庫什塔依左壩肩強卸荷帶防滲處理

汪 洋,焦 陽,喬 玲

(新疆水利水電勘測設計研究院,新疆烏魯木齊830000)

1 工程概況

庫什塔依水電站工程位于新疆特克斯縣境內的特克斯河最大支流庫克蘇河上,是庫克蘇河水力發電規劃中“三庫六級”中的第五個梯級電站,壩址位于庫克蘇河與特克斯河匯合口上游18.36 km處,距特克斯縣20 km,距伊寧市139 km。壩址以上集水面積5 336 km2,多年平均流量68.51 m3/s,多年平均徑流量21.62×108m3。

庫什塔依碾壓式瀝青混凝土心墻壩最大壩高91.6 m,壩頂高程 1 307.60 m,水庫正常蓄水位1 305.00 m,水庫總庫容1.59×108m3,電站裝機100 MW,為Ⅱ等大(2)型工程,工程由攔河壩、溢洪洞、導流兼泄洪洞、發電引水洞和廠房等建筑物組成。

2 左岸邊坡工程地質

2.1 左壩肩地質條件

壩區河谷呈“U”形,左岸山體坡高202 m,高程1 270 m以下岸坡坡度為30°～40°,1 270m 以上岸坡坡度 60°～ 70°,局部 80°甚至直立 ,基巖裸露。高程1 280 m以上巖性為灰巖,高程1 280 m以下基巖巖性為紅褐色凝灰巖、安山巖、玄武巖,巖體呈塊狀—次塊狀結構。

通過平硐與鉆孔揭露[1-3],左岸壩肩1 260 m～1 430m高程范圍存在強卸荷傾倒巖體,高差170 m,邊坡中上部(高程1 270 m以上)的灰巖卸荷強烈,裂隙非常發育,中下部(高程1 270 m以下)的凝灰巖卸荷不明顯。邊坡巖體可劃分為強卸荷帶與弱卸荷帶,強卸荷帶水平寬度5 m～37 m,弱卸荷帶水平寬度15 m～30 m。卸荷帶延伸長度約1 000 m,基巖強風化帶厚3 m～5 m,受卸荷帶影響,局部可達10 m,弱風化帶厚10 m～15 m。

卸荷帶巖體在結構面切割組合及重力作用下,發生卸荷及傾倒變形,巖層呈現“點頭哈腰”現象,巖層傾倒過程中,發生相對位移和脫開,強卸荷帶巖體裂隙非常密集且多具有較大的張開度。卸荷裂隙超過75%為陡傾角,緩傾角裂隙很少。在39條較大的卸荷裂隙中,寬度一般在10 cm以上,最大為1.5 m,充填次生黃土或碎石土,局部存在架空現象。弱卸荷帶卸荷裂隙密度較小,拉開寬度一般在10 cm以下,僅局部存在較大裂隙。

2.2 左壩肩PD2平硐(高程1 300 m,壩頂高程以下7.0 m)地質條件

PD2平硐內0～29 m巖體卸荷強烈,裂隙多張開,發育9條較大的卸荷裂隙,裂隙間距3.0 m左右,裂隙張開10 cm～70 cm,充填粉土或碎石。29 m～63 m巖體卸荷相對較弱,裂隙多閉合,63 m以后未卸荷或微卸荷。

2.3 左壩肩PD14平硐(高程1 260 m,壩頂高程以下47.0 m)地質條件

0～7.5 m段為弱卸荷帶,卸荷張開1 mm～2 mm,個別可達5 mm。7.5 m～67.4 m段巖性為凝灰巖,巖體結構較完整,多為塊狀構造。

根據平硐與鉆孔揭露,左岸岸坡壩頂高程以下約40 m范圍有卸荷裂隙帶分布。

2.4 左壩肩開挖后地質條件

壩頂高程1 307.6 m(樁號0-005～0+44.764)以下清除心墻基座范圍內卸荷巖體,在壩頂高程深入巖體水平挖深15.0 m,在1 276 m高程深入巖體水平挖深24.0 m,通過對左岸壩坡開挖處理,已將大部分發育較大的卸荷裂隙清除,心墻基座坐在相對較完整的基巖上,見圖1。

