英布魯水電站壩基巖體滲流特性及工程對策

喬東玉 韓治國 杜長青 高志飛

1 壩基巖體的水文地質特性

1.1 砂巖的物理結構及其水理特性

英布魯壩基白堊系砂巖多呈黃白或灰白色,中、細粒結構,粒徑多為0.075～0.5 mm,約占82.8%,主要礦物成分為石英,含有少量長石等。中、細砂顆粒均勻,磨圓度好,多呈孔隙式點接觸弱膠結,長石多已風化,孔隙內可見高嶺土團粒,局部膠結物中含有少量硅質。巖石結構破壞后,在松散砂狀態下,孔隙內的高嶺土物質呈白色絮狀膠體析出并沉淀,含量為1.46%～2.15%。砂巖孔隙率約25%,天然干密度2.0 g/cm3,單軸抗壓強度多小于5 MPa,具有高孔隙率、低密度、低強度和易擾動破壞等特性,屬極軟巖；同時,砂巖結構疏松,孔隙發育,滲透性強,在強滲流作用下,易發生滲透破壞。

巖體的上述物理、水理性質與其成巖膠結程度密切相關。英布魯砂巖成巖程度很低,屬于弱中等膠結。易溶鹽含量低,為HCO3--Ca2+型。由于地下水具有較強的水交替作用和弱酸性,為砂巖中長石顆粒的高嶺石化作用提供了條件,砂巖中普遍缺少長石,其原因是原砂巖中少量長石已轉化 (蝕變)為高嶺石。砂巖孔隙內的高嶺土團粒,即砂巖結構破壞后粒徑小于0.074 mm的白色析出物,為弱結晶的高嶺石。而由于CaCO3含量低 (0.13%～1.65%),致使砂巖的鈣質膠結作用微弱。

1.2 砂巖的水文地質構造特征

工程區域白堊系砂巖連續沉積厚度巨大,由厚度普遍在1～2 m以上的近水平巖層組成。巖層近水平層面節理和交錯層理面節理構成了壩基巖體主要的一組結構面,形成特有的孔隙-層面節理巖體介質。巨厚砂巖沉積不存在理論上的隔水層,而且砂巖結構疏松,孔隙非常發育,實際是一種以孔隙為主的 (n=25%)含有層面節理的孔隙-層面節理介質,因此無論從巖體質量抑或是其滲透性來看,都可認為是一種相對均勻的巖體,亦即整個巨厚砂巖沉積層是一個統一的孔隙地下水系統 (單元)。

考慮壩基巖體水文地質特性,將其自下而上分為3層,即①由薄層沉積層理構成的層狀軟弱砂巖(K2i-l),總體表現為強透水性；②由中層—厚層沉積層理構成的厚層狀軟弱砂巖 (K2i-2),呈中等—強透水性,滲透性相對較均勻；③由薄層沉積層理構成的層狀軟弱砂巖 (K2i-3),呈中等—強透水性,滲透性不均勻。其在壩基范圍內的分布高程、厚度及結構特征見表1。

表1 壩基巖層結構及產狀分布特征表

按壩基巖體結構的差異,可分為三大層兩種類型,見表2。其中:第②層沉積層理較厚,膠結程度和完整性相對較好；第①、③層沉積層理薄,膠結程度和完整性相對較差。第③層軟弱砂巖頂部為全—強風化層,一般厚5～8 m,呈風化砂狀,沉積層理結構已不明顯,而中下部巖體風化程度微弱；第②、①層軟弱砂巖巖體新鮮。三大層砂巖在物質組成、膠結形式上基本相同,巖體組成相對較均勻,局部地段3層間的界線不明顯,呈逐漸過渡狀態。

巖成巖程度差,孔隙及層面節理發育,成為地下水的良好儲存和徑流介質,地下水賦存狀態主要表現為孔隙潛水和孔隙-層面節理潛水兩種形式。而如前所述,不同層位或不同地段的軟弱砂巖,其巖體透水性存在一定差異,尤其是巖層在水平方向和垂直方向上存在的滲透各向異性,造成地下水在局部地段形成層間微弱承壓現象。壩基砂巖三大層位的劃分已表明其在滲透性上存在一定結構性差異,但進一步劃分至更小的層位,即更細的沉積層理結構面層次上,其差異已不明顯,亦即巖層不存在理論上的相對 “透水層”和 “隔水層”,其 “滲透性差異”現象與通常的 “承壓水”概念有所不同。鉆進過程中地下水位隨孔深加大逐漸升高的規律以及基坑施工開挖中的降水過程,都證實了對砂巖以潛水性質為主的賦存狀態的認識是正確的。

表2 壩基巖體結構分類表

1.3 砂巖的滲透及滲變特性

從鉆孔壓水試驗成果看 (表3),上部K2i-3和K2i-2兩層的透水性相近,下部K2i-1層透水性偏大。巖體透水率多在60～90 Lu,為中等透水性,局部巖體透水率超過100 Lu,呈強透水性。室內滲透試驗,砂巖的滲透系數為3.00×10-4～2.80×10-3cm/s,平均1.80×10-3cm/s,屬中等透水性,與鉆孔壓水試驗成果一致。

表3 鉆孔壓水試驗成果

砂巖滲透變形試驗成果 (見表4),臨界坡降1.48～2.75,平均2.12；破壞坡降21.31～56.02,平均38.67。如前所述,雖然垂直層面與平行層面方向的滲透性差異不明顯,但滲透變形試驗反映,其垂直與平行層面兩個方向上仍存在差異,前者的臨界坡降及破壞坡降是后者的近2倍,表明沿層面方向更容易發生滲透變形破壞。而實際狀態是,壩基砂巖顆粒大小較為均勻并且處于弱膠結狀態,其破壞型式一般表現為有臨空面時發生的溯源方向的流土破壞,基坑開挖過程中邊坡滲水形成的孔洞以及鉆孔涌水造成的孔壁坍塌等破壞,均屬于此類現象。

