孟底溝水電站拱壩基礎滲控設計研究

祝海霞，李瑞青

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

大壩地基需要具有可靠的防滲性、足夠的耐久性和一定程度的均質性，但一般天然地基很少具備這些條件，常會遇到軟弱、破碎、多裂隙、節理發育、滲透性大等地質條件較差的基巖。因此，需要進行處理以改善它的各項性能，使之適應筑壩工程需要。

孟底溝水電站是雅礱江中游七級開發方案中的第五個梯級，電站以發電為主，兼有防洪﹑攔沙等作用。壩型為混凝土雙曲拱壩，最大壩高198 m。水庫正常蓄水位2 254.00 m，正常蓄水位以下庫容8.535億m3，具有日調節性能。電站裝機240萬kW，安裝4臺混流式水輪發電機組，單機容量60萬kW。本工程為一等大(Ⅰ)型工程，擋水、泄洪、引水及發電等永久性主要建筑物為一級建筑物，永久性次要建筑物為三級建筑物，臨時性水工建筑物為四級建筑物。

本工程規模巨大，地處深山峽谷，壩址區地質條件較為復雜，處理技術難度大，質量要求高。大壩基礎發育多條軟弱結構面和蝕變巖帶，拱壩基礎滲控處理是本工程需要解決的重大技術問題之一。

1 工程及水文地質條件

孟底溝工程壩址區河谷呈基本對稱“V”型谷，兩岸谷坡陡峻，右岸山體雄厚，左岸稍差。壩區河床及兩岸基巖巖性為燕山早期中細粒花崗閃長巖(γδ52)、少量黑云母花崗巖。分布有后期熱氣液蝕變的花崗巖化和黏土巖化蝕變巖帶，規模較大的蝕變巖帶發育規律性較強，部分蝕變巖發育較為密集與壩區構造關系密切，同時發育較多不規則小蝕變巖帶，分布隨機。

壩區內斷層出露較多，規模較大、延伸較長的斷層，可見25條，即f1～f20及fm1～fm5等，其中F4、F5斷層規模較大，為Ⅱ級結構面。此外，還發育規模相對較大、延伸較短的斷層，右岸壩基發育5條，左岸壩基發育2條，廠房發育12條。斷層以陡傾為主，走向主要為NWW向和NEE向。優勢產狀主要為兩組：①N50°～90°W/NE∠60°～80°，②N60°～90°E/NW∠65°～75°，裂隙以陡傾角為主，少量中緩傾角斷層發育，左岸中傾角裂隙較發育，右岸緩傾角裂隙長大，一般延伸較短、分布、隨機。壩區主要斷層工程地質特征見表1。

表1 壩區主要斷層工程地質特征

壩區河谷深切，谷坡陡峻，兩岸巖體向河谷臨空方向卸荷較為強烈，總體以集中卸荷特征為主。左右岸低高程2 110 m卸荷水平深度25～40 m；中高程2 180 m卸荷水平深度60～80 m；壩肩高程卸荷水平深度80～110 m。

由于左岸被孟底溝深切割，與雅礱江之間形成三面臨空山脊，左岸地下水埋藏較深，地下水較貧乏。壩區右岸山體較雄厚，地下水較豐富，出露地層巖性除花崗閃長巖外，還出露三疊系砂板巖，受斷層F4、F5及蝕變巖切割及相互影響，水文地質條件較復雜。

壩廠區巖體滲透性與巖體風化卸荷、蝕變巖帶、部分蝕變花崗閃長巖帶以及斷層關系密切，巖體中結構面發育程度、張開性和透水率直接影響巖體滲透性，壩區可分為四個透水區。

(1)壩區強透水區：強卸荷帶巖體和右岸、河床F5斷層及影響帶巖體裂隙張開明顯，局部呈空縫，延伸長，貫通性強，地下水呈股狀流水。

(2)中等透水區：主要為弱卸荷巖體、蝕變巖帶及斷層、部分蝕變的花崗閃長巖帶，該區巖體張性裂隙發育明顯，可見空縫，延伸較長，貫通性較強，地下水呈線狀流水。

(3)弱透水區：主要為裂隙中等發育無卸荷微新巖體、張性裂隙發育帶、F4斷層影響帶及左岸F5斷層破碎帶及影響帶，該區巖體裂隙較為發育，裂隙張開不明顯，延伸3～5 m，具一定的貫通性，地下水主要為滲水～滴水；左右兩岸主要分布于弱卸荷帶下限至以里60～180 m不等和河床主要分布于弱卸荷帶下限至以下90～100 m，少部分呈透鏡狀分布于微透水區。

