高水頭壩基裂隙巖體滲流穩(wěn)定分析

唐建立，朱翠民，史 恒，皇甫澤華，崔保玉

（1.河南省水利勘測(cè)有限公司，河南鄭州450008；2.河南省豫東水利工程管理局，河南 開(kāi)封475000；3.河南省前坪水庫(kù)建設(shè)管理局，河南鄭州450003；4.河南宏大水利工程有限公司，河南 開(kāi)封475000）

隨著技術(shù)的不斷革新及大型工程的興建,巖石力學(xué)開(kāi)始涉及更深、更復(fù)雜的地下工程。自Biot于1941年提出有效應(yīng)力與滲透場(chǎng)之間存在耦合關(guān)系以來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究工作,并取得了很多研究成果,如一些學(xué)者通過(guò)開(kāi)展不同應(yīng)力路徑下滲流耦合試驗(yàn),研究了花崗巖片麻巖在不同滲透壓和水壓作用下滲透率與體積應(yīng)變、應(yīng)力與應(yīng)變、滲透率與有效圍壓的關(guān)系,通過(guò)改進(jìn)常規(guī)滲透試驗(yàn)方法,研究了不同圍壓作用下花崗巖力學(xué)損傷演化機(jī)制及其滲透性規(guī)律［1］。

我國(guó)水庫(kù)大壩建設(shè)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展相應(yīng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展,大壩建設(shè)高度一再增大,勢(shì)必帶來(lái)壩前蓄水高度的增大,從而引起壩基巖體水壓力增大［2］。目前,高壩大庫(kù)壩基設(shè)計(jì)基面為具有裂隙的巖體,蓄水后壩基巖體裂隙中的水壓力將隨蓄水深度的增大而增大［3-4］。高水頭作用下,壩基巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng)將被改造,這將導(dǎo)致壩基裂隙巖體滲透壓力和滲流體積力發(fā)生變化,從而引起巖體的力學(xué)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)變化,即裂隙巖體內(nèi)的孔隙、裂隙以及節(jié)理發(fā)生滲流—應(yīng)力重新耦合,進(jìn)一步改變巖體物理地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中相互聯(lián)系、相互作用的兩個(gè)重要的組成部分——滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),導(dǎo)致巖體變形甚至劈裂破壞,直至從根本上改變巖體的滲透特性［5-6］。高水壓下的滲透穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)壩基裂隙巖體的關(guān)鍵,是整個(gè)工程運(yùn)行安全性的關(guān)鍵。實(shí)際上,水庫(kù)蓄水后或多或少都會(huì)引起巖體發(fā)生一些變化,尤其是在高水頭作用下發(fā)生滲透破壞現(xiàn)象,在庫(kù)首區(qū)更為明顯［7］。

筆者根據(jù)前坪水庫(kù)工程壩址區(qū)基巖特點(diǎn),在分析壩基裂隙巖體透水率在水平、垂直等維度的分布情況及其曲線類(lèi)型的基礎(chǔ)上,研究了工程區(qū)巖體產(chǎn)生滲透破壞的現(xiàn)象以及滲透性加強(qiáng)的可能。

1 壩基巖體特點(diǎn)

河南省前坪水庫(kù)壩址區(qū)位于侵蝕、剝蝕低山區(qū)與丘陵區(qū)交接地帶,大壩采用黏土心墻砂礫（卵)石壩,壩基位于密實(shí)砂卵石上,下伏基巖及兩壩肩基巖為元古界熊耳群馬家河組安山玢巖。地質(zhì)歷史過(guò)程中,在構(gòu)造改造及表生改造的綜合作用下,巖體結(jié)構(gòu)面及工程性質(zhì)均發(fā)生不同程度的劣化。

壩址區(qū)安山玢巖節(jié)理裂隙較發(fā)育,寬度一般為0.5～1.5 mm,裂隙延伸一般為2.0～3.0 m,個(gè)別超過(guò)5.0 m,裂隙面粗糙,為鈣質(zhì)、泥質(zhì)等半-全充填。

