英布魯水電站樞紐防滲設計與基礎處理

席燕林 龐書聰 許冬語

1 壩基巖的工程特性

1.1 壩基砂巖的結構特性

英布魯水電站壩基巖體為白堊系陸相沉積砂巖,系由不同厚度含有薄層、中厚及厚層沉積層理結構的膠結不良軟弱砂巖組成,巖層產狀近水平,無構造斷裂、褶皺和裂隙發育。按壩基巖體結構的差異,可分為三大層兩種類型,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層軟弱砂巖位于河床表層,頂部為全—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。

壩基軟弱砂巖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。巖石孔隙發育,質地疏松。礦物鑒定結果也表明,砂巖孔隙內的高嶺土團粒即是其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。其中普遍含有分散的石英細粒,系高嶺石形成過程中產生的自生石英。砂巖中普遍缺少長石,其原因是長期在弱酸性地下水交替環境下,原砂巖中少量長石已轉化 (蝕變)為高嶺石{Al2Si2O5(OH)4}。其中的蛋白石脫水后轉化為石英,此外,還有微量方解石(CaCO3)。

1.2 巖體的工程特性

壩基砂巖結構疏松,孔隙發育,實際上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。從巖體質量和滲透性來看,可認為是一種相對均勻的巖體,即整個巨厚砂巖沉積層是一個統一的孔隙地下含水系統。砂巖成巖程度差,孔隙及層面節理發育,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表明其在滲透性上存在一定差異,但進一步劃分至更細的沉積層理結構面層次上,其差異已不明顯,即巖層不存在相對 “透水層” 和 “隔水層”。

壩基巖體干密度在2.0 g/cm3左右,孔隙率在25%左右,單軸抗壓強度一般小于5 MPa。具有大孔隙、低密度的特征,相應的抗壓強度也較低；但巖體相應的變形模量指標在1 GPa左右,彈模和變模指標相差較小,反映出巖體具有 “脆性”特征。抗剪試驗表明此類巖體具有較高的抗剪強度；而載荷試驗也反映,在工程要求的試驗壓力下,巖體均處于彈性變形狀態,表現出較高的承載力和抗變形能力。此外,聲波速度vp與巖體質量之間具有較好的相關性。

2 壩基灌漿帷幕的試驗研究

2.1 灌漿試驗成果

技施階段在基坑內進行了灌漿試驗,灌漿試驗成果如表1,從灌漿前后的聲波檢測結果看,灌漿前后的聲波值變化微小,灌漿對巖體的加強作用微弱。從灌漿試驗成果分析,可以判斷基礎幾乎不吸漿,從而推斷水泥灌漿在本工程特殊的基巖條件下是無效的。

表1 灌漿試驗效果檢查成果表

2.2 灌漿效果分析

設置防滲帷幕的目的是要在大壩基巖中形成一道連續的、完整的、比大壩基巖滲透性低的幕狀防滲結構。帷幕灌漿效果首先取決于巖體的可灌性,即巖體裂隙發育程度、張開程度、充填情況和連通情況。由于本工程的巖體具有以下特征,使得本工程的水泥灌漿不能形成有效的帷幕。

(1)本工程軟弱砂巖屬于一種孔隙介質,雖然有沉積層面節理,但只是表現為一種沉積韻律,裂隙并不發育,巖體完整性很好。

(2)壩基軟弱砂巖呈半成巖狀態,其25%的孔隙率使其具有較強的透水性。但水泥漿液的粒徑相對孔隙而言又是 “巨大”的,漿液中表現出水分能通過孔隙,而水泥連膠體 (＜0.002 mm)物質都不易通過。

(3)巖體孔隙率雖高達25%,透水性較強；但結構較緊密,相當于密實的砂層。由于巖體孔隙較小,漿液擴散半徑非常小,這與通常不能在密實的砂層中進行灌漿的經驗是一致的。

