劉興華,白朝偉,喬 白
(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065)
丹江是漢江的一級(jí)支流,蓮花臺(tái)水電站為丹江干流在陜西省商南縣境內(nèi)的第二個(gè)梯級(jí)水電站。工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。水庫(kù)總庫(kù)容為9 985萬(wàn) m3,電站裝機(jī)容量40 MW。本工程等別為中型Ⅲ等工程。樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、泄洪壩段、泄洪排沙孔、右岸壩后廠房組成。壩頂高程297.20 m,最大壩高70.20 m。
壩體上游側(cè)設(shè)置234 m、262 m、297.2 m高程三層帷幕灌漿廊道(兼交通排水廊道)。灌漿平洞為城門型斷面,廊道斷面為3.0 m×3.5 m;262.00 m高程廊道左端灌漿平洞長(zhǎng)17.3 m,右端灌漿平洞長(zhǎng)63.5 m;297.20 m高程廊道左壩肩灌漿平洞長(zhǎng)為35 m,右壩頂灌漿平洞長(zhǎng)為80 m。
工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造單元屬華北準(zhǔn)地臺(tái)秦嶺元臺(tái)隆褶帶南側(cè)元古拱褶束,庫(kù)區(qū)屬禮縣—柞水華里西褶皺帶,壩址區(qū)屬白水江—白河褶皺帶。庫(kù)區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列走向NWW—EW向的區(qū)域性斷裂。壩址河床中部發(fā)育次級(jí)區(qū)域斷裂F31,破碎帶寬5~6 m,破碎帶由灰黑色糜棱巖、碎裂巖組成,帶內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化,中等透水性,透水率q=30~70 Lu。上盤影響帶寬10~15 m,下盤6~8 m,受斷裂影響,兩側(cè)巖體完整性差或較差。河床基巖透水性差異較大:強(qiáng)風(fēng)化、卸荷帶、斷層破碎帶及影響帶以中等透水為主(q=10~100 Lu),微風(fēng)化片巖和弱~微風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r以弱透水為主(溶洞除外)。透水率q<3 Lu的巖體頂板一般埋深60~70 m,但斷層F31破碎帶及影響帶q<3 Lu的巖體頂板埋深大于100 m。斷層F31兩側(cè)及右半部巖溶較發(fā)育,以溶隙、溶孔和少量溶洞為主,在高程189~221 m間,巖溶較發(fā)育,洞高1.7~7.8 m,最大10.6 m,多數(shù)充填褐紅色粘土夾碎石,較密實(shí),透水率10.2~61.5 Lu,為中等透水性。
左岸及F31斷層上盤巖性(Zayl-Is)為鈉長(zhǎng)石綠泥石正片巖,片巖巖層走向?yàn)镹E15°~30°,傾向SE(傾向左岸偏下游),傾角35°~70°,表層傾角較緩。左岸發(fā)育三條層間斷層F1~F3,其中F1、F3寬10~40 cm,F(xiàn)2寬2~3 cm,破碎帶以碎裂巖為主,上下盤面連續(xù)分布2~3 mm厚的灰黑色斷層泥,斷層附近層面及裂隙面普遍滲水,且夾泥膜。左岸壩基以鈉長(zhǎng)石綠泥石正片巖為主,巖體強(qiáng)~弱風(fēng)化,層間斷層較發(fā)育。左岸壩肩巖體以弱透水(q=1~10 Lu)為主,透水率q<3 Lu的巖體頂板埋深為55~60 m。由于層間斷層較發(fā)育,巖體較破碎,透水性中等(q=10~100 Lu)。
右岸及F31斷層下盤巖性(Zbdn)為白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r,白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r走向NW345°~NE10°,傾向NE或SE(總體傾向左岸偏下游),傾角60°~65°??傮w,地形上陡下緩。地下水埋深34~52 m,為裂隙性潛水,水力坡降為13%~16%。局部在溶隙和溶孔有少量巖溶水滲出。右岸邊坡發(fā)育2條層間斷層(F4、F5)和三條層間擠壓帶(J1~J3)。斷層破碎帶寬8~20 cm,破碎帶由碎裂巖夾斷層泥組成,走向NW345°~350°NE∠70°~80°。
圖1 帷幕軸線水文地質(zhì)剖面圖
減小壩基和繞壩滲漏;防止在壩基軟弱結(jié)構(gòu)面、斷層破碎帶、巖體裂隙充填物以及抗?jié)B性能差的巖層中產(chǎn)生滲透破壞;防止慘漏水流對(duì)壩基及兩岸邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響;在帷幕和壩基排水的共同作用下,使壩基揚(yáng)壓力和壩基滲漏量控制至允許值以內(nèi);具有連續(xù)性和足夠的耐久性[1]。
根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2018)規(guī)定要求[1]:
(1)壩基下存在可靠的相對(duì)隔水層,且埋深較淺的,防慘帷幕應(yīng)伸入到該巖層內(nèi)3~5 m,形成封閉式帷幕。壩高在50~100 m之間,透水率q為3~5 Lu。
