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        蘇布雷水電站壩基滲漏及滲透變形穩(wěn)定研究與處理

        2021-01-13 06:01:18星,
        四川水力發(fā)電 2020年6期
        關(guān)鍵詞:殘積土風(fēng)化層透水性

        蘇 星, 李 忠 爽

        (中國電建集團成都勘測設(shè)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(fā),主要水工建筑物包括大壩和引水發(fā)電系統(tǒng),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(jié)構(gòu)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(qū),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(fēng)化層;混凝土結(jié)構(gòu)段的壩基為弱風(fēng)化-微新巖體,巖體較完整、緩傾角結(jié)構(gòu)面不發(fā)育,抗滑穩(wěn)定問題不突出。大壩工程的主要地質(zhì)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(wěn)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(guān)鍵技術(shù)問題。如果對壩基全面進行系統(tǒng)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(chǎn)生滲漏及滲透變形,嚴重者則可能導(dǎo)致大壩失穩(wěn)。本文對壩基巖土體物理力學(xué)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(shù)的殘積土層作天然鋪蓋,僅對占壩基中較少部分的全強風(fēng)化層及弱風(fēng)化巖體進行防滲處理,大大節(jié)約了防滲處理的工程量,大幅節(jié)約工期及電站造價。

        2 單一地層的滲透及抗?jié)B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(jù)巖體的風(fēng)化程度可分為全-強風(fēng)化層、弱風(fēng)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(qū)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?;鶐r裂隙水主要受巖體節(jié)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(xiàn)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(qū)兩岸的殘積土層、沖積層及全強風(fēng)化層內(nèi)。根據(jù)各層的成因、風(fēng)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(shù)

        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(jié)構(gòu)松散,透水性較強,根據(jù)各階段試驗成果,其滲透系數(shù)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(zhì)砂質(zhì)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(jié)構(gòu)中密~密實,透水性相對較弱,滲透系數(shù)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(fēng)化層主要由中粗砂、風(fēng)化團塊及破碎巖塊組成,殘留了部分原巖的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)密實,但由于分化不均透水性較強,滲透系數(shù)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(fēng)化巖體厚度一般小于8 m,次塊狀~鑲嵌結(jié)構(gòu),以各階段壓水試驗的成果為基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(wěn)定問題

        蘇布雷水電站兩岸的土石壩(土石混合壩、均質(zhì)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(fēng)化層。土石壩壩基的滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題涉及到多套滲透性不同的地層,條件較復(fù)雜。

        3.1 殘積土層壩基的滲漏及滲透變形穩(wěn)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(nèi)的沖積砂層不滿足大壩建基要求,工程建設(shè)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(fēng)化層為中等透水、弱風(fēng)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(zhì)透水性結(jié)構(gòu)。

        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(xù)分布于兩岸且具有一定的厚度,相當(dāng)于在整個壩址兩岸的上下游及庫區(qū)兩岸設(shè)置了一道天然的防滲鋪蓋,有效地減少了庫區(qū)水源對壩基的滲漏量,有利于壩基防滲。施工圖設(shè)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(nèi)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(xué)計算,壩基 “隔-透-隔”式的非均質(zhì)透水性結(jié)構(gòu)(見圖2),其綜合滲透系數(shù)呈弱偏中等透水,滿足壩基滲漏要求。

        圖2 “隔-透-隔”式透水結(jié)構(gòu)

        殘積土層的允許坡降為0.35~0.55,全強風(fēng)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(wěn)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(wěn)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(jīng)濟效益。蘇布雷電站自蓄水發(fā)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(shè)計要求,運行正常。

        3.2 全強風(fēng)化層壩基的滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題

        蘇布雷右岸土石壩3+900 m段壩基為全強風(fēng)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(fēng)化層和下伏的弱風(fēng)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(fēng)化層壩基巖土體表現(xiàn)為“透-隔”式的非均質(zhì)透水性結(jié)構(gòu)(見圖3),由于全強風(fēng)化層、弱風(fēng)化巖體的透水性不能滿足大壩防滲抗?jié)B要求,且全強風(fēng)化層由于允許坡降較低為0.10~0.18,滲透變形穩(wěn)定問題較突出,需采取工程處理措施。

        圖3 “透-隔”式透水結(jié)構(gòu)

        針對該壩段的壩基滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題,為保證工程質(zhì)量安全,技施階段經(jīng)分析研究制定了相應(yīng)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(shè)計坡比開挖防滲齒槽,挖除全強風(fēng)化層,齒槽底板開挖至弱風(fēng)化巖體,底寬2 m、最大開挖深度15 m;

        (2)對齒槽底板的弱風(fēng)化巖體及兩側(cè)的覆蓋層進行帷幕灌漿;

        (3)開挖部位進行黏土回填、碾壓,設(shè)置黏土防滲心墻,心墻與大壩防滲體銜接、并與沖溝兩側(cè)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(shè)計要求,蓄水發(fā)電以來該部位運行正常。

        圖4 全強風(fēng)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(jié)構(gòu)段(溢洪道、進水口)及兩側(cè)心墻壩的建基面為弱風(fēng)化-微新巖體。壩基淺表層的弱風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙較發(fā)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(jié)構(gòu)段及兩側(cè)心墻壩的壩基滲漏問題涉及到弱風(fēng)化、微新兩個滲透性有差異的巖層,弱風(fēng)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(fēng)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(fā)電以來該部位運行正常。

        4 結(jié) 語

        蘇布雷電站壩線超長,土石壩壩基充分利用了表面連續(xù)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(zhì)透水性結(jié)構(gòu),大大節(jié)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(fēng)化層壩基,通過封閉的黏土防滲心墻來進行抗?jié)B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(jié)構(gòu)段及兩側(cè)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(jīng)驗值得非洲同類工程借鑒。

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