所以,采用普通水泥灌漿方法不能達到防滲目的。

3 樞紐防滲體系設計

對于基巖壩基的基礎防滲,通常采用帷幕灌漿形成帷幕,可以形成有效的防滲體系。本工程壩基巖體雖巖體的滲透系數達到K ×10-2cm/s,具有呈中等—強透水的特性,但它具有的孔隙—層面節理的結構特征,使得帷幕難以奏效,為此,設計進行了壩基防滲體系的設計研究。

攔河樞紐主要由土壩、泄水閘、電站廠房組成,壩頂全長581 m,最大壩高32.5 m。針對土壩和電站廠房進行的防滲方案研究成果如下。

3.1 土壩壩基防滲帷幕研究

土壩壩基與壩體滲流計算采用平面有限元方法,分不同工況分別計算。采用加拿大GEOSLOPE系列程序之SEEP/W-Version5。

由于壩基透水性高于壩體防滲材料透水性100倍以上,計算中將地基作為無限深的透水地基。按滲流計算分析的要求,為保證計算精度,選取較大范圍的地基建立分析模型。整個計算區域為:自壩體建基面以下沿深度方向取300 m；在上、下游坡腳分別向上游選取500 m,向下游選取200 m。計算域的邊界條件為:壩基底邊界為不透水邊界,即在壩基300 m深度處不考慮垂直方向的水流交換；壩體及壩基上、下游坡面水面線以下部分為水力邊界,水頭大小與上、下游水位一致；其余部分為自由滲流邊界。計算參數見表2。

表2 土壩滲流計算參數

壩基滲流計算成果如圖1所示。從計算結果看,無帷幕和有帷幕計算結果差別不大,最大的出逸比降分別為0.311和0.31,位于貼坡排水下部；懸掛式防滲帷幕隨著其深度增加,出逸比降和通過壩基的滲透流量呈下降趨勢,但防滲帷幕的作用不大。

圖1 有帷幕正常運行壩體浸潤線及流網圖

3.2 河床電站壩基防滲帷幕研究

取上游防滲護坦及河床電站底板底邊作為混凝土建筑物邊界,上、下游取100 m基礎,自建筑物底邊界向下取100 m基礎,建筑物邊界為不透水邊界,整個基礎均為透水地基。計算中取無帷幕和有帷幕分別建立兩種計算模型,帷幕深度為8 m。地基各層滲透系數如表3。

表3 河床電站滲流計算參數

從河床電站計算結果看,無帷幕和有帷幕計算結果差別不大,在出逸點5 m范圍平均出逸比降分別為0.16和0.15,無帷幕和有帷幕單寬滲流量分別為K ×10-3m3/(s?m)及 K ×10-3m3/(s?m)。

土壩和河床電站壩基滲流計算結果均顯示,壩基設置帷幕對水頭的削減、滲漏量及出逸比降影響很小,即帷幕對基礎防滲幾乎不起作用。

3.3 樞紐的防滲體系

根據土壩和河床電站的滲流計算結果和灌漿試驗成果分析,基礎作為一個無限深的透水體,在有限的深度范圍沒有相對隔水層,因此帷幕加深與否都只是懸掛式。滲流計算結果表明,深度小于40 m的帷幕對基礎滲流圖形的改變較小。從現場灌漿試驗過程看,巖層基本不吃漿,灌漿后巖體的透水性和巖體波速值也沒有明顯的變化。灌漿根本不能形成有效的帷幕,除非改為連續墻,如采用防滲深墻,又將嚴重影響施工工期。

對于以上影響因素,設計進行了增加水平防滲取代帷幕灌漿的研究,計算結果表明,各建筑物的壩基滲透比降的控制,取決于基礎面滲流路徑長度,只要控制基礎面滲流路徑長度,使基礎內部和出逸處的滲透比降小于允許滲透比降,同樣可以控制基礎滲流穩定 (見圖2)。