(4)微透水區：主要裂隙輕度發育無卸荷微新巖體及F4斷層破碎帶，該區巖體裂隙不發育-輕度發育，緊密閉合，延伸短，貫通性差，少量滲水，F4斷層破碎帶擠壓緊密，沿斷面連續分布2～10 mm泥狀碎粉巖；左右兩岸主要分布于弱卸荷帶下限以里(180～300 m以里)，河床主要分布于弱卸荷帶下限以下(90～100 m以下)。

2 拱壩基礎防滲排水設計

高壩滲流控制是壩基處理的重要內容，實踐表明，大壩的失事多數都是由于滲流控制不當造成的。如法國的Malpasset拱壩，由于壩肩滲透壓力增大導致失事；美國高97 m的Teton土壩也是由于基巖滲流沖蝕心墻而失事。因此，壩基滲流控制事關大壩的安全與經濟效益，對拱壩來說尤其重要。帷幕灌漿，可以充填封堵大的裂隙通道，大大降低產生沖刷破壞作用的滲透流速和流量，同時壓入水泥漿液使一些斷層等軟弱巖帶松軟充填物受到擠壓和水泥充填，更加密實，從而使其抗沖刷破壞的能力大大提高。

孟底溝工程為有效降低拱壩兩岸及壩基的滲透壓力，改善壩體和壩肩抗力體穩定條件，在大壩和二道壩各設置一道防滲帷幕，且大壩基礎帷幕與廠房帷幕連成整體，以防止庫水滲入。同時，在大壩防滲帷幕的下游平行帷幕軸線設置排水幕，大壩和二道壩之間抗力體設置多排排水幕，形成空間多道縱橫向立體排水系統。防滲排水設計原則為“前堵后排、防排并舉”。

2.1 防滲標準

根據《混凝土拱壩設計規范》(DL/T 5346-2006)，結合工程實踐經驗，拱壩壩基帷幕總體防滲設計標準為：高程2 193.00 m以下q≤1 Lu，高程2 193.00 m以上q≤3 Lu。壩基排水設計控制標準為主排水幕處揚壓力折減系數α2≤0.2。

2.2 防滲帷幕布置

孟底溝拱壩壩基防滲帷幕系統由拱壩壩基帷幕、左岸主廠房帷幕、二道壩帷幕共三部分組成。

平面上，壩基防滲帷幕布置近似平行拱壩軸線，壩基帷幕均位于靠上游側壓應力區域內，在左岸壩頭范圍帷幕線盡可能包住左岸拱端及抗力體內巖體滲透系數超出防滲標準的區域，并與左岸廠房帷幕有機聯接，形成封閉的防滲整體。在右岸帷幕線盡可能與Ⅱ級結構面F4、F5斷層大角度相交，因為F4斷層距壩基較近，F5斷層相對滲透性較強(10～100 Lu)，遇水易軟化泥化，且斷層上下盤伴生蝕變巖ACZ03，性狀較差，抗滲能力較差，因此防滲帷幕范圍延伸穿過F5斷層及伴生的蝕變巖集中帶ACZ03，以確保防滲效果。

立面上，防滲帷幕設計在2 259 m、2 193 m、2 131 m、2 073 m高程左右岸分別設置4層帷幕灌漿平洞，各層平洞高差分別為58 m、62 m、66 m。由于左岸廠房位置部分處于左岸拱推力傳力范圍內，綜合考慮巖體滲透系數和廠房防滲要求，左岸壩基各層帷幕洞與廠房帷幕洞連接，形成左岸封閉的防滲整體。右岸各層帷幕洞延伸穿過F5斷層及伴生蝕變巖ACZ03。考慮F4、F5斷層在右岸下部高程2 030 m附近相交，交叉范圍巖體性狀差，且該范圍承受水頭高，在長期高壓水滲透作用下斷層及蝕變巖性狀有可能進一步弱化，力學參數進一步降低，帶來防滲隱患，因此防滲帷幕范圍包住右岸下部2 030～1 952 m高程之間斷層交叉范圍，以封閉右岸防滲薄弱部位。

