探析盤石頭水庫(kù)雞冠山防滲帷幕設(shè)計(jì)要點(diǎn)

于 軍

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，鄭州 450000)

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探析盤石頭水庫(kù)雞冠山防滲帷幕設(shè)計(jì)要點(diǎn)

于 軍

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，鄭州 450000)

盤石頭水庫(kù)以防洪、工業(yè)及城市生活供水為主，兼顧農(nóng)田灌溉、結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。由于在右岸雞冠山單薄山體中存在多條與泄洪洞大角度相交的斷層，滲透/排泄條件發(fā)育，泄洪洞排水孔水流部分呈射流狀態(tài)，流速高，沖擊洞壁發(fā)出巨大聲響，滲漏問題嚴(yán)重。文章結(jié)合盤石頭水庫(kù)工程項(xiàng)目案例，針對(duì)水庫(kù)壩區(qū)的防滲處理進(jìn)行闡述，介紹了防滲帷幕設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

盤石頭水庫(kù)；防滲設(shè)計(jì)；生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)；防滲；設(shè)計(jì)

1 工程基本情況

盤石頭水庫(kù)位于鶴壁市西南約15km的衛(wèi)河支流淇河中游盤石頭村附近。該水庫(kù)《海河流域綜合規(guī)劃》選定的以防洪、工業(yè)及城市生活供水為主，兼顧農(nóng)田灌溉、結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。

2 工程現(xiàn)狀及存在問題

盤石頭水庫(kù)工程于1999年底開工興建，目前主體工程已經(jīng)完成，水庫(kù)于2004年2月完成蓄水安全鑒定，并于2007年6月底下閘蓄水。水庫(kù)下閘蓄水8年多來的工程觀測(cè)資料分析成果表明，壩基及左岸滲漏情況基本正常，而由于在右岸雞冠山單薄山體中存在多條與泄洪洞大角度相交的斷層，滲透/排泄條件發(fā)育，泄洪洞排水孔水流部分呈射流狀態(tài)，流速高，沖擊洞壁發(fā)出巨大聲響，滲漏問題嚴(yán)重。

根據(jù)實(shí)測(cè)滲流量資料，當(dāng)庫(kù)水位為239.03m時(shí)，水庫(kù)地表滲流量達(dá)到0.403m3/s，考慮地下潛流后及臨谷滲流等因素，水庫(kù)總滲流量可達(dá)0.806m3/s，水庫(kù)年滲漏量為2541.8萬m3；若庫(kù)水位達(dá)到設(shè)計(jì)正常蓄水位254.0m，推測(cè)水庫(kù)年滲漏量將為3216.67萬m3，水庫(kù)達(dá)到中等滲漏程度。如不處理，隨著蓄水位抬高，將導(dǎo)致右岸單薄山體及泄洪洞滲流量加大，并造成右岸泄洪洞所承受的外水壓力超過設(shè)計(jì)值。經(jīng)檢測(cè)，兩條泄洪洞襯砌已出現(xiàn)裂縫千余條，部分裂縫鋼筋截面積銹蝕率達(dá)22.56%～27.75%，結(jié)構(gòu)安全性降低。

為保證水庫(kù)的安全運(yùn)行和防洪、供水等正常功能的發(fā)揮，對(duì)右岸雞冠山進(jìn)行滲漏處理及對(duì)泄洪洞進(jìn)行加固是十分必要和迫切的。

3 本工程地質(zhì)條件

1)雞冠山山形單薄陡峭，位于壩址區(qū)右壩肩。出露地層為寒武系中、下統(tǒng)地層，上第三系地層及第四系沖積、沖洪積、坡崩積層，其中∈2地層分布在高程270～300m以上；∈1地層多分布在高程46～300m之間，其中下部地層埋藏于地下；第三系僅零星出露；第四系分布于河谷及兩岸沖溝、山坡。

2)雞冠山位于馬鞍山背斜東翼。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)以斷裂為主，一般為NE向高傾角正斷層，同時(shí)節(jié)理及風(fēng)化卸荷裂隙較發(fā)育。巖層產(chǎn)狀平緩。

