盤石頭水庫右岸山體滲漏問題分析與處理

羅保才　孫剛　王世鋒

摘要：為解決盤石頭水庫右岸單薄山體在水頭高、滲漏強、流速大等特點下的滲漏問題，采用勘察、試驗、理論分析及實踐結合的方法，查明了水庫的地質條件和滲漏原因。對山體滲透程度進行了分級，推導了防滲帷幕的滲漏底界邊線，合理地設置了防滲幕體位置。通過生產性灌漿試驗，優化了部分灌漿工藝和參數，采用綜合壓力法及復合濃漿法進行灌漿，保證了單薄巖體的穩定和水庫在高水頭壓力作用下流速大、漏水、漏漿嚴重段的灌漿問題，使得設計封閉式帷幕能夠成功地閉合，有效地解決了盤石頭水庫的滲漏問題，保證了泄洪洞的安全運行及水庫社會效益和經濟效益的發揮。

關鍵詞：滲漏;地質構造;防滲帷幕;生產性試驗;綜合壓力;復合濃漿

中圖分類號：TV221.2;TV 23.4+3

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.026

1 工程設計及滲漏概況

盤石頭水庫是衛河支流淇河中游的一座大型水利樞紐工程，位于鶴壁市大河澗鄉盤石頭村南，正常蓄水位254.0 m，100 a-遇設計洪水位270.7 m.2 000 a-遇校核洪水位275.0 m.總庫容6.08億m³，主要由壩體、非常溢洪道、泄洪洞、輸水洞及電站等建筑物構成。壩體為混凝土面板堆石壩，長約606 m，壩高102.2 m。

右岸雞冠山中布置兩條城門洞形無壓泄洪洞，其中：1號洞全長453 m.底流消能，軸線方位角90°58′54″，洞身寬7.00 m、高9.26 m，進口高程215.00 m，出口高程192.75 m;2號洞（兼導流）全長497 m.軸線方位角81°00′26″，洞身寬7.00 m、高9.76 m，進口高程187.10m，出口高程178.37 m.兩洞軸線夾角9.99°[ 1-3]。

水庫自2007年6月底下閘蓄水以來，隨著庫水位的上升，右岸單薄山體（右壩頭-F7段）滲漏問題一直比較突出，主要表現為兩條泄洪洞內漏水量較大，其與壩基滲漏情況統計見表1。

右岸單薄山體滲漏量占水庫總滲漏量的71% -76%，是水庫滲漏的重點部位，其中85%- 91%的滲漏水是從兩泄洪洞中排出的。右岸山體滲漏問題不僅影響水庫防洪、供水等功能的正常發揮，而且嚴重威脅兩條泄洪洞的結構安全。

2 山體滲漏特征

為查明右岸單薄山體的滲漏特征和原因，選擇有效的防滲處理措施，在右壩頭一F，斷層（樁號0+000-1+015）長約1 015 m的滲漏段山坡上，沿278 -264 m高程布置一排13個鉆孔，各孔按Sm段長分別采用三級壓力、5個階段的五點壓水法連續進行壓水試驗，孔深按低于泄洪洞底板、進入隔水層10 m且終孔段巖體透水率q<3 Lu控制，實際孔深為90-100 m。

通過對壓水試驗結果整理分析，繪制了壓水試驗的典型P-Q曲線（見圖1，其中P為試段壓力、Q為壓人流量）.并對右岸山體滲透性進行了分區，提供了

3 Lu曲線位置。

由圖1可知.P-Q曲線類型屬D（沖蝕）型，表明在試驗壓力作用下裂隙狀態發生變化，巖體滲透性增強，這種變化是永久性且不可逆的：流量顯著增大且不能恢復原狀，多半是由巖石劈裂且與原有的裂隙相通或裂隙中的充填物被沖蝕、移動造成的。山體滲透性分區特征為：樁號0+000-0+540段高程215 m以上多為中等透水區，其下為微一弱透水區;樁號0+540-1+015段高程200 m以上基本為中等透水區，其下為弱透水區;F7斷層破碎帶及高程230 m以上兩側影響帶為強透水區[4-6]。

3 右岸單薄山體滲漏原因分析

右岸山體滲漏的最根本原因是地質構造發育，其次是受地形地貌、巖溶及人類活動等影響。

3.1 地質構造

地質構造主要表現為斷層和裂隙，其斜穿巖體形成張開度、延伸長度、充填及膠結程度不同的縫隙，把巖體切割成大小不一且不連續的塊狀結構體，使巖體的完整性遭到破壞，構成導水構造，成為庫水的主要滲漏通道。

右岸單薄山體發育的斷層主要有19條，總體呈羽狀排列，走向一般為N30° - 40°E，傾向北西或南東，傾角一般為70° - 85°.較大角度斜穿山體，與壩軸線近平行。斷層規模一般不大，垂直斷距除F7斷層大于100m以外，其他斷層斷距為0.4 - 10.0 m。斷層破碎帶最寬20 m（F7），一般寬0.3 -2.0 m.破碎帶內頁巖破碎未膠結、灰巖角礫巖部分為鈣質膠結，且多有溶蝕現象。斷層影響帶內一般裂隙、節理較發育，有較嚴重的風化現象。