同時，拱壩壩基帷幕在立面上各層帷幕平洞之間進行搭接封閉，上層平洞深孔帷幕與本層平洞上游側壁帷幕淺孔在一定范圍內進行搭接，形成立面封閉帷幕，從而確保拱壩壩基防滲帷幕連續、封閉。防滲排水布置平面示意見圖1，防滲帷幕布置剖面示意見圖2。

圖1 防滲排水布置平面示意

圖2 防滲帷幕布置剖面示意

2.3 防滲帷幕灌漿孔布置

2.3.1 帷幕排數

灌漿帷幕排數應根據帷幕線上不同的地質條件和水工要求而定。綜合考慮本工程水文地質條件、不同高程防滲帷幕的設計標準及承受的水頭差異，大壩帷幕在2 193 m高程以上采用一排帷幕，2 193 m高程帷幕洞以下采用兩排帷幕。考慮本基礎軟弱巖帶部位滲透薄弱部位的巖體性狀，在帷幕穿左岸小斷層較集中區域，以及帷幕穿右岸F4、F5斷層及蝕變巖ACZ03～ ACZ07等局部部位在原排數的基礎上增加一排帷幕。

2.3.2 帷幕孔深

根據滲流理論和拱壩規范，壩基帷幕深度深入基巖的相對不透水巖層，基本上全部截斷滲流。本工程拱壩壩基帷幕最大深度位于河床部位，帷幕底部伸入相對不透水巖層5.0 m，最大孔深約為109 m，孔底高程為1 964 m。右岸下部帷幕包住F4斷層、蝕變巖ACZ03與F5斷層交叉部位，帷幕低邊界為1 952 m高程。

2.3.3 孔排距

兩排帷幕灌漿孔的排距為1.5 m，且交錯布置，每排內帷幕灌漿孔孔距為2.0 m，在帷幕穿斷層、蝕變巖等局部部位孔距可適當加密為1.0 m。

2.4 灌漿參數

2.4.1 灌漿壓力

帷幕灌漿采取由疏到密逐漸加密的方式，分三序孔施工，帷幕灌漿采用孔口封閉灌漿法。第一序孔間距8 m，第二序孔間距4 m，第三序孔終孔距2 m。對F4、F5斷層及蝕變巖等滲透薄弱部位灌漿孔距加密為1 m。

各孔段灌漿壓力應盡快達到設計值，接觸段和注入率大的孔段分級升壓。為防止巖石面或混凝土面抬動，帷幕灌漿原則上一泵灌一孔。帷幕灌漿最大灌漿壓力為5.0 MPa，深孔帷幕灌漿壓力設計參考值詳見表2。淺孔搭接帷幕灌漿壓力0.5～3.0 MPa。

表2 深孔帷幕灌漿壓力設計參考值

2.4.2 灌漿材料及水灰比

帷幕灌漿采用P.O 42.5級的普通硅酸鹽水泥。采用2:1、1:1、0.7:1、0.5:1四級水灰比。根據帷幕灌漿生產性試驗分析成果，在不同地質條件采用合理的開灌比，調整灌漿水灰比參數，以達到最佳的帷幕灌漿效果。灌漿漿液應由稀到濃逐級變換。

2.5 拱壩基礎排水設計

拱壩基礎排水是基礎處理中一項極為重要的措施，通過排除壩基地下滲水，降低帷幕后基礎的滲浮力，增加兩岸壩肩巖體的穩定性，防止軟弱壩基或含泥物質不連續面的承載能力的降低，增加混凝土大壩的穩定性。