現場和室內滲透試驗結果及地質分析認為,由于巖體具有中等—強透水性,除②層軟弱砂巖和③層中下部軟弱砂巖等具有一定的抗滲透破壞能力外,包括③層上部5～8 m全—強風化巖體、③層中部部分軟弱砂巖在內的巖 (土)體,均可能存在不同程度的滲透破壞問題。從壩基巖體質量特性及滲透地質模型看,分布高程位于高程275～260 m之間的第②層軟弱砂巖垂向透水性相對較弱,若考慮垂直防滲措施,帷幕下限應不低于高程265 m。高程260 m以下第①層軟弱砂巖屬強透水性,并且與庫水聯系較弱,因此,不宜揭穿第②層進入該層。

表4 壩基巖石室內滲透變形試驗成果

2 壩基巖體灌漿地質特性分析

2.1 試驗灌漿成果分析

通過現場試驗性灌漿,得到如下結論:

(1)灌漿前、后巖體的透水率和聲波波速改變均不明顯。灌漿前巖體的透水率為68～250 Lu,平均值為100 Lu；灌漿后巖體的透水率似有所降低,為54～150 Lu,平均值98 Lu。巖體縱波速度由2 510 m/s提高到2 560 m/s左右,雖有小幅提高,但不明顯,這與巖體中破裂結構面發育極少是一致的。另外,從地質條件分析,采用普通水泥灌漿,漿液在砂巖孔隙中擴散范圍有限,是灌漿后巖體的透水率和波速改變不明顯的主要原因；因此,從灌漿效果看,采用普通水泥灌漿難以達到壩基防滲目的。

(2)通過灌漿,可以對施工開挖爆破、擾動裂隙、卸荷層面裂隙、混凝土與基巖的接觸面等起到固結作用。Ⅰ序孔單位注入量14.87～153.62 kg/m,平均41.40 kg/m。經過Ⅰ序孔灌漿,后序孔的單位注入量明顯減小,但Ⅱ序次以后單位注入量沒有遞減的趨勢。

(3)從灌漿效果看,固結灌漿孔距以接近Ⅱ序次孔距 (3.5～5 m)較為合適,過密的孔距 (如Ⅲ、Ⅳ序)不僅不能達到灌漿目的,還會對壩基巖體的完整性造成破壞。

灌后巖體透水率和波速檢查成果見表5。

表5 灌漿試驗效果檢查成果表

2.2 施工灌漿效果分析

固結灌漿施工中,采用了多排交錯布置方式(孔排距2.5 m),排與排之間鉆孔互相交錯,孔深為 (建基面以下)3 m,灌前、灌后巖體的透水率和波速檢查成果見表6。

從檢測結果看,灌后巖體聲波速度有明顯提高,提高率6.70%～31.50%,巖體透水率也相應有所降低,說明固結灌漿設計方案是合適的。同時,基于灌漿試驗 (工作面普遍低于地下水位13 m以上、巖石膠結差等因素)提出的固結灌漿起始壓力不小于0.2 MPa,最大壓力不超過0.6 MPa的灌漿參數也是合適的。

表6 固結灌漿施工效果檢查成果表

3 壩基滲流控制措施研究

壩基砂巖透水性較強,無相對隔水層,可認為是一個無限邊界透水體,因此帷幕加深與否都是懸掛式。滲流分析得出以下結論:(1)壩基設置防滲帷幕對滲流影響不大。隨著帷幕深度加大,下游壩趾處滲流比降雖有所降低,但降低不多,即帷幕作用不明顯。(2)設置帷幕與否,壩基滲透比降都小于巖體允許滲透比降,因此取消帷幕對壩基滲流穩定基本沒有影響。

從透水性角度看,壩基巖體孔隙率達25%,透水性較強；但從水泥灌漿的角度看,巖體孔隙則較小,結構較緊密,漿液擴散半徑非常小,采用普通水泥灌漿方法將不能達到防滲目的。另一方面,由于開挖卸荷回彈、地下水向基坑臨空面滲流作用以及人為作用等因素,壩基淺部巖體局部產生層面裂隙,因此,壩基固結灌漿措施是必要的,其在強化淺部巖體完整性的同時,也有利于提高被擾動巖體的抗滲變能力。

灌漿不能形成有效的帷幕,而滲流分析結果反映帷幕對壩基滲流控制的影響也很小,因此,采用取消灌漿帷幕,以增加鋪蓋長度延長滲徑來減小壩基巖體滲透比降的方案,同樣可以達到保證滲透穩定性的目的。

4 結 語

(1)英布魯壩基白堊系砂巖具有高孔隙率、低密度、低強度和易擾動破壞等特性,屬極軟巖；同時,砂巖結構疏松,孔隙發育,滲透性強,在強滲流作用下,易發生滲透破壞。地下水賦存狀態主要表現為孔隙潛水形式,壩基砂巖三大層位巖體透水性存在水平和垂直方向上的結構性差異,但差異不明顯,無相對隔水層。

(2)壩基巖體灌漿試驗表明,砂巖 “只透水,不透漿”,普通水泥漿液在該類孔隙介質巖體中擴散半徑非常小,無法形成有效防滲帷幕,因此,壩基防滲帷幕采用水泥灌漿方法難以達到防滲目的。

(3)通過壩基滲流分析和滲流控制措施的研究,認為采用取消灌漿帷幕,以增加鋪蓋長度延長滲徑來減小壩基巖體滲透比降的方案,同樣可以達到保證滲透穩定性的目的。