蘇布雷水電站壩基滲漏及滲透變形穩定研究與處理

蘇 星， 李 忠 爽

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

蘇布雷水電站裝機容量為27萬kW，采用混合式開發，主要水工建筑物包括大壩和引水發電系統，有“科特迪瓦三峽”之稱。其中大壩由土石壩與進水口和溢洪道的混凝土結構段組成，壩線長達4.5 km，最大壩高20.5 m。由于工程位于平原地區，因而大壩具有壩線超長、壩高不高的特征。土石壩壩基主要為殘積土層，部分段為全強風化層；混凝土結構段的壩基為弱風化-微新巖體，巖體較完整、緩傾角結構面不發育，抗滑穩定問題不突出。大壩工程的主要地質問題為巖體壩基和覆蓋層壩基滲漏、覆蓋層壩基滲漏及滲透變形穩定等。由于大壩超長，且大部分壩基為覆蓋層，如何對壩基進行防滲處理，成為工程關鍵技術問題。如果對壩基全面進行系統防滲處理，則處理工程量巨大，也增加電站資金投入；如不進行處理則可能產生滲漏及滲透變形，嚴重者則可能導致大壩失穩。本文對壩基巖土體物理力學特性特別是巖土體滲透特性進行了充分研究，查明了壩基巖土體的滲透特性，針對不同巖土體采取不同的防滲處理措施，充分利用占壩基絕大多數的殘積土層作天然鋪蓋，僅對占壩基中較少部分的全強風化層及弱風化巖體進行防滲處理，大大節約了防滲處理的工程量，大幅節約工期及電站造價。

2 單一地層的滲透及抗滲性

壩址基巖為前寒武系的花崗巖、花崗片麻巖，屬堅硬巖類。根據巖體的風化程度可分為全-強風化層、弱風化及微新層。壩址覆蓋層廣泛分布，可分為兩層(即上部的沖積砂層和下部的殘積土層)。

壩址區的地下水按賦存條件可分為基巖裂隙水和第四系孔隙潛水兩種類型。基巖裂隙水主要受巖體節理裂隙控制，張性裂隙水，局部可見裂隙具地下水潛蝕形成的張開現象。此外，巖體淺表層的緩傾角卸荷裂隙也有利于地下水的活動。第四系孔隙潛水，主要賦存于壩區兩岸的殘積土層、沖積層及全強風化層內。根據各層的成因、風化程度及透水性等特征的不同，壩基巖土體可分為5個層，各單一地層的透水性見表1。

表1 壩基各層巖土體透水性及允許坡降建議參數

沖積層以中細砂、粉土為主，厚度多小于3 m，多分布于兩岸岸坡及河心島。該層土體結構松散，透水性較強，根據各階段試驗成果，其滲透系數建議值取為1×10-4cm/s～1×10-5cm/s，呈弱透水層，允許坡降為0.22～0.25。

殘積土層以褐色、紅褐色的黏土、粉質砂質黏土為主，層厚度一般2～5m，廣泛分布于兩岸岸坡。該層土體結構中密～密實，透水性相對較弱，滲透系數建議值為1×10-5cm/s～1×10-6cm/s，呈微透水，允許坡降為0.35～0.55。

全強風化層主要由中粗砂、風化團塊及破碎巖塊組成，殘留了部分原巖的結構痕跡，除石英外大部分礦物已蝕變，總體已崩解為砂土狀，具土層的工程性狀。該層結構密實，但由于分化不均透水性較強，滲透系數建議值為1×10-2cm/s～1×10-4cm/s，呈中等透水，允許坡降為0.10～0.18。

弱風化巖體厚度一般小于8 m，次塊狀～鑲嵌結構，以各階段壓水試驗的成果為基礎提出該層巖體的透水率建議值為3～20 Lu，呈弱偏中等透水。

微新巖體完整新鮮，塊狀結構為主，壓水試驗成果主要集中在0.5～0.01 Lu之間，透水率建議值小于1 Lu，呈微～極微透水。

3 土石壩的壩基滲漏及滲透變形穩定問題

蘇布雷水電站兩岸的土石壩(土石混合壩、均質土壩)的建基面大部分為殘積土層，部分段如3+900 m段建基面為全強風化層。土石壩壩基的滲漏及滲透變形穩定問題涉及到多套滲透性不同的地層，條件較復雜。

3.1 殘積土層壩基的滲漏及滲透變形穩定問題

圖1為蘇布雷水電站土石壩殘積土層壩基的典型斷面圖。壩基范圍內的沖積砂層不滿足大壩建基要求，工程建設過程中采取挖除處理。殘積土層為微透水，可視為相對隔水層；全強風化層為中等透水、弱風化巖體為弱偏中等透水，兩層巖土體可視為透水層。微新巖體為微～極微透，可視為相對隔水層。綜合以上分析可知蘇布雷土石壩殘積土層壩基存在兩個相對隔水層，壩基巖土體為“隔-透-隔”式的非均質透水性結構。