圖1 左壩肩開挖示意圖

3 左壩肩防滲處理原則

(1)庫什塔依水電站工程已于2009-10開工建設,按施工進度安排,2010-10截流,2011-10第1臺機組發電,施工期非常緊,所以對左壩肩卸荷及傾倒變形體,防滲處理方案必須具有可操作性,在確保工程安全的條件下要求施工快速、方便。

(2)對卸荷裂隙內充填的黃土原則上不進行置換處理,在天然條件下對卸荷裂隙進行充填灌漿,通過灌漿提高卸荷裂隙內沖填物的密實度。原因如下:

①左岸卸荷帶巖體已發生傾倒變形,卸荷裂隙傾向坡內 ,產狀為 10°～ 20°NW 或 SE ∠75°～ 85°,巖體在重力作用下發生卸荷張開形成卸荷帶并產生傾倒變形,先期充填進入裂隙內的黃土,后期已擠壓密實,天然密度1.55 g/cm3～1.74 g/cm3,平均天然密度1.65 g/cm3,擊實試驗黃土的最大干密度1.86 g/cm3,裂隙內的黃土天然壓實度平均0.89,已經充填密實,如要清除卸荷裂隙縫內填充的黃土,不但施工困難,而且施工期壩肩山體的穩定性也難以保證。

②卸荷裂隙內充填的黃土,已擠壓密實,再通過灌漿進一步提高裂隙內沖填物的密實度,沒有必要對卸荷裂隙內充填的黃土進行置換處理。

(3)防滲處理措施分4個層次進行。

第1層次:加強防滲處理。

對左壩肩壩頂高程以下約40 m范圍內的卸荷帶巖體,進行加強灌漿處理(深孔固結灌漿和多排帷幕灌漿)。

第2層次:對坡面上出露的卸荷裂隙進行封閉處理和反濾保護。

對左壩肩壩頂高程以下約40.0 m范圍內,在坡面上出露的充填有黃土的卸荷裂隙采用混凝土板進行封閉處理,在瀝青混凝土基座下游側設置混凝土防護板,并對防滲線下游卸荷帶巖體滲流出口進行反濾保護,在坡面上鋪設混合反濾層。

第3層次:運行期監測設施。

加強左壩肩繞壩滲流監測,在左壩肩壩軸線下游側布置滲流監測孔,在瀝青混凝土心墻下游側布置滲壓計。

第4層次:后期防滲補強措施。

左壩肩壩頂高程處的灌漿平洞按永久洞設計,長期保留,必要時可對左壩肩進行二次灌漿。

4 左岸防滲處理方案

4.1 防滲措施

為防止庫水沿卸荷裂隙滲漏,在壩頂灌漿平洞內及心墻基座上對卸荷裂隙帶進行深孔固結和帷幕灌漿處理[4],將左岸卸荷帶防滲帷幕與壩基防滲帷幕連成一個整體。一般工程常規做法是在心墻基座設2排固結灌漿及1排帷幕灌漿,在壩頂高程設1排帷幕灌漿。而本工程在左岸卸荷帶處心墻基座加寬至8 m,設2排深孔固結灌漿孔及4排帷幕灌漿孔,在壩頂灌漿平洞內設2排深孔固結灌漿(同帷幕深度)及2排帷幕灌漿。具體做法如下:

(1)在卸荷帶處將心墻基座寬度由4.0 m加寬至8 m,為增大卸荷帶范圍內的混凝土基座與基巖面的接觸面的灌漿壓力,提高表層基巖灌漿效果,在混凝土基座與基巖面之間增設φ 25砂漿錨桿,間、排距2 m×2 m,錨桿長2.5 m,入巖2.0 m,外露0.5m。

設2排深孔固結灌漿孔,孔深約15 m～34 m,深孔固結灌漿伸入到弱卸荷帶面以下,孔距2 m。帷幕灌漿采用4排,孔距2 m、排距1.5 m,梅花形布置,帷幕灌漿孔深度伸入q≤3Lu的埋深界線以下3 m,帷幕灌漿深度同時滿足該部位壩基所承受最大水頭1/2的要求。

(2)在壩頂處(高程1 307.6m)沿壩軸線方向在山體內設灌漿平洞,灌漿平洞長65 m,平洞越過弱卸荷帶,在灌漿平洞內對卸荷帶進行深孔固結灌漿及帷幕灌漿,固結灌漿孔為2排,孔距為2 m,帷幕灌漿孔為2排,孔距為2 m,固結灌漿和帷幕灌漿深度均為20 m～28 m,深孔固結灌漿及帷幕灌漿壓力均采用0.5 MPa～1MPa,與壩體心墻基座底部的防滲線連成整體。