2 壩基裂隙巖體穩(wěn)定分析的必要性

前坪水庫(kù)工程設(shè)計(jì)正常蓄水位為403.00 m,設(shè)計(jì)500 a一遇洪水位為418.36 m,設(shè)計(jì)5 000 a一遇校核洪水位為422.41 m,建基面高程約332.00 m,多位于密實(shí)砂卵石上,下伏安山玢巖頂面高程最低約319.50 m,工程運(yùn)營(yíng)期壩基裂隙巖體一般會(huì)面臨約90 m水頭作用。壩址區(qū)平面布置見(jiàn)圖1,典型剖面見(jiàn)圖2。

圖1 壩址區(qū)平面布置

圖2 主壩軸線地質(zhì)剖面

長(zhǎng)期高水頭作用下,伴隨溫度、應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境條件下的多場(chǎng)耦合,巖體中滲透穩(wěn)定性薄弱部位水力傳導(dǎo)性的非均一性和各向異性表現(xiàn)更為明顯［8］。巖體結(jié)構(gòu)面中重力水產(chǎn)生的孔隙水壓力使巖體骨架所承受的壓力隨孔隙水壓力的變化呈反向變化,特別是水壓力在微裂隙中具有擴(kuò)容作用時(shí),相當(dāng)于降低了巖體的圍壓,巖體的殘余強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步減小,導(dǎo)致巖體由延性破壞逐步過(guò)渡到脆性破壞［9］。在高水壓力的長(zhǎng)期作用下,結(jié)構(gòu)面中將產(chǎn)生高孔隙壓力,導(dǎo)致固相介質(zhì)之間的壓應(yīng)力減小［10］,從而降低了巖體的抗剪強(qiáng)度,甚至巖體中裂隙的兩端因處于受拉狀態(tài)而使其向前延伸產(chǎn)生劈裂破壞。巖體結(jié)構(gòu)面中膠結(jié)物被“剪開(kāi)”,裂隙面的膠結(jié)物由“黏結(jié)”狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤八洪_(kāi)”狀態(tài)而變成導(dǎo)水通道。原有結(jié)構(gòu)面向兩端不斷擴(kuò)展,同時(shí)相伴產(chǎn)生一些次生裂隙,溝通巖體內(nèi)原有裂隙,直至徹底改變巖體中原有的應(yīng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng),增大了巖體透水性［11-12］。

3 壩基巖體壓水試驗(yàn)分析

通常情況下,就巖石塊體本身來(lái)說(shuō)其透水性一般很小,因此在分析巖體透水率時(shí)一般忽略其影響。一般來(lái)說(shuō),巖體包含多種不同成因的裂隙,導(dǎo)致其透水率遠(yuǎn)大于巖塊的透水率［13］。特別是當(dāng)巖體中的裂隙結(jié)構(gòu)面互相穿切并成為地下水的運(yùn)移通道時(shí)更為明顯。因此,巖體中裂隙的發(fā)育程度及其分布規(guī)律與巖體的透水性密切相關(guān),一定程度上起決定作用［14］。

水庫(kù)壩基下伏弱風(fēng)化狀安山玢巖,呈塊狀結(jié)構(gòu),根據(jù)壩基鉆孔全孔壁光學(xué)成像資料結(jié)合附近隧洞觀察結(jié)果,巖體中結(jié)構(gòu)面一般呈閉合狀且延展性、貫通性差,張開(kāi)結(jié)構(gòu)面內(nèi)一般有硅、鈣質(zhì)膠結(jié)物。

水庫(kù)基巖滲透破壞是蓄水后水壓力的升高引起的,巖體中滲透穩(wěn)定性薄弱部位,特別是巖體斷層破碎帶、斷裂密集帶等部位,表現(xiàn)出明顯非均一性和各向異性的水力傳導(dǎo)性［15］。

3.1 壩基巖體壓水曲線特點(diǎn)

本次壩址區(qū)壓水試驗(yàn)曲線類(lèi)型有4種,分別為A型、B型、C型和D型。壓水試驗(yàn)曲線（壓力P—流量Q)類(lèi)型為A（層流)型、B（紊流)型均說(shuō)明試驗(yàn)期間裂隙狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生變化,僅是裂隙中水的滲流狀態(tài)不同；C（擴(kuò)張)型說(shuō)明高水頭作用下原有裂隙加寬及隱裂隙劈裂；D（沖蝕)型是隱裂隙劈裂且與原有的裂隙相通或裂隙中的充填物被沖蝕、移動(dòng)造成的,是巖體滲透性增大的主要原因。各類(lèi)型典型曲線見(jiàn)圖3,各類(lèi)型曲線占比見(jiàn)圖4。

