向家壩水電站壩基混凝土防滲墻研究及應(yīng)用

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 430014)

1 工程概述

向家壩水電站是金沙江下游河段規(guī)劃的最末1個梯級，壩址位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界處。電站距下游宜賓市33km，距水富縣城1.5km。工程的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，同時改善航運(yùn)條件，兼顧防洪、灌溉，并具有攔沙和對溪洛渡水電站進(jìn)行反調(diào)節(jié)等作用。電站壩址控制流域面積45.88萬km2，正常蓄水位380.00m，水庫總庫容51.63億m3，裝機(jī)容量6400MW。大壩采用混凝土重力壩，最大壩高162.00m。

工程于2004年7月開始籌建；2006年11月26日，向家壩水電站主體工程開工建設(shè)；2008年12月28日截流；2012年10月下閘蓄水；2012年11月右岸地下電站首批2臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電；2013年4月大壩全線澆筑至壩頂；2013年7月水庫水位由354m抬升至死水位370m，9月蓄至正常蓄水位380m；左岸壩后電站第1臺機(jī)組于2013年10月投產(chǎn)發(fā)電；2014年7月，全廠8臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

2 向家壩壩基的軟弱破碎特性

2.1 撓曲核部破碎帶分布特點(diǎn)

撓曲核部破碎帶在平面上斜穿左泄水壩段壩踵、右泄水壩段消力池，在高程240m的分布寬度為：壩踵部位40m，壩趾部位70m。破碎巖帶總體走向NW，傾向SW(即右岸偏上游)，傾角在30°～40°。

針對壩踵部位出露的撓曲核部破碎帶及其影響帶，采取開挖壩踵齒槽的方式截?cái)酀撛诘闹骰?，以保證大壩的深層抗滑穩(wěn)定，同時挖除壩踵部位Ⅳ～Ⅴ類巖體，改善壩踵部位應(yīng)力變形條件；對于在壩基中部、壩趾及消力池出露的撓曲核部破碎帶，采用適當(dāng)深挖40m深齒槽并置換混凝土的方法。通過上述開挖處理設(shè)計(jì)，大壩建基面均為Ⅲ2及以上巖體，大壩及消力池齒槽底面仍保留部分Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶巖體，其中泄④～⑧壩段位于壩踵部位，最大厚度約60m[1]。

2.2 撓曲核部破碎帶物質(zhì)組成

撓曲核部破碎帶頂、底界面不規(guī)則，起伏大，鉛直厚度多在10～60m?？碧娇捉衣对撈扑閹r帶巖體多呈碎塊狀，夾雜碎屑狀和短柱狀，碎屑狀結(jié)構(gòu)的占31.4%～37.0%。經(jīng)顆粒分析，撓曲核部破碎帶內(nèi)的碎塊結(jié)構(gòu)巖體的顆粒組成以粒徑大于5mm的為主，一般占70%～90%；碎屑結(jié)構(gòu)巖體則以粉細(xì)砂為主，一般占30%～60%，黏粒占10%左右。

2.3 撓曲核部破碎帶物理力學(xué)特性

2.4 撓曲核部破碎帶巖體滲透特性

經(jīng)試驗(yàn)成果分析，撓曲核部破碎帶巖體的滲透性差異較大，其中碎屑結(jié)構(gòu)巖體的滲透系數(shù)在A×10-6cm/s左右，臨界坡降在8.33～13.84，破壞坡降在16.8～54.63，破壞形式既有管涌也有流土；碎塊結(jié)構(gòu)巖體的滲透系統(tǒng)則在A×(10-4～10-5)cm/s，臨界坡降為4.21～5.58，破壞坡降為44.4～49.8，破壞形式既有管涌也有流土。

3 軟弱破碎壩基的防滲處理方法

3.1 防滲工藝選擇與比選方法

3.1.1 常規(guī)水泥灌漿

撓曲核部破碎帶主要呈碎塊結(jié)構(gòu)和碎屑結(jié)構(gòu)，其中碎屑結(jié)構(gòu)物質(zhì)顆粒細(xì)，具有原位條件下含水率低(5%～7%左右)、密實(shí)度高(2.2～2.4g/cm3)、強(qiáng)度低、透水率小(10-4～106cm/s)、遇水易塌孔、可灌性差等特點(diǎn)。

參照《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2006)附錄L中無黏性土允許水力比降確定方法的規(guī)定，以試驗(yàn)成果的臨界坡降除以1.5～2.0的安全系數(shù)取允許比降，撓曲核部破碎帶內(nèi)碎屑結(jié)構(gòu)巖體的允許比降建議取4～5，碎塊結(jié)構(gòu)巖體的允許比降建議取2～3。對比壩基滲流計(jì)算分析成果，如果防滲體質(zhì)量不理想，沿?fù)锨瞬科扑閹Т嬖诋a(chǎn)生滲透破壞的可能。現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)成果表明，常規(guī)水泥灌漿成孔困難、可灌性差，對壩基存在的撓曲核部破碎帶地質(zhì)缺陷處理難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 化學(xué)灌漿

