水布埡水電站防滲帷幕設計與現場施工優(yōu)化

PAGE12水布埡水電站防滲帷幕設計與現場施工優(yōu)化1．工程概況水布埡水電站位于xx中游河段，隸屬xx省xx族自治州xx縣境內，是xx流域梯級開發(fā)的龍頭工程，也是目前世界上最高的面板堆石壩工程，其最大壩高233m，正常蓄水位高程400m，裝機容量1840MW，總庫容43.12億m3。大壩建于巖溶化程度較高、地質條件復雜的石灰?guī)r地區(qū)，巖溶防滲處理是工程建設的關鍵性技術難題之一，采用以帷幕灌漿為主、并結合巖溶清理回填的綜合性防滲方案。設計防滲線路長2588.3m，防滲面積44.14萬m2，灌漿進尺39.2萬m。2．主要工程地質條件2.1地層巖性壩址區(qū)地層產狀平緩，巖層走向320°～340°，傾向上游偏左岸，傾角5°～14°，與河谷斜交，交角50°～70°。穿過防滲帷幕的地層自上而下分別為二疊系下統茅口組（P1m）、棲霞組(P1q1－15)、馬鞍組(P1ma)、石炭系黃龍群(C2h)、泥盆系寫經寺組(D3x)、志留系紗帽組(S2sh)等，其中：茅口組灰為厚層塊狀灰?guī)r，巖厚約70m，屬強巖溶化巖層；棲霞組灰?guī)r厚192m～241m，分15段，巖體軟硬相間，中至厚層灰?guī)r與炭泥質生物碎屑灰?guī)r不等厚互層，其間多層面、多剪切帶。其1～3段為弱－極弱巖溶化巖層，4～15段為強—中等巖溶化巖層；馬鞍組(C2h)上部為煤系地層，下部為厚薄不均的砂巖、石英砂巖；黃龍群組(C2h)地層由巖相厚度變化較大的灰?guī)r、白云質灰?guī)r夾砂巖組成；泥盆系寫經寺組(D3x)、志留系紗帽組(S2sh)地層厚度巨大，主要砂頁巖等碎屑巖地層組成，是可靠的相對隔水層。2.2地質構造⑴斷層穿過防滲帷幕的大小斷層約有100余條，以高傾角發(fā)育為主，約占68%，緩傾角斷層僅占13%；斷層按性狀可分為溶蝕性、非溶蝕性兩類，溶蝕性斷層約占10%。規(guī)模較大、貫穿連通性好的斷層主要有F2、F3、F12、F13、F14等，其中：F2斷層是壩址區(qū)規(guī)模最大的斷層，展布于右岸帷幕端頭一帶，其斷層錯距達110m，發(fā)育寬度達30余m，長度大于2km，順斷層溶蝕強烈，并伴有大規(guī)模溶洞發(fā)育；F3、F12、F13斷層穿過右岸防滲趾板，溝通庫內、庫外；F14斷層分別穿過左、右岸趾板，與帷幕線交角小，在左岸防滲趾板280m高程以下，以F14斷層發(fā)育為主形成掃帚狀斷層密集帶。⑵裂隙裂隙以高傾角發(fā)育為主，約占85%，中、緩傾角裂隙各約占7%。裂隙以方解石脈充填為主，裂面平直閉合居多，一般膠結緊密，性狀較好，少數有溶蝕現象，但在斷層影響帶、洞穴系統部位，裂隙溶蝕較強烈，張開度有所增大，寬度可達cm級，多充填黃泥或泥鈣質。⑶間剪切帶在三友坪向斜形成過程中，相對軟弱的巖層順層擠壓錯動形成了一種重要的地質構造形跡――層間剪切帶，根據破壞特點，層間剪切帶可分為兩類：Ⅰ類剪切破壞充分且發(fā)育完善，主要有151#、131#、121#、101#、081#、031#、011#等；Ⅱ類剪切破壞不充分、發(fā)育欠完善，主要有141#、122#、111#、091#、071#、061#、051#、041#等。層間剪切帶大多結構松散，呈泥化條帶分布，抗沖蝕性差，其滲透系數多在10-5～10-3cm/s之間，破壞比降12～20.5，在高壓灌漿作用下易發(fā)生水力劈裂。2.3巖溶壩區(qū)高程320m以上巖溶發(fā)育強烈，且溶洞規(guī)模較大，屬強巖溶區(qū)；高程250m～320m之間巖溶發(fā)育強度明顯減弱，溶洞規(guī)模也相對減?。桓叱?50m以下巖溶不發(fā)育，僅近岸地帶有溶蝕性裂隙發(fā)育。