通過(guò)上述分析可知,壩址區(qū)壓水試驗(yàn)曲線類(lèi)型主要為C型和D型,兩者共計(jì)占比為72.3%,具有這兩種透水特性的基巖裂隙決定了壩址區(qū)巖體中的裂隙在高壓水頭作用下會(huì)發(fā)生一定程度的滲透破壞現(xiàn)象,造成運(yùn)營(yíng)期基巖透水性增強(qiáng)。

圖3 典型壓水試驗(yàn)曲線

圖4 壓水試驗(yàn)曲線類(lèi)型占比統(tǒng)計(jì)

3.2 壩基巖體滲透規(guī)律

3.2.1 按工程部位分析透水規(guī)律

對(duì)壩址區(qū)鉆孔（安山玢巖中)中壓水試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)圖5,Lu為透水率),結(jié)果表明：鉆孔揭露深度內(nèi)以弱透水性巖體為主,部分巖體具微透水性或中等透水性。其中：微透水巖體左岸占3%,河床段占19.5%,右岸占34.6%；弱透水巖體左岸占84.9%,河床段占68.3%,右岸占65.4%；中等透水巖體左岸占12.1%,河床段占12.2%,右岸占0.0%。

從上述分析可以看出,壩址區(qū)巖體總體具弱透水性,相同高程右岸基巖的透水性小于河床段和左岸的透水性,中等透水性巖體分布于河床段和左岸基巖巖體上部。主要原因是,河床段和左岸基巖有第四系沉積物覆蓋,從地形上看,基巖面為負(fù)地形,構(gòu)造及表生構(gòu)造均表現(xiàn)得相對(duì)強(qiáng)烈；右岸為懸坡,基巖面為正地形,基巖受構(gòu)造及表生構(gòu)造相對(duì)較弱,巖體總體完整性較好。

3.2.2 按深度分析透水規(guī)律

在統(tǒng)計(jì)區(qū)域巖體垂直方向的透水性變化規(guī)律非常明顯,主要表現(xiàn)如下。

左岸巖體：透水率＜1 Lu下限埋深約為60 m,其下部巖體具微透水性；透水率＜10 Lu下限埋深約為30 m,其上部巖體具中等透水性,兩者之間巖體具弱透水性。

圖5 壩址區(qū)巖體透水性統(tǒng)計(jì)（單位：Lu)

河床段巖體：透水率＜1 Lu下限埋深約為60 m,其下部巖體具微透水性；除個(gè)別鉆孔受斷層帶影響外,透水率＜10 Lu下限埋深約為15 m,兩者之間巖體具弱透水性。

右岸巖體：透水率＜1 Lu下限埋深約為55 m,其下部巖體具微透水性,上部巖體透水率＜10 Lu,為弱透水巖體。

綜上所述：安山玢巖巖體透水性隨埋深增加而變?nèi)?垂直方向變化明顯,頂部巖體具中等透水性。同時(shí),右岸巖體透水率呂榮值普遍小于河床段和左岸,這與河床段和左岸基巖面為負(fù)地形,上部基巖裂隙發(fā)育,右岸基巖面為正地形,基巖總體完整性較好相吻合。

3.3 壩基巖體壓水試驗(yàn)成果分析

壓水試驗(yàn)曲線類(lèi)型反映C（擴(kuò)張)型、D（沖蝕)型在高水頭作用下存在原有裂隙加寬及隱裂隙劈裂或裂隙中的充填物被沖蝕、移動(dòng)的現(xiàn)象。壩址區(qū)巖體壓水試驗(yàn)曲線類(lèi)型主要為C型和D型,兩者的總占比為72.3%,說(shuō)明壩址區(qū)基巖裂隙在高水頭作用下存在滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn),部分裂隙中的膠結(jié)物充填物存在被沖蝕、移動(dòng)等引起導(dǎo)水性“活化”的現(xiàn)象。通過(guò)“活化”作用,重新“剪開(kāi)”巖體結(jié)構(gòu)面中的膠結(jié)物,原有結(jié)構(gòu)面向兩端不斷擴(kuò)展,加之相伴而生的次生裂隙,勢(shì)必加強(qiáng)巖體內(nèi)原有裂隙的溝通,改變巖體中原有的應(yīng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng),提高巖體透水性［16］。巖體內(nèi)含水率的提高進(jìn)一步降低了其抗剪強(qiáng)度指標(biāo),特別是當(dāng)壓水時(shí)曲線類(lèi)型表現(xiàn)為C型,說(shuō)明水壓力在微裂隙中產(chǎn)生了一定擴(kuò)容作用,導(dǎo)致巖體發(fā)生兩方面的變化：一是在巖體裂隙的兩端產(chǎn)生拉應(yīng)力使裂隙向前延伸產(chǎn)生劈裂破壞；二是降低巖體的圍壓,進(jìn)一步降低巖體的殘余強(qiáng)度,使巖體由先前的延性破壞逐步向脆性破壞過(guò)渡。