孟底溝拱壩排水系統由大壩基礎排水系統、壩肩抗力體和水墊塘基礎排水系統兩部分組成。兩部分排水系統各自形成獨立的封閉式抽排系統。

2.5.1 大壩基礎排水系統布置

大壩基礎排水系統由左右岸2 072 m、2 131 m、2 193 m高程壩基排水幕組成。低高程2 072 m平洞及壩體中的滲水匯集到壩體集水井內，由深井泵抽排至下游水墊塘，其余高程排水平洞滲水由抗力體縱橫向排水平洞引至2 117 m高程水墊塘邊墻頂平臺排水溝，排至二道壩下游。壩基排水孔孔深度約為2/3倍主帷幕深度，最大深度76 m，壩基排水布置1排孔，一般為鉛直仰孔，孔距3 m。

排水孔仰孔孔徑Φ110 mm，俯孔孔徑Φ130 mm。斷層或者軟弱巖帶部位的鉆孔采用花管，其鉆孔孔徑不小于150 mm。

2.5.2 壩肩抗力體排水系統布置

壩肩抗力體和水墊塘排水系統由左右岸抗力體內的2 072 m、2 131 m、2 193 m高程的多道縱橫排水幕、二道壩基礎廊道排水幕、水墊塘縱橫排水廊道、集水井以及水墊塘深井泵房組成。左右岸共3層排水洞洞室群，每層各布置3條橫河向排水洞、1條縱向排水洞，各排間距約為50 m。

排水孔在排水平洞內通常鉛直向上、沿洞頂呈輻射狀布置，洞頂每排設3個或2個排水孔，相鄰孔的夾角為30°，孔深一般36～70 m，考慮左岸地質條件較右岸好，左岸排水孔排距為6 m，右岸排水孔排距一般為4 m，交錯布置。

排水孔孔徑，仰孔均采用Φ110 mm，俯孔孔徑均采用Φ130 mm。左右岸抗力體2 069 m高程排水平洞內，排水孔除了鉛直向上的仰孔外，底板還設有鉛直向下鉆設的俯孔。跨軟弱巖帶有坍塌和堵塞可能的排水鉆孔，孔內需采取保護措施，設置排水盲管。

3 三維滲流分析

3.1 計算模型

考慮孟底溝壩區水文地質條件比較復雜，兩岸壩肩斷層及蝕變帶較發育，滲漏及滲透穩定問題較為突出，因此對拱壩壩基、兩岸抗力體及廠區開展了三維有限元滲流分析計算，以評價廠壩區防滲排水系統設計的滲流控制效果，分析防滲排水設計方案可能存在的薄弱環節，確保混凝土拱壩和地下廠房運行穩定與安全。

模型概化模擬了壩址區地形地貌、主要地質構造，包括右岸F4、F5斷層破碎帶及影響帶，部分蝕變花崗閃長巖ACZ01、ACZ02、ACZ03，左岸fm5(AZm03)、f1(AZ01)、f2(AZ02)、f3(AZ03)、f6(AZ06)、f7(AZ07)、f8、f9(AZ08) 斷層及相應沿斷層發育的蝕變巖帶。模擬了拱壩、水墊塘、二道壩及引水發電系統及防滲帷幕排水系統。廠壩區整體三維有限元模型見圖3，廠壩區主要斷層及蝕變巖帶見圖4。

圖3 廠壩區整體三維有限元模型

圖4 廠壩區主要斷層及蝕變巖帶

3.2 邊界條件及滲透介質參數

3.2.1 邊界條件

本次滲流控制計算分析邊界條件主要有以下幾種：水頭邊界、流量邊界、浸潤面邊界、出滲邊界。

3.2.2 滲透介質參數

本工程壩基巖體滲透性分區劃分如下：強卸荷帶巖體為強透水區，q≥100 Lu，滲透系數一般為K>10-2cm/s；弱卸荷帶巖體為中等透水區，10 Lu

各巖體分區的滲透系數取值，如表3所示。

表3 滲流計算參數取值

3.2.3 計算工況

水庫正常運行工況，上游取正常蓄水位2 254 m，下游水位取2 110 m。

3.3 滲流分析主要結論

分析成果表明，防滲排水系統在正常運行工況下，左右岸邊坡、壩基及抗力體及左岸地下廠房中的滲流場得到了有效控制，山體來水滲過帷幕后發生陡降，排水孔幕下游側及兩岸抗力體內部的自由面相對較低，排水孔幕發揮了較好的排水降壓作用，防滲帷幕及排水孔幕的設計方案合理，防滲排水效果顯著。