3)場(chǎng)區(qū)屬區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好的地段，地震動(dòng)峰加速度值為0.15g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

4)場(chǎng)區(qū)的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r不同程度的發(fā)育有溶蝕現(xiàn)象，多表現(xiàn)為溶縫、溶孔，巖溶發(fā)育受構(gòu)造和巖性控制作用明顯。

5)場(chǎng)區(qū)地下水可分為基巖層間巖溶裂隙潛水及第四系潛水兩種類型。基巖裂隙潛水、河水、第四系孔隙潛水對(duì)混凝土無侵蝕性，對(duì)混凝土中鋼筋無腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

4 雞冠山防滲帷幕設(shè)計(jì)

4.1 防滲帷幕布置

右岸雞冠山單薄分水嶺滲漏處理采用封閉式防滲帷幕，幕底伸入基巖相對(duì)隔水層，以截?cái)酀B流通道。帷幕起點(diǎn)樁號(hào)為0+000，位于盤石頭水庫(kù)右壩頭，大壩樁號(hào)0+633.53，起點(diǎn)和右岸岸幕相接；為加強(qiáng)新老帷幕連接，確保岸幕防滲效果，本次帷幕起點(diǎn)沿右岸岸幕大壩方向延伸幕線，增加布置雙排帷幕，共計(jì)15個(gè)灌漿孔，幕底深度按本次設(shè)計(jì)伸入相對(duì)隔水層。

帷幕終點(diǎn)設(shè)置：①根據(jù)工程地質(zhì)對(duì)雞冠山滲漏問題評(píng)價(jià)及建議，雞冠山滲漏斷層帶影響范圍至F7斷層，“F7斷層至東南雄厚山體50m范圍為斷層上盤影響帶，多為灰?guī)r脆性巖體，斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育，為減少水庫(kù)滲漏量，需進(jìn)行防滲處理”；②根據(jù)地形條件，帷幕軸線與F7斷層呈150o交叉，由于該斷層最大寬度達(dá)20m，帷幕范圍如需完全覆蓋斷層，終點(diǎn)需向南延伸60m。根據(jù)地形、地質(zhì)條件綜合分析，為覆蓋雞冠山F7以北斷層帶并切斷該斷層以南影響帶，設(shè)計(jì)帷幕終點(diǎn)位于F7斷層以南約60m，樁號(hào)1+026，可有效截?cái)鄥^(qū)間滲漏途徑。

雞冠山防滲帷幕設(shè)計(jì)為前后兩排，排距1.5m，斷層帶及滲漏嚴(yán)重地段加強(qiáng)灌漿，帷幕加密至三排。帷幕樁號(hào)0+000～0+450沿現(xiàn)有通往1#、2#泄洪洞278m高程道路布置，278m道路作為灌漿平臺(tái)；278m道路以南根據(jù)現(xiàn)有地形修建臨時(shí)施工道路作為帷幕樁號(hào)0+450～1+026灌漿平臺(tái)，路面高程278m～264m，后期為永久管理道路，道路凈寬4.5m，終點(diǎn)在穿越F7斷層后向南約60m結(jié)束。灌漿孔距參照右岸岸幕灌漿，并考慮壩區(qū)斷層裂隙產(chǎn)狀陡傾角特點(diǎn)，帷幕孔距按1.5m布置。防滲帷幕施工應(yīng)按輕重緩急分段實(shí)施，首先封堵地質(zhì)斷層帶，由施工地質(zhì)確認(rèn)本區(qū)滲漏途徑與斷層的關(guān)系，根據(jù)防滲效果進(jìn)一步優(yōu)化或加強(qiáng)防滲工程布置。

4.2 帷幕厚度、鉆孔排數(shù)和深度

4.2.1 帷幕厚度及鉆孔排數(shù)

1)帷幕的厚度主要是根據(jù)工程地質(zhì)條件，帷幕允許的水力坡降，基巖的防滲標(biāo)準(zhǔn)和幕體本身的密實(shí)性、穩(wěn)定性而決定的。