(2)壩基下相對(duì)隔水層埋藏較深或分布無(wú)規(guī)律的,可設(shè)置懸掛式帷幕。帷幕深度應(yīng)符合3.1條的規(guī)定,并參照滲流計(jì)算,考慮工程地質(zhì)條件和壩基揚(yáng)壓力等因素,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)研究確定,非巖溶地區(qū)可在0.3~0.7倍水頭范圍內(nèi)選擇。
(3)巖溶地區(qū)灌漿帷幕深度應(yīng)根據(jù)相對(duì)隔水層的埋深、壩高、壩基及兩岸允許的滲漏量及幕后揚(yáng)壓力等因素在保證大壩安全的前提下,通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定。
根據(jù)壩區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和灌漿試驗(yàn)資料,結(jié)合水庫(kù)功能和壩高,綜合考慮防滲和排水的相互作用,進(jìn)行帷幕灌漿孔和排水孔的布設(shè)。
本工程壩基下相對(duì)隔水層埋藏較深、分布無(wú)規(guī)律。壩址河床中部斷層F31順河展布,兩側(cè)巖溶較發(fā)育,透水中等。經(jīng)綜合分析采用懸掛式帷幕。帷幕深度按1.5倍壩高控制。防滲帷幕的軸線方向和延伸長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn):左岸壩頂廊道深度及帷幕軸線延伸長(zhǎng)度按正常蓄水位與地下水位相交處控制;右岸壩頂廊道深度及帷幕軸線延伸長(zhǎng)度按一倍壩高進(jìn)行控制。
壩基灌漿帷幕中心線距壩上游面6.50 m,鉆孔傾向上游2°~3°,沿帷幕灌漿廊道布置。防滲帷幕采用主副兩排布置,排距0.8 m,孔距2.0 m。在斷層部位局部加強(qiáng)設(shè)置3排。最大孔深(深入基巖)約100.00 m。
排水孔布設(shè)在帷幕中心線下游側(cè)1.5 m處,鉆孔傾向下游5°,沿帷幕灌漿廊道布置。排水孔布置一排,孔距3.0 m,孔深為帷幕深度的0.4倍。在F31斷層范圍內(nèi)孔內(nèi)設(shè)反濾層。滲水經(jīng)排水孔排入廊道,再通過(guò)廊道匯集到壩內(nèi)滲漏集水井排至下游。
圖2 壩基防滲帷幕布置圖
灌漿方法:主、副帷幕灌漿采用孔口封閉、自上而下分段灌漿;搭接帷幕采用自上而下(自孔口至孔底)分段卡塞灌漿法[2]。
灌漿次序:帷幕灌漿孔應(yīng)先施工下游排,后施工上游排,各排孔分三個(gè)灌漿次序逐漸加密的原則施工。搭接帷幕按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行,環(huán)間分三個(gè)次序、環(huán)內(nèi)分兩個(gè)次序施工[2]。
主、副帷幕水泥灌漿分段長(zhǎng)度及壓力見表1。
(1)3.5.1 非巖溶區(qū):采用普通水泥漿液或水泥砂漿
(2)巖溶區(qū):當(dāng)灌前壓水試驗(yàn)透水率大于200 Lu時(shí),灌注可控自密實(shí)水泥漿液或自密實(shí)砂漿,必要時(shí)也可灌注自密實(shí)細(xì)石混凝土(最大骨料粒徑小于10 mm)。
表1 主、副帷幕灌漿灌漿壓力表
在設(shè)計(jì)規(guī)定的最大灌漿壓力下,必須同時(shí)滿足:
(1)在最大設(shè)計(jì)壓力下持續(xù)灌注歷時(shí)不小于60 min;
(2)在設(shè)計(jì)最大壓力下,當(dāng)注入率小于1.0 L/min后,再繼續(xù)灌注60 min結(jié)束。
帷幕合格標(biāo)準(zhǔn)為:檢查孔透水率小于5 Lu。
經(jīng)檢查孔壓水試驗(yàn)檢查,壩體混凝土與巖石接觸段的透水率的合格率為100%;其余孔段的合格率不小于90%,不合格試段的透水率不超過(guò)7.5 Lu,且分布不集中,灌漿質(zhì)量可評(píng)為合格。
帷幕灌漿施工過(guò)程中基本按設(shè)計(jì)要求施工。在對(duì)巖溶區(qū)灌漿吃漿量相對(duì)較大的壩段,現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合實(shí)際情況等,未采用自密實(shí)水泥砂漿或自密實(shí)砂漿,采取了常規(guī)的水泥砂漿(水泥)加速凝劑及灌漿過(guò)程工藝控制等措施減少灌漿吃漿量,也取得了較好的成效。
本工程常規(guī)帷幕灌漿分21個(gè)單元工程。根據(jù)灌漿量數(shù)據(jù)成果分析,最大單位耗灰量1 278 kg/m,平均單位耗灰量202.2 kg/m[3]。帷幕灌漿灌后壓水試驗(yàn)檢查透水率均小于5 Lu。帷幕灌漿灌后檢查孔壓水試驗(yàn)檢查結(jié)果全部滿足設(shè)計(jì)要求,灌漿質(zhì)量合格。
針對(duì)蓮花臺(tái)水電站工程巖溶較發(fā)育的實(shí)際情況,對(duì)壩基以下巖溶結(jié)合帷幕灌漿過(guò)程同步處理。該措施大大減小了巖溶滲漏幾率,節(jié)省了施工成本上,是針對(duì)弱巖溶地層防滲處理的有效工程措施,可為其他類似巖溶化地層防滲帷幕設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。