廠壩區各斷層及蝕變巖帶整體滲透坡降較小，滿足滲透穩定性要求，局部斷層(蝕變巖帶或蝕變密集帶)與排水孔幕相交處，滲透坡降較大，最大值為10～18。對F5斷層(右岸)和部分蝕變花崗閃長巖ACZ03滲透系數敏感性分析得到，F5斷層(右岸)及ACZ03滲透系數增大后，斷層及ACZ03通過區域自由面均有所抬升，說明斷層及部分蝕變花崗閃長巖滲透性的惡化(或發生滲透破壞)，將直接導致排水廊道的涌水量劇增，同時引起帷幕附近的滲透坡降增大，是滲透薄弱部位。

總體而言，在防滲帷幕排水體系作用下，壩區流入各層壩基及抗力體排水廊道的流量為75.33 L/s，壩址區兩岸的滲流量得到了有效控制。

4 滲透薄弱部位處理措施

孟底溝拱壩壩基存在多條斷層和蝕變巖等軟弱層帶，如F4、F5斷層、蝕變巖AZR03、AZR07等，上述軟弱巖帶除F5斷層外均與上游庫水相連，且巖體破碎、組成物質性狀差、遇水易軟化泥化，其巖體抗變形和抗滲能力差。考慮后期運行期間，在長期較高拱推力和基礎高水頭滲透壓力作用下，存在發生滲透破壞成為滲漏通道的可能；組成物質遇水軟化、泥化后可能隨時間推移，其結構面的力學參數進一步降低，使得壩體應力惡化、壩肩抗力體發生變形和滑動，最終導致壩體開裂。三維滲流分析和工程經驗也表明，壩基軟弱巖體這些缺點會降低帷幕的耐久性，形成壩基滲透薄弱部位，影響工程安全。因此對帷幕穿斷層和蝕變巖等部位，需要進一步采取特殊防滲處理措施，以提高帷幕的抗滲性能和耐久性能，最終達到工程安全可靠運行的目的。

4.1 F4斷層及蝕變巖帶防滲帷幕部位的置換處理

壩基F4斷層主要由碎粉碎粒巖、碎斑巖組成，巖體破碎、性狀差，遇水易軟化；蝕變巖AZR03、AZR07等基本為黏土化蝕變，易軟化，工程性質類型為S4。這些軟弱巖帶與上游庫水相連，且位于拱壩中下部高程建基面，屬于拱壩主要持力區，是壩基滲透薄弱部位，對拱壩變形穩定和滲透穩定影響較大。因此對帷幕穿F4斷層和AZR03、AZR07蝕變巖部位，結合軟弱巖帶置深部換網格處理措施，在防滲帷幕與軟弱巖帶相交部位設置混凝土防滲斜井，從而確保壩基滲透薄弱部位的防滲效果。

4.2 F5斷層及伴生蝕變巖ACZ03的加密灌漿處理

壩基F5斷層及伴生蝕變巖ACZ03，雖不與上游庫水相連，但F5斷層巖體破碎、組成物質性狀差、遇水易軟化泥化，滲透性強。部分蝕變的花崗閃長巖ACZ03，伴生在F5斷層兩側，為多條蝕變巖帶較為密集發育，帶寬較大，單條間距0.5～2 m，多較破碎，屬中等透水。上述軟弱巖帶其巖體抗變形和抗滲能力差，運行期間，在長期較高拱推力和基礎高水頭滲透壓力作用下，存在發生滲透破壞成為滲漏通道的可能。因此，右岸防滲帷幕延伸穿過F5斷層及伴生蝕變巖ACZ03，綜合考慮其滲透性較強的地質特性及距壩基相對較遠的情況，對該范圍在原帷幕排數基礎上增加一排常規水泥帷幕灌漿孔，以加強防滲效果。孔深、孔距同原帷幕灌漿孔布置。