雖然部分裂隙的滲透破壞現(xiàn)象理論上是可逆的［17］,但是水庫(kù)運(yùn)行后,壩基巖體將長(zhǎng)期處于高水頭壓力狀態(tài),導(dǎo)致可逆的滲透破壞現(xiàn)象出現(xiàn)不可逆性。同時(shí)壩基巖體在長(zhǎng)期運(yùn)行后,特別是壓水試驗(yàn)曲線類(lèi)型為D型時(shí),裂隙中的充填物被沖蝕、移動(dòng),加強(qiáng)了原有裂隙的溝通,進(jìn)一步加劇了水壓力在微裂隙中的擴(kuò)容作用,降低了巖體的圍壓,引起巖體強(qiáng)度弱化。當(dāng)孔隙水壓力逐步增大到接近巖體圍壓時(shí),巖體的受力情況就類(lèi)似于單軸加載作用。在高水壓的長(zhǎng)期作用下,巖體強(qiáng)度隨固相介質(zhì)間壓應(yīng)力的減小而衰減,巖體中裂隙的兩端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中而使其向前延伸產(chǎn)生劈裂破壞。裂隙貫通性因此加強(qiáng),滲流—應(yīng)力重新耦合,如此惡性循環(huán)下壩基滲漏量會(huì)逐步加大。

4 施工期壩基巖體處理措施

4.1 工程設(shè)計(jì)與壩基巖體處理

前坪水庫(kù)大壩為黏土心墻砂礫（卵)石壩,采用混凝土防滲墻加帷幕灌漿方案處理壩基滲漏問(wèn)題（見(jiàn)圖6)。防滲墻全長(zhǎng)665.0 m,采用C25鋼筋混凝土澆筑。墻頂高程341.10～363.90 m,墻底高程315.80～355.25 m,墻深11～29 m,墻厚1.0 m。防滲墻向上插入防滲體內(nèi)長(zhǎng)度為7.0 m,向下部穿過(guò)砂礫石層深入基巖不小于1 m。設(shè)計(jì)防滲帷幕頂為防滲墻軸線底部,深度進(jìn)入相對(duì)不透水層5 m,相對(duì)不透水線以3.0 Lu控制,帷幕底高程260.5～365.0 m。

圖6 0+550典型設(shè)計(jì)斷面

4.2 滲流穩(wěn)定分析

為分析壩基巖體及防滲帷幕的滲流穩(wěn)定性,采用數(shù)值模擬分析方法進(jìn)行壩體壩基滲流分析,選取上、下游側(cè)邊界距壩軸線400 m,左、右岸邊界距壩肩分別為250、315 m。分別計(jì)算特征水位（上游水位418.36 m,下游水位346.00 m)下壩基滲流場(chǎng)的實(shí)際水力坡降。根據(jù)地質(zhì)資料,壩基密實(shí)卵（礫)石滲透系數(shù)k＝5.2×10-1cm/s、安山玢巖滲透系數(shù) k＝8.5×10-5cm/s；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),混凝土防滲墻滲透系數(shù)k＝1.0×10-8cm/s、帷幕灌漿體滲透系數(shù)k＝1.0×10-6cm/s。通過(guò)定性分析與定量計(jì)算得知,混凝土防滲墻及防滲帷幕水力坡降均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖7、表1)。

