盤石頭水庫右岸山體滲漏問題分析與處理

羅保才　孫剛　王世鋒

摘要：為解決盤石頭水庫右岸單薄山體在水頭高、滲漏強、流速大等特點下的滲漏問題，采用勘察、試驗、理論分析及實踐結(jié)合的方法，查明了水庫的地質(zhì)條件和滲漏原因。對山體滲透程度進(jìn)行了分級，推導(dǎo)了防滲帷幕的滲漏底界邊線，合理地設(shè)置了防滲幕體位置。通過生產(chǎn)性灌漿試驗，優(yōu)化了部分灌漿工藝和參數(shù)，采用綜合壓力法及復(fù)合濃漿法進(jìn)行灌漿，保證了單薄巖體的穩(wěn)定和水庫在高水頭壓力作用下流速大、漏水、漏漿嚴(yán)重段的灌漿問題，使得設(shè)計封閉式帷幕能夠成功地閉合，有效地解決了盤石頭水庫的滲漏問題，保證了泄洪洞的安全運行及水庫社會效益和經(jīng)濟效益的發(fā)揮。

關(guān)鍵詞：滲漏;地質(zhì)構(gòu)造;防滲帷幕;生產(chǎn)性試驗;綜合壓力;復(fù)合濃漿

中圖分類號：TV221.2;TV 23.4+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.026

1 工程設(shè)計及滲漏概況

盤石頭水庫是衛(wèi)河支流淇河中游的一座大型水利樞紐工程，位于鶴壁市大河澗鄉(xiāng)盤石頭村南，正常蓄水位254.0 m，100 a-遇設(shè)計洪水位270.7 m.2 000 a-遇校核洪水位275.0 m.總庫容6.08億m³，主要由壩體、非常溢洪道、泄洪洞、輸水洞及電站等建筑物構(gòu)成。壩體為混凝土面板堆石壩，長約606 m，壩高102.2 m。

右岸雞冠山中布置兩條城門洞形無壓泄洪洞，其中：1號洞全長453 m.底流消能，軸線方位角90°58′54″，洞身寬7.00 m、高9.26 m，進(jìn)口高程215.00 m，出口高程192.75 m;2號洞（兼導(dǎo)流）全長497 m.軸線方位角81°00′26″，洞身寬7.00 m、高9.76 m，進(jìn)口高程187.10m，出口高程178.37 m.兩洞軸線夾角9.99°[ 1-3]。

水庫自2007年6月底下閘蓄水以來，隨著庫水位的上升，右岸單薄山體（右壩頭-F7段）滲漏問題一直比較突出，主要表現(xiàn)為兩條泄洪洞內(nèi)漏水量較大，其與壩基滲漏情況統(tǒng)計見表1。

右岸單薄山體滲漏量占水庫總滲漏量的71% -76%，是水庫滲漏的重點部位，其中85%- 91%的滲漏水是從兩泄洪洞中排出的。右岸山體滲漏問題不僅影響水庫防洪、供水等功能的正常發(fā)揮，而且嚴(yán)重威脅兩條泄洪洞的結(jié)構(gòu)安全。

2 山體滲漏特征

為查明右岸單薄山體的滲漏特征和原因，選擇有效的防滲處理措施，在右壩頭一F，斷層（樁號0+000-1+015）長約1 015 m的滲漏段山坡上，沿278 -264 m高程布置一排13個鉆孔，各孔按Sm段長分別采用三級壓力、5個階段的五點壓水法連續(xù)進(jìn)行壓水試驗，孔深按低于泄洪洞底板、進(jìn)入隔水層10 m且終孔段巖體透水率q<3 Lu控制，實際孔深為90-100 m。

通過對壓水試驗結(jié)果整理分析，繪制了壓水試驗的典型P-Q曲線（見圖1，其中P為試段壓力、Q為壓人流量）.并對右岸山體滲透性進(jìn)行了分區(qū)，提供了