圖1 土石壩殘積土層壩基典型斷面圖

庫水為壩基滲漏的主要補給水源，土石壩上下游分布的殘積土層為相對隔水層，由于其廣泛、連續分布于兩岸且具有一定的厚度，相當于在整個壩址兩岸的上下游及庫區兩岸設置了一道天然的防滲鋪蓋，有效地減少了庫區水源對壩基的滲漏量，有利于壩基防滲。施工圖設計階段采取嚴格管理措施，禁止對兩岸土石壩上下游500 m范圍內的殘積土層進行開挖，防止天然防滲鋪蓋被破壞。通過水力學計算，壩基 “隔-透-隔”式的非均質透水性結構(見圖2)，其綜合滲透系數呈弱偏中等透水，滿足壩基滲漏要求。

圖2 “隔-透-隔”式透水結構

殘積土層的允許坡降為0.35～0.55，全強風化層允許坡降為0.10～0.18，殘積土層的相對隔水性提高了壩基的有效允許坡降。由于壩前雍水高度較小、壩基寬度較大，因此，殘積土層土石壩壩基的滲透變形穩定問題不突出。

綜合以上分析，殘積土層土石壩壩基可滿足滲漏及滲透變形穩定的要求，施工過程中未采取特殊的滲控處理措施，加快了工程進度、減少了工程造價，提高了經濟效益。蘇布雷電站自蓄水發電以來，土石壩殘積土層壩基在滲漏量及滲透變形方面均達到設計要求，運行正常。

3.2 全強風化層壩基的滲漏及滲透變形穩定問題

蘇布雷右岸土石壩3+900 m段壩基為全強風化層，主要原因為壩段橫跨沖溝，殘積土層多被降雨或洪水沖走。全強風化層和下伏的弱風化巖體總體呈中等偏弱透水，可視為透水層；微新巖體呈微-極微透水，可視為相對隔水層。土石壩全強風化層壩基巖土體表現為“透-隔”式的非均質透水性結構(見圖3)，由于全強風化層、弱風化巖體的透水性不能滿足大壩防滲抗滲要求，且全強風化層由于允許坡降較低為0.10～0.18，滲透變形穩定問題較突出，需采取工程處理措施。

圖3 “透-隔”式透水結構

針對該壩段的壩基滲漏及滲透變形穩定問題，為保證工程質量安全，技施階段經分析研究制定了相應的工程處理方案，主要措施如下：

(1)在該壩段上游壩踵附近按設計坡比開挖防滲齒槽，挖除全強風化層，齒槽底板開挖至弱風化巖體，底寬2 m、最大開挖深度15 m；

(2)對齒槽底板的弱風化巖體及兩側的覆蓋層進行帷幕灌漿；

(3)開挖部位進行黏土回填、碾壓，設置黏土防滲心墻，心墻與大壩防滲體銜接、并與沖溝兩側的殘積土層連接，保證防滲心墻的封閉性(見圖4～7)。通過以上處理措施，有效地減少了壩基滲漏量、降低了壩基滲透變形破壞的可能，達到了設計要求，蓄水發電以來該部位運行正常。

圖4 全強風化層壩基處理范圍平面圖

3.3 混凝土壩段的壩基滲漏問題

蘇布雷水電站混凝土結構段(溢洪道、進水口)及兩側心墻壩的建基面為弱風化-微新巖體。壩基淺表層的弱風化巖體節理裂隙較發育、貫通性較好，加之爆破松弛的影響，透水率建議值為3～20 Lu，呈弱偏中等透水，不滿足大壩防滲要求(5 Lu)；微新巖體透水率建議值小于1 Lu，呈微～極微透水。

圖5 壩基防滲處理典型剖面圖

圖6 防滲齒槽開挖照片

圖7 防滲齒槽完工后照片

混凝土結構段及兩側心墻壩的壩基滲漏問題涉及到弱風化、微新兩個滲透性有差異的巖層，弱風化巖體透水率偏大，微新巖體可視為相對隔水層，壩基滲漏條件相對簡單。由于弱風化巖體厚度較小，蘇布雷工程采用了壩基封閉式帷幕灌漿的處理方案，灌漿孔深入相對微新巖體2 m。通過帷幕灌漿處理，壩基滲漏問題得到有效控制，蓄水發電以來該部位運行正常。

4 結 語

蘇布雷電站壩線超長，土石壩壩基充分利用了表面連續分布的殘積土層作天然防滲鋪蓋，充分利用了壩基天然土體的“隔-透-隔”式非均質透水性結構，大大節省了壩基防滲處理工程量，提高了工程施工進度并有效的降低了大壩工程的防滲處理成本。大壩局部段的全強風化層壩基，通過封閉的黏土防滲心墻來進行抗滲處理，施工便利、工程效果良好，滲漏量及滲透變形得到有效控制?；炷两Y構段及兩側心墻段的巖體壩基滲漏條件相對簡單，采用封閉式防滲帷幕的措施進行處理。蘇布雷電站大壩充分利用了天然地基，工程蓄水以來滲控效果較好，工程運行正常，其經驗值得非洲同類工程借鑒。