針對該部位軟弱破碎巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，對撓曲核部破碎帶進(jìn)行“水泥-化學(xué)復(fù)合”帷幕灌漿試驗(yàn)，以研究化學(xué)灌漿的適宜性。試驗(yàn)用化灌材料選用CW510環(huán)氧樹脂灌漿材料和AC-Ⅱ丙烯酸鹽灌漿材料進(jìn)行對比分析，AC-Ⅱ丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料和CW510系環(huán)氧類化學(xué)灌漿材料各有4個孔，孔距1.0m。

灌漿試驗(yàn)成果表明：濕磨細(xì)水泥+AC-Ⅱ丙烯酸鹽復(fù)合灌漿對改善抗?jié)B性能有一定的效果，但對改善不良地質(zhì)體強(qiáng)度效果不明顯；濕磨細(xì)水泥+CW環(huán)氧材料復(fù)合灌漿對改善壩基不良地質(zhì)體強(qiáng)度和抗?jié)B性能效果有限。從取芯及芯樣偏光顯微鏡檢查情況看，CW環(huán)氧材料對微細(xì)裂隙結(jié)構(gòu)風(fēng)化疏松巖體(屬Ⅴ類巖體)的充填和浸潤效果一般，不良地質(zhì)體灌后透水率、疲勞壓水試驗(yàn)和破壞性壓水指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求，聲波值有一定程度改善。同時，化學(xué)灌漿存在化灌材料單耗偏大、部分柱狀巖芯中未見明顯環(huán)氧材料充填等現(xiàn)象。

李阿姨說：“哪怕多花點(diǎn)中介費(fèi)能找到個可心的保姆也行，家里就是工薪階層，自己和老伴每月工資也就7000元，愿意拿出4000元找保姆，但還是很難找到高水平的保姆。不同家政公司中介費(fèi)有差異，但是保姆的水平層次卻差不多?！?/p>

3.1.3 塑性混凝土防滲墻

為了對防滲墻的效果及適宜性進(jìn)行分析，對典型壩段泄⑥建立壩體-地基二維有限元整體模型(見圖1)，采用非線性有限元法分別對工程完建工況和正常蓄水位工況進(jìn)行滲流及應(yīng)力分析。

圖1 壩基防滲墻布置

3.1.3.1 滲透比降

取防滲墻的滲透系數(shù)為10-8cm/s，考慮固灌后固灌范圍巖體滲透系數(shù)的變化以及防滲帷幕和排水孔的影響進(jìn)行滲流計(jì)算，得到的防滲墻滲透比降分布如圖2所示?？梢姡悍罎B墻最大水力梯度為50，發(fā)生在防滲墻與大壩接頭處，從接頭處到底部水力梯度遞減，底部的水力梯度為12。

圖2 防滲墻滲透比降分布

3.1.3.2 防滲墻與周圍巖體位移和應(yīng)力協(xié)調(diào)性

計(jì)算分析成果表明：從完建工況和正常蓄水工況位移分布圖來看，防滲墻底端與周圍巖體面的位移差別非常小，沒有明顯的相互錯動。從完建工況和正常蓄水工況應(yīng)力圖來看，在防滲墻頂部、底部、與JC2-10交界處以及150m高程附近的Ⅳ～Ⅴ類巖與Ⅲ1類巖交界處均存在突變。其中防滲墻頂部和底部的應(yīng)力突變是由于邊界點(diǎn)應(yīng)力奇異造成的，而JC2-10交界處以及150m高程附近的Ⅳ～Ⅴ類巖與Ⅲ1類巖交界處均存在突變則是由于巖體材料特性突變造成的。從整體上看，除了個別應(yīng)力集中點(diǎn)以外，完建工況和正常蓄水工況防滲墻的主拉應(yīng)力值都很小，主壓應(yīng)力值也普遍比較小，完建工況主壓應(yīng)力值基本小于1MPa，正常蓄水工況主壓應(yīng)力值基本小于1.5MPa。

