸。

(2)帷幕灌漿參數(shù)選取

上游圍堰防滲墻墻下灌漿界線為3Lu線，采用單排孔，帷幕灌漿防滲標準見表3。防滲墻下帷幕灌漿采用預埋灌漿管方法實施。

表3 帷幕灌漿防滲標準

4 防滲墻實施過程

4.1 施工工藝流程

上游圍堰防滲墻成槽采用“鉆劈法”施工工藝[5]，槽孔分為一、二期槽，其中一期槽為二個主孔一個副孔，二期槽為三個主孔二個副孔，墻段之間連接采用“接頭管法”；清孔換漿采用膨潤土泥漿，采用以抽筒法為主，氣舉法為輔的清孔方式；墻下帷幕灌漿采用預埋￠110mm鋼管實施；防滲墻混凝土采用直升導管法，先澆低處后澆高處。

白鶴灘水電站上游圍堰防滲墻施工流程如圖1所示。

圖1 防滲墻施工工藝流程圖

4.2 槽段劃分

上游圍堰防滲墻槽段分兩序施工，Ⅰ、Ⅱ序槽孔間隔布置，遵照“Ⅰ期小槽、Ⅱ期大槽”的原則[6]，在中間深槽部位Ⅰ期槽長度為4.0m，兩岸孔深較淺的部位一期槽長度為7.0m；二期槽長度均為7.0m。

圖2 防滲墻槽段劃分示意圖

工程防滲墻軸線長110m，共劃分為24個槽段，槽段劃分示意見圖2所示。

4.3 防滲墻造孔

(1)先導孔

上游圍堰防滲墻軸線每隔10m布設一個先導孔，共計13個，對地質情況進行復勘，準確確定基礎基巖面。上部采用潛孔錘跟管鉆進，當預計鉆進至基巖面0.5m時，更換地質鉆機進行鉆孔取芯，直至進入巖10m為止。

(2)預灌預爆孔

“預灌、預爆”孔間距3.0m，布置在上游圍堰防滲墻軸線上。本工程共布置36個“預爆、預灌”孔。鉆孔采用全液壓鉆機，配置高頻沖擊器進行跟管鉆進，當鉆遇有漂孤塊石時，進入巖體內，下設炸藥，起拔套管2.0m，啟爆炸藥，爆破后繼續(xù)鉆進，依次循環(huán)。

預灌濃漿是有效預防和處理大孤石底層強漏漿必要和有效的措施[7]，為了堵塞滲漏通道，當鉆孔至設計深度后，向孔內注入一定量的水泥粘土漿，防滲墻施工結果表明，先進行過預爆和預灌濃漿的部位，在進行防滲墻造孔時，漏漿、塌孔情況大大減少，取得了較好的實施效果。

(3)一般地層造孔

本工程為深覆蓋層中進行混凝土防滲墻施工，覆蓋層主要為細石料、崩塌料、河床覆蓋層，針對地質特點和槽孔分布情況，采用“鉆劈法”成槽工藝。主孔造孔完成后，進行副孔施工，最后鑿除孔間小墻，貫通成槽。

(4)陡坡段基巖造孔

上游圍堰防滲墻基巖邊坡局部呈陡坡狀由于陡坡巖硬，鉆孔極易順坡溜鉆偏斜[8]，導致防滲墻嵌入基巖困難。本工程施工中面臨陡坡入巖的槽段均為邊槽，并與混凝土趾板相鄰，同時因陡坡槽段施工難度較大，造孔效率低，臨近一期槽段已澆筑混凝土，實施爆破時可能會對左右已澆筑混凝土造成破壞性影響，陡坡段基巖造孔未采用爆破的方式，而是純沖擊鉆進，實際入巖結果良好。

4.4 基巖面鑒定及終孔深度確定原則

上游圍堰防滲墻要求嵌入基巖不小于1m，防滲墻孔底基巖鑒定十分重要。工程參建各方要準確的鑒定基巖面，保證混凝土防滲墻確實嵌入基巖。

本工程圍堰防滲墻基巖面鑒定主要根據(jù)先導孔、抽取巖樣及施工記錄等綜合判斷。主要方法為通過前期先導孔繪制新的基覆分界線，防滲墻單孔鉆進距離基覆分界線5、3、2、1m以及入巖后每隔0.3m各抽取一次巖樣，經(jīng)參建方現(xiàn)場聯(lián)合鑒定。

槽段具體入巖判定標準為：①槽段主孔基覆線深度根據(jù)槽孔內抽取的巖樣進行判定，加深1m為終孔深度。②判定副孔基覆線時，先進行取樣判定實際基覆線，為確保副孔兩側的小墻同步深入基巖，副孔的實際終孔深度根據(jù)相鄰兩主孔鑒定基覆線邊對邊連線向下1m，并結合副孔單孔鑒定基覆線，以二者較深線位置為準。③小墻參照左右主副孔，并以主副孔邊對中連續(xù)向下1m確定。④對與陡坡槽段，參照上述方法單獨鑒定。

上游圍堰防滲墻成型斷面如圖3所示。

5 防滲墻投入使用

5.1 質量檢查

(1)機口、槽口取樣

防滲墻混凝土澆筑過程中，在機口或槽孔隨機取樣，進行混凝土施工性能的檢查，檢測結果滿足設計要求。

(2)檢查孔取芯

上游圍堰防滲墻共布置了2個鉆孔取芯檢查孔。檢查孔取出的巖芯完整致密，無夾泥。同時對防滲墻墻頂進行了開挖，結果表明混凝土防滲墻澆筑質量可靠，墻段之間接縫咬合緊密，無任何縫間夾泥現(xiàn)象。

(3)注水試驗

圖3 防滲墻成型斷面圖

上游圍堰防滲墻共布置了2個鉆孔取芯檢查孔進行墻體注水試驗。防滲墻檢查孔注水實驗結果滿足滲透系數(shù)K≤10-7cm/s設計要求。

(4)聲波透射

超聲破透射檢測就是根據(jù)混凝土聲學參數(shù)測量值和相對辯護、分析、判別其缺陷的位置和范圍[9]。上游圍堰防滲墻通過帷幕灌漿預埋管，進行了8個孔間聲波層析成像測試，聲波波速值范圍為1.9～3.4km，局部出現(xiàn)零星低速區(qū)，未發(fā)現(xiàn)連通性低速區(qū)，表明墻體無明顯缺陷，成型質量較好。

5.2 運行監(jiān)測

防滲墻內共布置1套固定式測斜儀、12組兩相應變計、10支滲壓計用于監(jiān)測運行情況。固定測斜儀最大位移為54.67mm，最小位移為27.68mm，位移均為向迎水面方向，防滲墻豎向應變?yōu)?1337.75～36.91με，水平向應變?yōu)?135.75～633.74με，各儀器變形、應力應變、滲壓測值變化均無異常，說明防滲墻運行正常。

防滲墻位移深度變形曲線如圖4所示。

圖4 防滲墻位移深度變形曲線

6 結語

白鶴灘水電站上游圍堰已經(jīng)運行3年，防滲墻運行正常，經(jīng)受住了洪水的考驗。白鶴灘水電站上游圍堰防滲墻結構安全可靠，防滲性能良好，設計與施工滿足工程建設需要，可供類似工程參考、借鑒。