經過在壩頂灌漿平洞內和心墻基座上對卸荷裂隙帶進行深孔固結及帷幕灌漿處理,將左岸卸荷帶防滲帷幕與壩基防滲帷幕連成一個整體。在正常蓄水位情況下,卸荷裂隙帶所受最大水頭約為25 m。左岸灌漿平洞內的深孔固結灌漿和帷幕灌漿壓力均采用0.5 MPa～1MPa,既50 m～100 m水頭,灌漿壓力相當于巖體所承受水頭的4倍,目的就是提高灌漿效果和防滲效果。

4.2 防止左岸卸荷帶滲透破壞的工程措施

4.2.1 對充填有黃土的裂隙進行置換處理

對壩頂高程以下40 m壩體范圍的坡面,在壩肩削坡后,對出露的充填有黃土的裂隙進行置換處理,人工掏除裂隙內的黃土,回填細粒混凝土(大裂隙)或水泥砂漿(小裂隙),裂隙封閉處理具體要求見表1。

表1 裂隙處理情況

已建的恰甫其海水利樞紐工程[5-6],對風積黃土的允許比降做過相應的試驗,在無反濾保護條件下,土料的自身抗滲比降是:允許比降為1.5～4.5,破壞比降為18～54。在有反濾保護條件下,土料允許比降為30～50,破壞比降為250～300。

鉆孔壓水試驗結果表明,左岸卸荷帶的透水率一般在12 Lu～45 Lu之間,根據試驗成果和滲透變形判定,左岸卸荷帶中的卸荷裂隙臨界比降平均為3.1。鉆孔壓水試驗時,通過現場觀測,平硐內卸荷帶兩側巖體裂隙發生滲漏滴水,卸荷帶在供水壓力1.0 MPa下未發生滲透破壞,在該壓力下計算出卸荷帶的滲透比降為24.1。

對壩頂高程以下40 m壩體填筑范圍內的上、下游坡面,清坡后對有黃土的裂隙采用細粒混凝土(大裂隙)或水泥砂漿(小裂隙)進行置換處理,其最大置換處理長度為220 m,約是其承受水頭的5倍,庫什塔依左壩肩卸荷裂隙內充填的黃土,所承受的滲透比降約為0.2,該封閉長度與水平防滲的大壩水平鋪蓋長度基本一致,也就是說在沒有反濾保護的情況下,壩基一般也不會產生滲透破壞。

4.2.2 在瀝青混凝土基座下游側設置混凝土防護板

在瀝青混凝土基座下游側削坡后的坡面上設置混凝土防護板,對坡面上的巖體進行封閉,以延長滲徑,在壩頂高程混凝土防護板寬15.0 m,在壩頂高程以下40 m(高程1 267.6 m)處混凝土防護板寬40.0 m,混凝土防護板采用掛網噴混凝土結構,混凝土標號為C25,噴混凝土厚150 mm～200 mm,鋼筋網鋼筋直徑采用φ 8,間排距為150 mm×150 mm。在坡面表層裸露的巖石上布置φ 25砂漿隨機錨桿,入巖1.6 m,外露0.2 m,錨桿與鋼筋網連成整體。

4.2.3 在瀝青混凝土基座下游側壩體范圍內坡面上鋪設混合反濾層

在左岸壩頂高程以下40 m壩體范圍瀝青混凝土基座下游側壩體范圍內坡面上,鋪設3 m厚混合反濾層,對防滲線下游卸荷帶巖體滲流出口進行反濾保護,以防止卸荷裂隙內黃土流失,反濾料要求與心墻兩側過濾料相同,并與心墻下游側過濾料連成整體,以防止卸荷裂隙內黃土的流失。

為避免混合反濾料中粗顆粒在岸坡面上聚集,形成粗顆粒密集帶,影響反濾效果,在混合反濾層施工時,要求混合反濾料鋪筑層厚為0.4 m,人工清除混合反濾料與岸坡面間的粗顆粒。

4.3 運行期監測設施

加強左壩肩繞壩滲流監測,在左岸壩軸線下游側岸坡上布置4個滲流監測孔,在左壩肩瀝青混凝土心墻下游側不同高程布置滲壓計,監測左壩肩繞壩滲流情況,及時發現左壩肩有無異常現象。