3 Lu曲線位置。

由圖1可知.P-Q曲線類型屬D（沖蝕）型，表明在試驗壓力作用下裂隙狀態(tài)發(fā)生變化，巖體滲透性增強，這種變化是永久性且不可逆的：流量顯著增大且不能恢復(fù)原狀，多半是由巖石劈裂且與原有的裂隙相通或裂隙中的充填物被沖蝕、移動造成的。山體滲透性分區(qū)特征為：樁號0+000-0+540段高程215 m以上多為中等透水區(qū)，其下為微一弱透水區(qū);樁號0+540-1+015段高程200 m以上基本為中等透水區(qū)，其下為弱透水區(qū);F7斷層破碎帶及高程230 m以上兩側(cè)影響帶為強透水區(qū)[4-6]。

3 右岸單薄山體滲漏原因分析

右岸山體滲漏的最根本原因是地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，其次是受地形地貌、巖溶及人類活動等影響。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為斷層和裂隙，其斜穿巖體形成張開度、延伸長度、充填及膠結(jié)程度不同的縫隙，把巖體切割成大小不一且不連續(xù)的塊狀結(jié)構(gòu)體，使巖體的完整性遭到破壞，構(gòu)成導(dǎo)水構(gòu)造，成為庫水的主要滲漏通道。

右岸單薄山體發(fā)育的斷層主要有19條，總體呈羽狀排列，走向一般為N30° - 40°E，傾向北西或南東，傾角一般為70° - 85°.較大角度斜穿山體，與壩軸線近平行。斷層規(guī)模一般不大，垂直斷距除F7斷層大于100m以外，其他斷層斷距為0.4 - 10.0 m。斷層破碎帶最寬20 m（F7），一般寬0.3 -2.0 m.破碎帶內(nèi)頁巖破碎未膠結(jié)、灰?guī)r角礫巖部分為鈣質(zhì)膠結(jié)，且多有溶蝕現(xiàn)象。斷層影響帶內(nèi)一般裂隙、節(jié)理較發(fā)育，有較嚴(yán)重的風(fēng)化現(xiàn)象。

裂隙有構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙及風(fēng)化裂隙三種類型。構(gòu)造裂隙對滲漏起控制作用，主要發(fā)育兩組共軛裂隙，一組走向25° -40°.與場區(qū)主要斷層基本平行，另一組走向290° - 310°，均為高角度裂隙，發(fā)育密度1-3條/m。裂隙寬度頁巖中1-2 mm，灰?guī)r中5-10 mm，局部被溶蝕成溶縫，寬3～5 cm，一般無充填，局部充填巖屑、黏土。剪節(jié)理的裂隙面一般較平直光滑，且延伸較遠(yuǎn)：張節(jié)理裂隙面一般粗糙不平，延伸長度一般較短[1]。

3.2 地形地貌

右岸山體屬低山侵蝕地形，呈北西向展布，被河道U形包裹，底部寬350 - 600 m，向上逐漸變窄變陡，山頂高出河床250 - 300 m。高程300 m以上山體呈高90～160 m的直立陡壁，由寒武系中統(tǒng)（∈：）灰?guī)r構(gòu)成，其下山體由寒武系下統(tǒng)（ E1）灰、頁巖互層構(gòu)成陡緩不一的山坡，灰?guī)r處為直立陡坡，頁巖處形成坡角30°- 40°的陡坡，山坡上溝谷較發(fā)育，間隔一般40 - 60m。右岸山體總體單薄而滲徑短，加之坡上溝谷發(fā)育，使得山體滲徑變短，易造成庫水滲漏[1]。