帷幕厚度可按《大壩基巖灌漿》中的下列公式進(jìn)行計(jì)算：

T=(δ/Ia)H

(1)

式中：T為帷幕厚度，m；δ為通過帷幕的水頭衰減系數(shù)(δ=帷幕前后的水頭差/水頭)，設(shè)計(jì)取值為1；Ia為幕體內(nèi)(即帷幕前后)的允許水力坡降，根據(jù)幕體透水性按≤3lu控制，允許水力坡降Ia取15；H為水頭，m，=正常蓄水位254m-泄洪洞進(jìn)口洞口頂部高程224.3m=29.7m

經(jīng)計(jì)算，帷幕厚度T為1.98m，設(shè)計(jì)取2m。

2)帷幕幕厚與孔距的關(guān)系可按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

T=D(tan300+(N-1)sin600)，

即T=(0.87N-0.29)D

(2)

式中：D為帷幕孔間距，m，設(shè)計(jì)取1.5m；N為帷幕鉆孔的排數(shù)；即一排鉆孔帷幕厚度T1=0.58D=0.87m，二排鉆孔帷幕厚度T2=1.45D=2.175m，三排鉆孔帷幕厚度T3=2.32D=3.48m。

由此可見帷幕鉆孔設(shè)兩排時(shí)，其幕厚2.175m大于計(jì)算厚度2m，滿足要求。

3)根據(jù)以上計(jì)算分析并結(jié)合國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐，盤石頭水庫(kù)右岸雞冠山單薄分水嶺巖石破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、透水性大，為保證帷幕的密實(shí)性，減少滲透性，使巖石透水率達(dá)到3lu以內(nèi)，需設(shè)置二排防滲帷幕。

4.2.2 帷幕深度

1)帷幕幕底：防滲帷幕以截?cái)鄼M穿雞冠山單薄分水嶺主要滲漏通道為目的，帷幕深度取決于地層巖性的透水性，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)勘探資料，雞冠山圍巖相對(duì)隔水層為∈頁(yè)巖層及3lu線，高程170.00～214.20m，帷幕底界按接入∈111頁(yè)巖層和入3lu線5m控制(取深度較大者)，斷層帶超出3lu線部分(如F7斷層)結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)帷幕底界按進(jìn)入主河槽基巖高程以下0.3倍水頭深度控制。

2)帷幕幕頂：盤石頭水庫(kù)正常蓄水位為254m，2000a一遇校核洪水位275.0m，考慮到1#、2#泄洪洞均在278m道路以北，為保證雞冠山圍巖防滲效果，擬定278m道路灌漿平臺(tái)(樁號(hào)0+000～0+450)帷幕頂按高出2000a一遇設(shè)計(jì)洪水位控制，設(shè)計(jì)取275m；278m道路以南灌漿平臺(tái)(樁號(hào)0+450～1+026)帷幕頂按高出正常蓄水位6m控制，設(shè)計(jì)取260m。帷幕頂至灌漿平臺(tái)鉆孔采用自重壓力灌漿，以封堵孔周裂隙，減少跑漏漿；同時(shí)為保證灌漿效果，帷幕頂以上設(shè)≥3m厚基巖蓋重，防止巖石表面漏漿，提高灌漿質(zhì)量，278m道路以南灌漿平臺(tái)設(shè)計(jì)高程在264m以上。

3)帷幕深度：根據(jù)防滲帷幕布置，帷幕樁號(hào)0+000～0+450灌漿平臺(tái)為278m高程現(xiàn)有道路，帷幕灌漿深度一般為87～132m；帷幕樁號(hào)0+450～1+026灌漿平臺(tái)為新修建278～264m高程施工道路，帷幕灌漿深度一般為75～117m，F(xiàn)7斷層部位帷幕最大深度117m。

防滲帷幕實(shí)施前，需結(jié)合部分先導(dǎo)孔實(shí)際地質(zhì)資料和壓水試驗(yàn)結(jié)果，修正完善防滲帷幕地質(zhì)剖面，增加風(fēng)化分帶界線和滲透性分帶等內(nèi)容，并以此為依據(jù)，對(duì)防滲剖面帷幕底部高程進(jìn)行調(diào)整。