4.3 水泥-化學復合灌漿防滲處理

本工程壩基右岸發育F4斷層、F5斷層、蝕變巖AZR03～AZR07；左岸發育f1斷層、f2斷層、f3斷層等及附近黏土化蝕變等，考慮上述軟弱巖帶部位經過普通水泥灌漿灌后效果難以滿足設計防滲要求。水庫蓄水后，帷幕穿斷層及蝕變巖部位在高水頭長期作用下可能會產生滲透破壞；另外在高滲壓作用下，軟弱層帶會產生“軟化效應”，進一步降低巖體的抗變形能力。因此對上述壩基帷幕穿斷層和蝕變巖等部位，在常規水泥灌漿完成后考慮進一步采用水泥-化學復合灌漿處理，以保證工程安全順利施工和長久有效運行。

(1)復合灌漿孔布置。水泥-化學復合灌漿應在帷幕水泥灌漿施工完成并取得了相應檢測成果后，結合檢測成果，在已施工完的水泥帷幕灌漿孔中間布置化學灌漿孔，布孔范圍以超過斷層或蝕變巖破碎帶兩側各1 m為原則。

(2)孔向和孔深。在帷幕平洞內，化學灌漿孔與水泥灌漿孔交錯布置，孔向盡量順斷層或蝕變巖傾向布置，化學灌漿鉆孔孔向同該部位水泥灌漿孔。

(3)化學灌漿灌漿壓力為0.8～3.5 MPa。

5 高壩防滲帷幕設計探討

(1)為了保證帷幕設計和施工的正確性，一般要求地質工作不僅應查明影響大壩滲透穩定的主要地質缺陷和水文地質條件，還應進一步闡明其特性，特別是對于溶洞、裂隙、斷層、破碎帶等更應詳細闡述。由于一般各工程地質條件千差萬別，即便同一個工程壩基不同部位巖體也不盡相同，甚至相差較大，因此帷幕灌漿實施過程中，應根據開挖揭示的地質條件，動態調整灌漿孔的排數、孔距、孔深和范圍、壓力、漿材等參數。采取一個安全、經濟的防滲帷幕措施，確保工程施工、運行安全可靠。

(2)關于灌漿壓力，過去使用的灌漿壓力較小，近些年我國拱壩帷幕最大灌漿壓力已經提高到6 MPa，某些情況下更高，目前規范[3]中規定“帷幕灌漿頂段的灌漿壓力不宜小于1.5倍的壩前靜水頭；孔底段不應小于2倍壩前靜水頭，但不宜大于6.0 MPa，且不得抬動巖體。”這種把灌漿壓力與壩高聯系起來的考慮值得注意和研究。

灌漿壓力的使用與壩基地質條件、埋藏深度、灌漿設備和方法等因素有關，原則上需通過灌漿試驗確定，以及在不影響上部壩體的條件下，盡量取用較大值，但也不是越大越好，過大的壓力可能會劈裂巖體，產生新的裂隙。

(3)考慮備留日后帷幕補修、補強灌漿的施工條件。由于大壩基巖地質條件多變和灌漿技術的局限性、復雜性，帷幕灌漿施工、材料耐久性比較難于做到盡善盡美。即使灌漿帷幕質量很好，經過若干年運行后，也有可能出現一些問題。為此，在進行帷幕設計時，應考慮為日后補灌工作創造有利的施工條件，如：設置足夠尺寸的廊道、預留補充灌漿的施工部位、必要時可以降低庫水位的措施等，使后續工作不致被動。

6 結 論

孟底溝拱壩壩基地質條件較為復雜，主要發育F4、F5斷層及AZR蝕變巖帶、ACZ蝕變巖等，斷層兩側多伴生蝕變巖，這些地質缺陷對拱壩變形穩定、滲透穩定影響較大，壩基防滲排水設計是拱壩設計和建設的關鍵技術問題之一。設計提出的壩基防滲帷幕和排水處理措施，經過三維滲流分析論證表明，孟底溝拱壩壩基防滲帷幕和排水孔幕設計方案滿足防滲要求，能夠確保工程的長期安全穩定運行。這套壩基防滲排水設計方法和處理思路，對類似大壩工程復雜地基防滲處理具有借鑒意義。

孟底溝拱壩后續實施過程中，結合開挖揭示的地質條件，實時分析、動態設計，基礎防滲排水處理效果良好，大壩安全。