3.3 巖溶

正常蓄水位254.0 m至洞底板高程178 m段內(nèi)，山體由寒武系下統(tǒng)（∈1）互層狀的灰?guī)r、頁巖構(gòu)成，除El3層灰?guī)r厚度（厚10.8～ 34.3 m）較大外，其余各層灰?guī)r一般厚3-5 m，厚度較小?；?guī)r層中一般無較大溶洞，巖溶現(xiàn)象主要表現(xiàn)為沿斷層、裂隙、層面等構(gòu)造面發(fā)育的一些規(guī)模較小的溶洞及溶縫、溶槽、溶孔、溶隙等。溶蝕作用的發(fā)生、發(fā)展加大了已有斷層及裂隙規(guī)模，從而使山體滲透性增強[1]。

3.4 人類活動

右岸山體單薄，其內(nèi)開挖的兩條泄洪洞及洞壁密集布設(shè)的排水孔對庫水滲流路徑和邊界條件影響極大，洞身在縮短滲徑的同時成為無壓臨空面，形成滲透水流宣泄出口，沿斷層、裂隙及其他構(gòu)造面滲漏的庫水通過洞壁排水孔向洞內(nèi)排泄，洞身成為集水廊道。觀測分析表明，兩條泄洪洞滲漏量占右岸山體總滲漏量的85% - 91%，可見庫水主要是通過泄洪洞滲漏的，而泄洪洞及洞身排水孔均是由人類活動造成的，因此人類活動是水庫滲漏量大增的主要外因。

4 防滲處理措施及效果

根據(jù)對右岸單薄山體滲漏問題及滲漏特征的分析，設(shè)計采用封閉式防滲帷幕進(jìn)行防滲處理。防滲處理難點有兩個：一是如何選擇灌漿壓力以確保單薄巖體穩(wěn)定;二是在現(xiàn)有庫水位的高水頭壓力作用下，如何解決流速大、漏水、漏漿嚴(yán)重段的灌漿問題。

4.1 帷幕布置

防滲帷幕起點位于右壩頭壩幕處（樁號0+000），向上游沿高程278 - 264 m道路布置，終點為穿越F2斷層帶后外延60 m處（樁號1+026），全長1 026 m。斷層帶及裂隙發(fā)育處布置3排帷幕，其余處布置2排帷幕，排距、孔距均為1.5 m。帷幕頂界：樁號0+000-0+450段按高出2 000 a-遇校核洪水位控制取275m，樁號0+450-1+026段按高出正常蓄水位6m控制取260 m。帷幕底界：E11，層頁巖頂面和3 Lu線（高程為170-208 m）視為弱透水區(qū)頂界，帷幕底界按進(jìn)入兩者深度大者頂界Sm控制，局部斷層帶3 Lu線未確定處按進(jìn)入主河槽基巖面平均高程以下10 m且進(jìn)入弱透水層控制[2-3]。

4.2 灌漿工藝與灌漿參數(shù)的確定

灌漿工程實施前，先選擇非斷層帶和斷層帶等典型地質(zhì)段按設(shè)計的灌漿參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗，以檢驗灌漿壓力及在水頭高、滲漏強、流速大等特點下設(shè)計灌漿工藝、材料、參數(shù)的可行性及機具設(shè)備的實用性，優(yōu)化灌漿工藝與參數(shù)。非斷層帶布置兩排帷幕孔，選擇4個試驗區(qū)，分別按先上游排、后下游排及先下游排、后上游排的順序施工;斷層帶布置3排帷幕孔，選擇2個試驗區(qū)，分別按先上游排、后下游排、最后中間排及先下游排、后上游排、最后中間排的順序施工。排距和孔距均為1.5 m，每排按先I序孔、后Ⅱ序孔、最后Ⅲ序孔的順序施工[4-6]。

單孔施工工藝為：測放孔位_鉆進(jìn)就位_孔口段鉆孔→孔口管鑲鑄→第一段鉆孔及洗孔→阻塞→壓水試驗→灌漿→第二段至終孔段分段鉆孔、阻塞、壓水、灌漿→封孔。灌漿方法采用“孔口封閉、自上而下分段循環(huán)式灌漿法”，封孔采用“全孔灌漿封孔法”，漿液采用5：1、3：1、2：1、1：1、0.7：1.0、0.5：1.0等6個比級。