4.3 帷幕穿越1#、2#泄洪洞設(shè)計(jì)

雞冠山防滲帷幕在樁號(hào)0+295.3、0+436.2分別與1#、2#泄洪洞交叉，交叉處帷幕設(shè)計(jì)底高程分別為187m、186.8m。為防止帷幕擊穿泄洪洞，帷幕底邊界控制在頂拱以上2m，直墻外側(cè)帷幕距襯砌邊按≥2m控制，同時(shí)灌漿壓力≤1MPa。

為確保1、2#泄洪洞洞頂帷幕可靠封閉，洞內(nèi)頂拱應(yīng)實(shí)施加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理，固接深度入基巖7m，同帷幕重合5m，同時(shí)在不影響襯砌安全前提下適當(dāng)加大固結(jié)灌漿壓力，確保灌漿效果。洞底以下防滲帷幕，1#洞采用洞內(nèi)鉆孔灌漿方法實(shí)施，若困難較大，也可采用斜孔灌漿法；2#泄洪洞，由于導(dǎo)流洞封堵已實(shí)施灌漿，且洞身圍巖處于相對(duì)隔水層，僅需對(duì)龍?zhí)ь^洞頂以上圍巖灌漿。

5 生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)

雞冠山防滲帷幕實(shí)施前應(yīng)先進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)，根據(jù)巖石破碎程度及試驗(yàn)結(jié)果，確定灌漿工藝及相關(guān)參數(shù)。

5.1 防滲帷幕生產(chǎn)試驗(yàn)布置

根據(jù)工程建筑物布置及地質(zhì)條件，在雞冠山主帷幕區(qū)域附近選取非斷層帶和斷層帶作為代表性試驗(yàn)段。

1)二排帷幕灌漿生產(chǎn)試驗(yàn)選擇在非斷層地段，如F117與F148斷層之間，沿現(xiàn)有通往1#、2#泄洪洞278m道路布置，278m道路作為灌漿平臺(tái)。二排帷幕孔，單排9孔，計(jì)18個(gè)灌漿孔，排距1.5m，孔距1.5m。孔位布置見二排帷幕灌漿孔孔位布置圖。

圖1 二排帷幕灌漿孔孔位布置圖

2)三排帷幕灌漿生產(chǎn)試驗(yàn)段，選擇在斷層地段，如F7斷層，樁號(hào)0+931.5～0+996，沿278m道路以南修建臨時(shí)施工道路，作為灌漿平臺(tái)。三排帷幕孔，單排9孔，三排計(jì)27個(gè)灌漿孔。孔位布置見三排帷幕灌漿孔孔位布置圖。

圖2 三排帷幕灌漿孔孔位布置圖

5.2 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)包括對(duì)鉆孔、灌漿孔布置方式(排距、孔距)、孔深、壓水、灌漿分段、灌漿壓力等有關(guān)參數(shù)、材料、設(shè)備性能及施工工藝措施等內(nèi)容可行性作驗(yàn)證性試驗(yàn)，取得鉆孔、灌漿孔布置方式、孔深、壓水、灌漿分段、灌漿壓力等有關(guān)參數(shù)的可行性及檢查灌漿效果，整理、分析各序孔和檢查孔的單位吸水率、單位耗灰量等試驗(yàn)資料及經(jīng)驗(yàn)。

[1]肖東旭.帷幕灌漿施工工藝與質(zhì)量控制分析[J].黑龍江水利科技，2015(02)：13.

[2]邱一柳.中小型水庫(kù)主壩帷幕灌漿施工技術(shù)探析[J].科技展望，2015(06)：49.

[3]羅崇霄.帷幕灌漿在水庫(kù)中的應(yīng)用[J].中國(guó)建材科技，2012(01)：68.

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1007-7596(2016)08-0069-02

2016-06-18

范博(1983-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，工程師，從事水文測(cè)驗(yàn)、水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等工作。