4.4 后期防滲補強措施

左岸壩頂高程處的灌漿平洞按永久洞設計,長期保留,必要時可對左壩肩進行二次灌漿,對壩頂高程以下約40.0 m高度范圍內的卸荷帶巖體進行加固處理。

5 結 論

(1)左壩肩壩頂高程以下約40.0 m范圍內,卸荷帶巖體在結構面切割組合及重力作用下,發生卸荷及傾倒變形,強卸荷帶巖體裂隙非常密集且多具有較大的張開度。通過對左岸壩坡開挖處理,在壩頂高程深入巖體水平挖深15.0 m,在1 276 m高程深入巖體水平挖深24.0 m,將大部分發育較大的卸荷裂隙清除,心墻基座坐在相對較完整的基巖上。

(2)左壩肩壩頂高程以下約40.0 m范圍,心墻基座寬度由4.0m加寬至8 m,設2排深孔固結灌漿孔,深孔固結灌漿伸入卸荷帶弱滑裂面以下,采用4排帷幕灌漿,帷幕灌漿孔深度伸入 q≤3Lu的埋深界線以下3 m。在壩頂高程設65 m深灌漿平洞,平洞越過弱卸荷帶,在灌漿平洞內布置2排固結灌漿孔和2排帷幕灌漿孔,孔深均為20 m～28m,經過對卸荷裂隙帶進行深孔固結和帷幕灌漿處理,將左岸卸荷帶防滲帷幕與壩基防滲帷幕連成一個整體。

(3)對壩頂高程以下40 m壩體范圍的坡面,對出露的充填有黃土的裂隙采用細粒混凝土(大裂隙)或水泥砂漿(小裂隙)進行置換處理,在瀝青混凝土基座下游側削坡后的坡面上設置掛網噴混凝土結構的混凝土防護板,對坡面上的巖體進行封閉,以延長滲徑。

(4)在左岸壩頂高程以下40 m壩體范圍,瀝青混凝土基座下游側坡面上鋪設3 m厚混合反濾層,對防滲線下游卸荷帶巖體滲流出口進行反濾保護。

(5)加強左壩肩繞壩滲流監測,在左岸壩軸線下游側岸坡上布置4個滲流監測孔,在左壩肩瀝青混凝土心墻下游側不同高程布置滲壓計,監測左壩肩繞壩滲流情況,可及時發現左壩肩有無異常現象。

(6)左岸壩頂高程處的灌漿平洞按永久洞設計,必要時可對壩頂高程以下約40.0 m范圍內的卸荷帶巖體進行加固處理。

通過對左壩肩邊坡開挖處理,已將大部分發育較大的卸荷裂隙清除;并通過加強固結灌漿和帷幕灌漿;對左壩肩壩頂高程以下約40.0 m范圍內坡面上出露的卸荷裂隙進行封閉處理和反濾保護;在左岸壩軸線下游側布置滲流監測孔和在瀝青混凝土心墻下游側不同高程布置滲壓計,加強運行期左壩肩繞壩滲流監測。在左岸壩頂高程設永久灌漿平洞,必要時可對左壩肩進行二次灌漿處理。通過以上多個層次的工程措施,可確保左岸壩肩壩頂高程以下約40.0 m高度范圍內卸荷帶巖體的滲透穩定,左岸卸荷帶防滲處理方案是安全可靠的。

[1] 孫釗.大壩基巖灌漿[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[2] 庫什塔依項目組.庫什塔依水電站工程地質報告[R].烏魯木齊:新疆水利水電勘測設計研究院,2010.

[3] 庫什塔依項目組.庫什塔依水電站工程可行性研究報告[R].烏魯木齊:新疆水利水電勘測設計研究院,2010.

[4] 劉安榮,陳秋華,李根,等.復雜地基處理中化學灌漿及質量控制的研究[J].水利與建筑工程學報,2010,8(1):60-61.

[5] 余學明,何順賓.冶勒水電站瀝青混凝土心墻堆石壩基礎防滲處理設計[C]//第一屆堆石壩國際研討會文集,四川:成都,2009.

[6] 曲 苓,宋瑞華.恰甫其海粘土心墻壩設計[C]//第一屆堆石壩國際研討會文集,四川:成都,2009.