為保證山坡單薄巖體的穩(wěn)定，采用了綜合壓力法對各次序孔進(jìn)行灌漿，灌漿壓力見表2。

為解決高水頭作用下流速大、強漏水、漏漿段的堵漏問題，采用復(fù)合濃漿法進(jìn)行灌漿，即在壓水、灌漿不起壓段，以0.5：1.0漿液為基礎(chǔ)，添加水玻璃、木屑、黃豆、砂等進(jìn)行灌漿。

其他條件一定時，灌漿參數(shù)、工藝的合理性及灌漿質(zhì)量的優(yōu)劣主要通過單位透水率和單位注灰量反映。非斷層帶一區(qū)（先上游后下游）、二區(qū)（先下游后上游）試驗結(jié)果較典型，其試驗結(jié)果統(tǒng)計見表3。

分析表3可知：①隨著灌漿次序的增加，一區(qū)和二區(qū)各次序孔的單位透水率和單位注灰量均逐次減小，符合一般灌漿規(guī)律，灌漿質(zhì)量滿足設(shè)計要求：②灌漿參數(shù)及灌漿工藝、灌漿材料、機具設(shè)備等可行性較好，可供后續(xù)工作采用;③施工順序上，先施工上游排、后下游排與先施工下游排、后上游排的效果差異不明顯，兩者均可采用。

生產(chǎn)性灌漿試驗結(jié)果表明，設(shè)計灌漿工藝及參數(shù)比較合理，采用的綜合壓力能夠保證單薄巖體的穩(wěn)定和灌漿質(zhì)量，復(fù)合灌漿法能夠較快速有效地解決高水頭壓力下流速大、滲漏性強段的封堵問題。優(yōu)化的灌漿工藝如下：①設(shè)計灌漿方法為孔口封閉、自上而下分段循環(huán)式灌漿法，將其中Ⅲ序孔優(yōu)化為綜合灌漿法，即上部采用自上而下分段灌漿法、下部采用自下而上分段灌漿法：②設(shè)計開灌水灰比為5：1，在局部壓水時無壓無回水的孔段優(yōu)化為采用1：1或0.5：1.0濃漿開灌;③在部分裂隙發(fā)育、難以結(jié)束灌漿的大漏量孔段，采用添加水玻璃、木屑、黃豆、砂等進(jìn)行特殊處理[7-10]。

4.3 防滲處理效果

對比1#、2#泄洪洞在防滲帷幕形成后滲漏量的變化情況，可直觀地反映防滲效果及防滲體形成情況。無防滲帷幕、庫水位235.0 m，1#泄洪洞最大滲漏量約為102 L/s、2#泄洪洞最大滲漏量約為64 L/s;帷幕形成后，同樣水位下，1#泄洪洞最大滲漏量約為7 L/s，2#泄洪洞最大滲漏量約為3 L/s，與前者相比，分別減小了約93%和95%，滲漏量減小非常顯著。這表明防滲處理效果非常明顯，說明幕體設(shè)置合理且封閉情況良好，能有效地截斷滲漏通道，阻止庫水滲漏。

5 結(jié)語

在查明水庫滲漏特征及原因的基礎(chǔ)上，合理地設(shè)置了防滲幕體的空間位置：通過生產(chǎn)性試驗優(yōu)化了灌漿工藝及參數(shù)，選擇了合理的灌漿方案;采用綜合壓力法和復(fù)合濃漿法進(jìn)行灌漿，保證了單薄巖體的穩(wěn)定及水庫在高水頭壓力作用下流速大、漏水、漏漿嚴(yán)重段的灌漿問題，保證了泄洪洞的安全運行及水庫社會效益和經(jīng)濟效益的發(fā)揮。

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