3.1.4 防滲形式比選

如圖1所示，泄④～⑧壩段壩踵深齒槽底部撓曲核部破碎帶巖體，通過對其進(jìn)行水力學(xué)特性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其可灌性較差，常規(guī)水泥灌漿難以滿足設(shè)計(jì)要求；化學(xué)灌漿試驗(yàn)表明，灌漿工藝復(fù)雜、水泥及化學(xué)漿材耗漿量大，對于破碎帶強(qiáng)度及抗?jié)B處理效果有限；防滲墻能夠滿足壩基滲透穩(wěn)定的要求，且與周圍巖體的變形基本協(xié)調(diào)。最終確定壩基撓曲核部破碎帶采用混凝土防滲墻的防滲形式。

3.2 防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)確定方法

3.2.1 防滲墻設(shè)置范圍

如圖1所示，泄④以左壩段壩踵齒槽已將以擠壓破碎帶、撓曲核部破碎帶為代表的地質(zhì)缺陷全部挖除，齒槽底部坐落在Ⅲ類巖體上，其防滲處理采用常規(guī)帷幕灌漿；泄水壩段泄⑦～泄⑦壩踵齒槽底部高程為203.00m，其下部尚存有最大深度達(dá)60m的撓曲核部破碎帶；泄⑧～泄⑩壩段壩踵高程抬高至240.00m，建基巖體為Ⅱ～Ⅲ1類巖體，其厚度基本在35m以上，撓曲核部破碎帶下伏在Ⅱ～Ⅲ1類巖體以下，且越往右岸，破碎帶厚度越薄，埋藏越深；泄⑧以右壩段撓曲核部破碎帶埋深已達(dá)40m以上，可采用常規(guī)復(fù)合灌漿進(jìn)行處理。因此，泄④～泄⑧采用混凝土防滲墻作為壩基撓曲核部破碎帶防滲處理方案。

壩基防滲墻總長88m，墻厚1.2m，頂部高程為210m，底部高程為148m，最大墻深62m，墻底進(jìn)入Ⅲ類巖體至少2m，共計(jì)3432m2。對防滲墻與基巖的接觸面及以下巖體進(jìn)行常規(guī)灌漿，防滲帷幕采用2排孔，孔底高程均為80.00m，2排帷幕孔均在防滲墻內(nèi)埋管設(shè)置；另外，在防滲墻的下游進(jìn)行深孔固結(jié)灌漿，孔底高程140.00m，基本與防滲墻底部高程相同，重點(diǎn)對防滲墻下游經(jīng)沖擊擾動的Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶巖體進(jìn)行灌漿。防滲墻典型斷面見圖3。

圖3 壩基防滲墻典型斷面

3.2.2 防滲墻墻厚

混凝土防滲墻厚度的確定，主要取決于墻體混凝土的抗?jié)B比降、施工技術(shù)水平和機(jī)械設(shè)備能力。防滲墻的滲透穩(wěn)定性取決于混凝土的抗?jié)B比降?；炷磷陨淼目?jié)B比降隨其強(qiáng)度的增大而提高，可以達(dá)到很大的值，考慮一定的安全儲備，允許比降通常在100左右。考慮到混凝土防滲墻是在泥漿下澆筑而成的，且為隱蔽性工程，其質(zhì)量控制較為困難，國內(nèi)混凝土防滲墻的抗?jié)B比降一般采用70～90。防滲墻厚度主要根據(jù)墻體所承擔(dān)的水頭，即混凝土的抗?jié)B比降確定[2]。按照滲流分析成果，防滲墻墻體承擔(dān)110m水頭，以此確定墻厚為1.2m，相應(yīng)抗?jié)B比降為92。其次定墻厚時也考慮了當(dāng)前國內(nèi)外造孔機(jī)械設(shè)備的現(xiàn)狀和施工難度，以加快防滲墻的建造速度，否則將會增加工程造價。

3.2.3 防滲墻強(qiáng)度分析方法

采用非線性有限元方法對強(qiáng)度分別為1.25MPa、5MPa、12.5MPa的三種防滲墻參數(shù)進(jìn)行分析的成果表明，防滲墻強(qiáng)度的變化對其變形的影響不顯著，無論是水平變形還是垂直變形均只有微小的變化；隨著防滲墻強(qiáng)度的提高，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力極值均逐漸增大；在5MPa的防滲墻強(qiáng)度下，防滲墻的主壓應(yīng)力均不超過1.5MPa。

根據(jù)本工程防滲墻特點(diǎn)，并類比其他工程，經(jīng)綜合考慮初步擬定防滲墻指標(biāo)如下：抗壓強(qiáng)度3～5MPa、模強(qiáng)比500、滲透系數(shù)不大于10-8cm/s。