圖7 0+550斷面設(shè)計(jì)水位等勢(shì)線

根據(jù)計(jì)算成果,防滲墻伸入心墻部分周邊水力坡降較陡,正常蓄水位工況為3.75～11.50,設(shè)計(jì)洪水工況下為5.1～13.4,黏土心墻內(nèi)部允許水力坡降為5.0～6.0,該部位容易出現(xiàn)滲透破壞。為防止該部位出現(xiàn)裂縫后發(fā)生集中滲流,心墻該范圍土料采用高塑性黏土填筑,增強(qiáng)土料出現(xiàn)裂縫后的自愈能力。

表1 0+500典型斷面特征水位下滲流計(jì)算結(jié)果

4.3 巖體強(qiáng)度分析

根據(jù)帷幕灌漿巖體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,弱風(fēng)化安山玢巖飽和抗壓強(qiáng)度為55.3～76.1 MPa,平均為64.7 MPa。工程經(jīng)驗(yàn)表明,巖體抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的10～30倍。按保守計(jì)算,工程區(qū)巖體抗拉強(qiáng)度一般為2.16 MPa,最小為1.84 MPa,遠(yuǎn)大于工程運(yùn)營(yíng)期面臨的水頭壓力,表明工程巖體運(yùn)營(yíng)期帷幕灌漿巖體固相介質(zhì)間壓應(yīng)力的減小有限,不會(huì)引起巖體裂隙兩端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中使裂隙貫通性加強(qiáng)的現(xiàn)象,壩基巖體在長(zhǎng)期滲流條件下是穩(wěn)定的。

4.4 施工期試驗(yàn)成果分析

為處理壩基滲漏問(wèn)題,施工期嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工,混凝土防滲墻深入弱風(fēng)化安山玢巖均不小于1.0 m。防滲墻施工中預(yù)留1.5 m間距的灌漿管,在防滲墻底部進(jìn)行帷幕灌漿,深度進(jìn)入相對(duì)不透水層5 m,相對(duì)不透水線以3.0 Lu控制,帷幕底高程為260.5～365.0 m。灌漿自上而下分段進(jìn)行,施工參數(shù)見(jiàn)表2。采用壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)防滲帷幕質(zhì)量,檢查孔布置（見(jiàn)圖8)在灌漿軸線上兩灌漿孔中間,按自上而下分段鉆進(jìn)、止塞、壓水的原則于灌漿結(jié)束14 d后進(jìn)行。檢查結(jié)果表明,灌漿后巖體透水率均滿(mǎn)足不大于3.0 Lu的設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)表3)。

表2 孔口止塞自上而下循環(huán)灌漿法施工參數(shù)

圖8 檢查孔平面布置

表3 典型斷面附近帷幕灌漿檢查孔測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

水庫(kù)蓄水后,壩址區(qū)地應(yīng)力與試驗(yàn)條件下的地應(yīng)力相差很大,初始應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)發(fā)生改變,壩基裂隙巖體將長(zhǎng)期面臨很高的外水壓力,可能引起壩基巖體變形甚至破壞,發(fā)生滲流—應(yīng)力重新耦合［18］。現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)可以很好地反映壩基巖體中的裂隙（隱裂隙)在高水壓下劈裂且與原有的裂隙相通的現(xiàn)象,同時(shí)可為壩基帷幕灌漿處理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

前坪水庫(kù)工程壩基下伏安山玢巖,弱風(fēng)化安山玢巖抗拉強(qiáng)度一般為2.16 MPa,最小為1.84 MPa,遠(yuǎn)大于工程運(yùn)營(yíng)期面臨的水頭壓力。施工中采用1.0 m厚的C25混凝土防滲墻向上插入防滲體內(nèi)（長(zhǎng)度為7.0 m),深度穿過(guò)砂礫石層深入弱風(fēng)化基巖不小于1 m是合適的。防滲墻中預(yù)留1.5 m間距的灌漿管,防滲帷幕頂為防滲墻軸線底部,深度進(jìn)入相對(duì)不透水層（3.0 Lu)以下5 m,通過(guò)帷幕灌漿,將高壓水泥漿填充到基巖裂隙中,這些漿液在巖體深部固化后與基巖結(jié)合連成一體,達(dá)到了有效控制巖體滲漏量、減小壩基滲透性的效果,同時(shí)也達(dá)到強(qiáng)化巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)軟弱充填物的目的,確保壩基巖體在運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)期滲透條件下的安全穩(wěn)定性。