圖2 樞紐最終的防滲體系

3.3.1 土壩的防滲體系

土壩、泄水閘及河床電站取消帷幕灌漿后,為確保各建筑物的壩體穩定及滲透穩定,采取了以下防滲措施,形成了可靠的防滲體系。

(1)心墻與上游內鋪蓋相結合形成壩體與基礎防滲體系,為控制壩基滲流穩定,將內鋪蓋在壩體外向上游延伸20 m,鋪蓋由上游向下游逐漸加厚,前端最小厚度1.5 m,末端最小厚度3 m。

(2)在壩軸線上游壩基設截水槽,其中心線距壩軸線25m,截水槽底寬4 m,上、下游邊坡為1∶1.5,截水槽底挖至建基面以下3 m左右。沿槽底澆筑混凝土板,厚度為1.0 m,防止土壩壩基產生接觸滲透破壞。

(3)在壩趾滲流出逸區設置水平反濾層,水平長度大于5 m,并與左右岸下游岸防護形成整體。對于壩基的防護考慮淺層基巖經開挖擾動后形成散粒體結構。被保護巖體按散粒的粒徑進行設計,設計了雙層反濾層,第1層反濾粒徑0.25～5 mm,厚度40 cm；第2層反濾粒徑為3～50 mm,厚30 cm。

(4)為防止左岸繞滲水流對岸坡的破壞,在左右壩肩的岸坡部分,設置了大范圍的貼坡防滲鋪蓋,鋪蓋采用防滲土料加反濾層的結構,下游設貼坡反濾層排水,形成了有效的岸坡防滲和排水系統。

3.3.2 泄水閘及河床電站的防滲體系

泄水閘及河床電站壩段為混凝土結構,由于帷幕難以形成,且基礎抗滲性能差,不能按通常的基巖地基采用設帷幕和排水孔幕的方式形成防滲和排水體系。為確保各建筑物的滲透穩定,采取了以下防滲措施,形成了可靠的防滲體系。

4 壩基保護與處理

4.1 建基面的處理

由于壩基巖體膠結程度較差,巖層表部風化程度較高,其強透水性使得巖體在滲透壓力作用下極可能發生滲透變形破壞,主要反應在施工期基坑的滲流破壞和運行期滲流出逸區的滲流破壞。

4.1.1 基坑的滲流破壞處理

在施工期,基坑的表面排水往往造成順巖層節理面的順層淘刷,這種順層淘刷在短時間內就能迅速擴大并向巖體內深度發展。防止這種破壞,是在基礎表面設置縱橫排水盲溝,在盲溝內設置反濾體和排水管,并設置灌漿管。當完成建基面以上壩體填筑并達到一定的壓重厚度時,將采用低壓灌漿對排水盲溝進行回填封堵,灌漿按排水盲溝的空隙體積的1.1～1.3倍作為結束灌漿的標準。灌漿完成后采用取心法進行質量檢驗。

4.1.2 建基面的保護措施

在建基面清理時,由于壩基巖體膠結程度較差,當建基面保持干燥時,往往在建基面產生一層不均勻的松散砂。如果這層不均勻的松散砂保留在基礎面,將可能形成結構薄弱面和滲流的集中通道。設計采用撒潑1∶3的水泥漿措施取得了較好處

(1)為延長滲徑,在泄水閘及河床電站上游設置了防滲護坦,鋪蓋厚0.5 m,長41.89 m。為保證防滲效果,采用鋼筋混凝土護坦設置雙層止水,并在施工中嚴格控制上游防滲護坦的質量。