3.2.4 防滲墻細(xì)部設(shè)計(jì)方法

3.2.4.1 防滲墻與大壩的銜接

根據(jù)防滲墻非線性有限元分析成果，在5MPa強(qiáng)度防滲墻參數(shù)情況下，壩體自重工況下，大壩水平位移以傾向上游為主，防滲墻的水平位移最大值為-0.75 cm，豎向最大位移為-3.85cm，均出現(xiàn)在防滲墻頂部。正常蓄水位工況下，防滲墻的水平位移最大值為3.44cm，出現(xiàn)在JC2-9和JC2-10之間的防滲墻中部，豎向最大位移為-3.22cm，出現(xiàn)在防滲墻頂部。

根據(jù)有限元分析成果，結(jié)合工程類比，防滲墻與大壩連接接頭初步擬定如下：防滲墻頂部伸入壩體導(dǎo)槽1.3m，接頭頂部和上、下游側(cè)與壩體之間均設(shè)有銅片止水，并設(shè)置閉孔泡沫板，作為彈性變形空間。防滲墻接頭頂部、上游側(cè)、下游側(cè)閉孔泡沫板厚分別為10cm、3cm、5cm。

3.2.4.2 防滲墻與帷幕的銜接

按照壩基滲控系統(tǒng)總體布置，防滲帷幕采用3排同深孔，排距1.5m，孔距2m，孔底高程均為90.00m。在泄④～泄⑥壩段防滲帷幕穿過Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶部位，采用塑性混凝土防滲墻代替第二排帷幕灌漿，防滲墻厚1.2m，墻底進(jìn)入Ⅲ2類巖體至少2m。第二排帷幕孔在防滲墻內(nèi)埋管施工，重點(diǎn)對防滲墻與基巖的接觸面及以下巖體進(jìn)行帷幕灌漿；第一排和第三排帷幕孔對防滲墻上下游經(jīng)沖擊擾動的Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶及以下巖體進(jìn)行灌漿。泄⑦～泄⑩壩段壩基高程210.00m隧洞以下防滲墻和灌漿布置同泄④～泄⑥壩段，防滲墻隧洞頂拱以上Ⅱ～Ⅲ1類巖體帷幕灌漿待壩基高程210.00m隧洞回填混凝土后，在壩體高程245.00m帷幕廊道施工[3-4]。

4 防滲墻運(yùn)行效果分析

向家壩水電站于2012年10月下閘蓄水，初期蓄水位354m；2013年7月水庫水位由354m抬升至死水位370m，9月蓄至正常蓄水位380m；壩基防滲系統(tǒng)經(jīng)歷了工程蓄水及初期運(yùn)行的實(shí)踐檢驗(yàn)。

為了監(jiān)測壩基防滲墻的運(yùn)行情況及防滲效果，在基礎(chǔ)防滲墻部位共埋設(shè)安裝滲壓計(jì)31支，起測時間為2012年4月—2013年4月。

首次蓄水354m期間，防滲墻滲壓計(jì)折算水位隨庫水位上升呈增大趨勢，防滲墻上游側(cè)滲壓計(jì)的折算水位比防滲墻后的折算水位高出約50m，說明防滲墻起到了一定的防滲效果。蓄水370m后，防滲墻滲壓水位隨著庫水位上升而升高，蓄水結(jié)束后，防滲墻上游滲壓水位上升近9m，下游側(cè)滲壓水位上升近5m，防滲墻基礎(chǔ)滲流趨緩。蓄水380m后，防滲墻上游滲壓水位最大上升4.46m，下游側(cè)滲壓水位最大上升3.57m。

2013年底至今，防滲墻上游測點(diǎn)測值比下游測點(diǎn)測值高約40～70m，防滲墻部位滲壓基本穩(wěn)定，說明防滲墻起到了良好的防滲效果。圖4為截至2019年12月防滲墻監(jiān)測斷面滲壓計(jì)監(jiān)測分析圖。

5 結(jié) 語

在水電工程中，混凝土防滲墻多用于土石壩深厚覆蓋層的壩基防滲中，混凝土壩壩基地質(zhì)條件相對較好，通常采用帷幕灌漿作為防滲體。向家壩水電站大壩雖為混凝土重力壩，但壩址地質(zhì)條件極為復(fù)雜，通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，基礎(chǔ)采用“擴(kuò)大壩基+壩踵齒槽+深孔固結(jié)灌漿”綜合處理方案，但河床泄水壩段壩踵部位仍保留約60m厚的Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶巖體，其強(qiáng)度較低、遇水泥化、可灌性差。設(shè)計(jì)采用塑性混凝土防滲墻的防滲形式，成功地解決了工程軟弱破碎巖體的防滲問題。

蓄水至今，防滲墻已在設(shè)計(jì)運(yùn)行條件下正常工作7年多，充分說明了軟弱破碎巖體中防滲墻良好的防滲效果。

圖4 防滲墻監(jiān)測斷面滲壓計(jì)監(jiān)測分析