裂隙有構造裂隙、卸荷裂隙及風化裂隙三種類型。構造裂隙對滲漏起控制作用，主要發育兩組共軛裂隙，一組走向25° -40°.與場區主要斷層基本平行，另一組走向290° - 310°，均為高角度裂隙，發育密度1-3條/m。裂隙寬度頁巖中1-2 mm，灰巖中5-10 mm，局部被溶蝕成溶縫，寬3～5 cm，一般無充填，局部充填巖屑、黏土。剪節理的裂隙面一般較平直光滑，且延伸較遠：張節理裂隙面一般粗糙不平，延伸長度一般較短[1]。

3.2 地形地貌

右岸山體屬低山侵蝕地形，呈北西向展布，被河道U形包裹，底部寬350 - 600 m，向上逐漸變窄變陡，山頂高出河床250 - 300 m。高程300 m以上山體呈高90～160 m的直立陡壁，由寒武系中統（∈：）灰巖構成，其下山體由寒武系下統（ E1）灰、頁巖互層構成陡緩不一的山坡，灰巖處為直立陡坡，頁巖處形成坡角30°- 40°的陡坡，山坡上溝谷較發育，間隔一般40 - 60m。右岸山體總體單薄而滲徑短，加之坡上溝谷發育，使得山體滲徑變短，易造成庫水滲漏[1]。

3.3 巖溶

正常蓄水位254.0 m至洞底板高程178 m段內，山體由寒武系下統（∈1）互層狀的灰巖、頁巖構成，除El3層灰巖厚度（厚10.8～ 34.3 m）較大外，其余各層灰巖一般厚3-5 m，厚度較小。灰巖層中一般無較大溶洞，巖溶現象主要表現為沿斷層、裂隙、層面等構造面發育的一些規模較小的溶洞及溶縫、溶槽、溶孔、溶隙等。溶蝕作用的發生、發展加大了已有斷層及裂隙規模，從而使山體滲透性增強[1]。

3.4 人類活動

右岸山體單薄，其內開挖的兩條泄洪洞及洞壁密集布設的排水孔對庫水滲流路徑和邊界條件影響極大，洞身在縮短滲徑的同時成為無壓臨空面，形成滲透水流宣泄出口，沿斷層、裂隙及其他構造面滲漏的庫水通過洞壁排水孔向洞內排泄，洞身成為集水廊道。觀測分析表明，兩條泄洪洞滲漏量占右岸山體總滲漏量的85% - 91%，可見庫水主要是通過泄洪洞滲漏的，而泄洪洞及洞身排水孔均是由人類活動造成的，因此人類活動是水庫滲漏量大增的主要外因。

4 防滲處理措施及效果

根據對右岸單薄山體滲漏問題及滲漏特征的分析，設計采用封閉式防滲帷幕進行防滲處理。防滲處理難點有兩個：一是如何選擇灌漿壓力以確保單薄巖體穩定;二是在現有庫水位的高水頭壓力作用下，如何解決流速大、漏水、漏漿嚴重段的灌漿問題。

4.1 帷幕布置

防滲帷幕起點位于右壩頭壩幕處（樁號0+000），向上游沿高程278 - 264 m道路布置，終點為穿越F2斷層帶后外延60 m處（樁號1+026），全長1 026 m。斷層帶及裂隙發育處布置3排帷幕，其余處布置2排帷幕，排距、孔距均為1.5 m。帷幕頂界：樁號0+000-0+450段按高出2 000 a-遇校核洪水位控制取275m，樁號0+450-1+026段按高出正常蓄水位6m控制取260 m。帷幕底界：E11，層頁巖頂面和3 Lu線（高程為170-208 m）視為弱透水區頂界，帷幕底界按進入兩者深度大者頂界Sm控制，局部斷層帶3 Lu線未確定處按進入主河槽基巖面平均高程以下10 m且進入弱透水層控制[2-3]。

4.2 灌漿工藝與灌漿參數的確定

灌漿工程實施前，先選擇非斷層帶和斷層帶等典型地質段按設計的灌漿參數進行生產性灌漿試驗，以檢驗灌漿壓力及在水頭高、滲漏強、流速大等特點下設計灌漿工藝、材料、參數的可行性及機具設備的實用性，優化灌漿工藝與參數。非斷層帶布置兩排帷幕孔，選擇4個試驗區，分別按先上游排、后下游排及先下游排、后上游排的順序施工;斷層帶布置3排帷幕孔，選擇2個試驗區，分別按先上游排、后下游排、最后中間排及先下游排、后上游排、最后中間排的順序施工。排距和孔距均為1.5 m，每排按先I序孔、后Ⅱ序孔、最后Ⅲ序孔的順序施工[4-6]。

單孔施工工藝為：測放孔位_鉆進就位_孔口段鉆孔→孔口管鑲鑄→第一段鉆孔及洗孔→阻塞→壓水試驗→灌漿→第二段至終孔段分段鉆孔、阻塞、壓水、灌漿→封孔。灌漿方法采用“孔口封閉、自上而下分段循環式灌漿法”，封孔采用“全孔灌漿封孔法”，漿液采用5：1、3：1、2：1、1：1、0.7：1.0、0.5：1.0等6個比級。