(2)采用固結灌漿加固壩趾和壩踵區的巖體,并提高建基面的結合效果,防止產生淺層滲流破壞。

(3)在泄水閘的消力池底板和電站尾水渠底板均設置反濾層,并在底板設排水管排除反濾層的滲流水,達到基礎排水的目的。

3.3.3 樞紐的防滲體系

樞紐最終的防滲體系為:兩岸土壩為心墻與上游內鋪蓋相結合形成壩體與基礎防滲體系；泄水閘及河床電站采用上游設混凝土防滲護坦防滲；左右壩肩的岸坡采用貼坡防滲鋪蓋。貼坡防滲鋪蓋、上游內鋪蓋與混凝土防滲護坦通過上游縱向導墻形成連接過渡,形成樞紐整體的上游防滲體系。兩岸土壩在壩趾滲流出逸區設置水平反濾層,左右壩肩的岸坡在下游設貼坡反濾層排水,泄水閘和電站在下游均設置反濾層和排水管,形成了樞紐有效的排水保護系統。理效果,水泥漿撒潑與基礎面不均勻的松散砂自然結合形成了砂漿保護層,對建基面進行了有效保護,并消除了基礎面的松散砂可能造成的隱患。

4.2 壩基排水措施

為防止基礎滲流破壞,本工程取消了壩基廊道內設置的壩基排水孔幕,采用壩基上游設防滲鋪蓋延長滲徑控制滲流比降的措施,為消減基礎揚壓力,靠下游設置水平反濾。

在土壩壩趾出逸區和泄水閘和電站壩段的下游護底區設置水平反濾,在護底混凝土板中設排水管,滲透水通過反濾進入排水管排向下游。排水孔孔距1.5～2.0 m,排水管采用PVC透水花管,內填砂礫石并外包土工織布。

為確保消力池安全運行,在消力池底部設排水墊層并設U形排水暗管排水系統,在消力池底板設縱橫向 Φ 200 mm PVC透水花管,將滲水排向隔墩壩導墻高于正常高尾水位上的側面出口,自流將滲透水排至下游河道。這項措施受施工中出現的混凝土進入排水暗管失誤的影響沒有實現,仍采用了在消力池混凝土板底中直接設排水管的措施。

4.3 壩肩滲流保護

本工程兩岸壩肩上覆砂壤土,由于砂壤土覆蓋層較厚,且越向山體內厚度越大,對砂壤土的防滲需要較深的帷幕。從右、左岸壩肩防滲帷幕的效果看(計算工況包括自壩端開始,深入山體50,100,150 m,底高程為270 m),防滲帷幕的作用不明顯,繞壩滲流量變化不大,僅比不設防滲帷幕的情況減少1%。

設計采用的壩肩防滲是:利用砂壤土覆蓋層的“鋪蓋”作用,以鋪蓋防滲為主,使河床鋪蓋、岸坡鋪蓋等防滲措施與山體砂壤土覆蓋層形成一個完整的鋪蓋防滲系統。計算顯示,在鋪蓋防滲系統完整的前提下,在左岸下游距壩肩軸線600多m的岸坡處會發生出逸現象,在左右壩肩的岸坡下游設置了貼坡反濾層保護。

右岸廠前區大部分在河岸砂壤土覆蓋層中開挖形成,水庫蓄水后,在繞壩肩滲流的影響下,靠近岸邊的部分將被滲透水浸沒。由于廠區平臺的寬度較大,利用自然排水無法保證廠區平臺不受浸沒影響,設計在右岸廠前區岸坡沿上下游方向設置排水盲溝,溝深2.5 m,PVC花管排水。外圍采用透水反濾料填筑,保證右岸廠前區不被滲透水浸沒影響。

5 結 語

英布魯水電站特殊的地基條件,使得通常在基巖地區采用的防滲、排水和基礎處理措施都不適用。設計通過灌漿試驗和滲流分析研究,土壩采用心墻與上游內鋪蓋相結合形成壩體與基礎防滲體系,泄水閘及河床電站采用上游設混凝土防滲護坦防滲,左右壩肩的岸坡采用貼坡防滲鋪蓋形成樞紐整體的上游防滲體系；在下游設置反濾層和排水管替代壩基排水孔幕,形成了樞紐有效的防滲和排水保護體系。施工中采用基坑表面設置縱橫排水盲溝和撒潑水泥漿與基礎面松散砂結合形成了砂漿保護層的措施,對基礎建基面形成了有效保護。

目前工程蓄水到達正常高水位,各項觀測數據顯示建筑物滲流及變形正常,建筑物處于安全運行狀態。