為保證山坡單薄巖體的穩定，采用了綜合壓力法對各次序孔進行灌漿，灌漿壓力見表2。

為解決高水頭作用下流速大、強漏水、漏漿段的堵漏問題，采用復合濃漿法進行灌漿，即在壓水、灌漿不起壓段，以0.5：1.0漿液為基礎，添加水玻璃、木屑、黃豆、砂等進行灌漿。

其他條件一定時，灌漿參數、工藝的合理性及灌漿質量的優劣主要通過單位透水率和單位注灰量反映。非斷層帶一區（先上游后下游）、二區（先下游后上游）試驗結果較典型，其試驗結果統計見表3。

分析表3可知：①隨著灌漿次序的增加，一區和二區各次序孔的單位透水率和單位注灰量均逐次減小，符合一般灌漿規律，灌漿質量滿足設計要求：②灌漿參數及灌漿工藝、灌漿材料、機具設備等可行性較好，可供后續工作采用;③施工順序上，先施工上游排、后下游排與先施工下游排、后上游排的效果差異不明顯，兩者均可采用。

生產性灌漿試驗結果表明，設計灌漿工藝及參數比較合理，采用的綜合壓力能夠保證單薄巖體的穩定和灌漿質量，復合灌漿法能夠較快速有效地解決高水頭壓力下流速大、滲漏性強段的封堵問題。優化的灌漿工藝如下：①設計灌漿方法為孔口封閉、自上而下分段循環式灌漿法，將其中Ⅲ序孔優化為綜合灌漿法，即上部采用自上而下分段灌漿法、下部采用自下而上分段灌漿法：②設計開灌水灰比為5：1，在局部壓水時無壓無回水的孔段優化為采用1：1或0.5：1.0濃漿開灌;③在部分裂隙發育、難以結束灌漿的大漏量孔段，采用添加水玻璃、木屑、黃豆、砂等進行特殊處理[7-10]。

4.3 防滲處理效果

對比1#、2#泄洪洞在防滲帷幕形成后滲漏量的變化情況，可直觀地反映防滲效果及防滲體形成情況。無防滲帷幕、庫水位235.0 m，1#泄洪洞最大滲漏量約為102 L/s、2#泄洪洞最大滲漏量約為64 L/s;帷幕形成后，同樣水位下，1#泄洪洞最大滲漏量約為7 L/s，2#泄洪洞最大滲漏量約為3 L/s，與前者相比，分別減小了約93%和95%，滲漏量減小非常顯著。這表明防滲處理效果非常明顯，說明幕體設置合理且封閉情況良好，能有效地截斷滲漏通道，阻止庫水滲漏。

5 結語

在查明水庫滲漏特征及原因的基礎上，合理地設置了防滲幕體的空間位置：通過生產性試驗優化了灌漿工藝及參數，選擇了合理的灌漿方案;采用綜合壓力法和復合濃漿法進行灌漿，保證了單薄巖體的穩定及水庫在高水頭壓力作用下流速大、漏水、漏漿嚴重段的灌漿問題，保證了泄洪洞的安全運行及水庫社會效益和經濟效益的發揮。

參考文獻：

[1]孫剛，王貴生，蘇超鵬，等，盤石頭水庫雞冠山單薄分水嶺滲漏處理及泄洪洞加固工程設計變更工程地質勘察報告[R].鄭州：河南省水利勘測有限公司，2014：1-46.

[2] 董振峰，于軍，高彬，等，河南省淇河盤石頭水庫工程設計變更雞冠山滲水處理項目單位工程驗收設計工作報告[R].鄭州：河南省水利勘測設計研究有限公司，2017：16-22.

[3]于軍，探析盤石頭水庫雞冠山防滲帷幕設計要點[J].黑龍江水利科技，2016，44（8）：66-68.

[4] 王行本，鞠占斌，李紹基，等，水利水電工程鉆孔壓水試驗規程：SL 31-2003[S].北京：中國水利水電出版社，2003：4-34.

[5]任博，曹寶海，柴永輝，等，河南省淇河盤石頭水庫設計變更雞冠山滲水處理項目帷幕灌漿生產性試驗報告[R].鶴壁：盤石頭水庫建設管理局，2017：2-17.

[6]胡雨，鉆孑L壓水試驗在工程勘察中的應用[J].山西建筑，2012，38（4）：105-106.

[7] 夏可風，趙存厚，肖恩尚，等，水工建筑物水泥灌漿施工技術規范：DL/T 5148-2012[S].北京：中國電力出版社，2012：3-20.

[8] 高祖純，巖溶地區高壓帷幕灌漿試驗研究[D].成都：四川大學，2003：26-30.

[9] 馮建明，趙偉，甘肅省竹林寺水庫壩基防滲帷幕灌漿試驗分析[J].四川水力發電，1999，18（3）：52-54.

[10] 劉文東，楊寶國，帷幕灌漿方案在水庫壩基防滲工程中的應用[J].黑龍江水利科技，2010，38（4）：79-80.