溶蝕下限絕大多數位于棲霞組第3段（P1q3）以上，位于其下的極少，僅見于河床和近岸地段，最低溶蝕下限高程為109.82m。巖溶形態(tài)各異，以黃泥充填為主，溶溝、溶槽、溶縫、溶洞、落水洞等各種類型發(fā)育齊全，溶洞斷面寬窄不一，一般寬2m～5m，高10m～30m，大者寬20m～30余m，體積數千m3甚至上萬m3。防滲帷幕遇到的巖溶管道系統共有8條，左岸6條，右岸2條，其中以左岸鄒家溝左側發(fā)育的Ⅰ號巖溶管道系統規(guī)模最大，其長度大于1.9Km，體積數十萬m3，屬暗河地下管道系統，枯季流量約418L/min，雨季流量達2m3/s。3．防滲帷幕設計⑴防滲方案盡管壩址區(qū)巖溶化程度較高，但壩基及兩岸山體深部有防滲性能可靠的泥盆系寫經寺組(D3x)和志留系紗帽組(S2sh)等巨厚的相對隔水巖層出露，且向兩岸延伸的出露高程均達壩頂高程409m以上，可實現全封閉式防滲，因此預可研設計階段采用以寫經寺組(D3x)砂頁巖層作為防滲依托的全封閉式防滲方案。工程實施階段，通過對棲霞組第三段厚層灰?guī)r（P1q3）巖溶發(fā)育強度、巖體自身防滲性能等方面的深入研究，在確認該段灰?guī)r也是可靠的相對隔水巖層的基礎上，防滲方案調整為河床接寫經寺組（D3x）砂頁巖層、兩岸山體接棲霞組第三段灰?guī)r（P1q3）方案。⑵防滲標準根據碾壓式土石壩設計規(guī)范（SDJ218－84）規(guī)定，并考慮大壩趾板防滲帷幕后期不具備檢修條件等因素，確定帷幕灌漿設計防滲標準為：大壩趾板部位q≤1Lu，兩岸山體近岸地段q≤3Lu，遠岸地段q≤5Lu。⑶主要設計參數大壩趾板、右岸山體段以及左岸山體近河地段，帷幕灌漿一般采用2排孔布置，左岸遠岸山體段采用單排孔布置，巖溶發(fā)育區(qū)、斷裂構造發(fā)育區(qū)等地質缺陷部位采用2～3排孔加強灌注。雙排孔區(qū)帷幕孔距一般2.5m，單排孔區(qū)2.0m。防滲帷幕總深度約300余m，采用5層灌漿平洞分層搭接方式施工，帷幕孔深一般60m～70m，最大孔深120m左右。⑷灌漿方法與工藝帷幕灌漿采用“小口徑鉆孔、孔口封閉、自上而下分段、孔內循環(huán)高壓灌漿法”施工，最大灌漿壓力4MPa，其中大壩趾板部位，通過現場灌漿試驗的論證，在采取均布錨桿加全面固結灌漿等工程措施后，淺層灌漿壓力提高到了1.0MPa以上。表1帷幕灌漿壓力表（MPa）部位第1段第2段第3段第4段第5段以下各段兩岸灌漿平洞1.01.52.54.04.04.0大壩趾板Ⅰ、Ⅱ序孔0.5→1.001.0→1.551.5→2.002.0→2.553.0→4.004.0Ⅲ序孔0.8→1.221.0→2.002.0→3.003.0→4.003.0→4.004.0帷幕灌漿一般采用普通純水泥漿液灌注，水灰比(重量比)采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.5:1等六個比級，開灌水灰比一般5:1。4．現場優(yōu)化設計茅口組、棲霞組灰?guī)r是防滲處理的重點巖層，其可能發(fā)生滲漏的途徑主要有以下三方面：①順巖溶通道滲漏；②沿順河向斷層、裂隙密集帶所形成的高滲帶滲漏；③沿巖層層面、夾層、層間剪切帶等軟弱構造面滲漏等。除此之外，大部分灰?guī)r裂隙以閉合或充填為主，透水性較弱，發(fā)生大規(guī)模滲漏的可能性不大，具備進行適當優(yōu)化設計的條件，但為保證優(yōu)化設計后的防滲帷幕質量和性能滿足水布埡工程高水頭長期安全運行的要求，結合水布埡工程巖溶洞穴發(fā)育規(guī)律和特點、巖溶發(fā)育下限以及巖體滲透特性等地質條件，在參考高壩洲、隔河巖工程防滲帷幕施工經驗基礎上，制訂了如下帷幕優(yōu)化設計基本原則：⑴現場優(yōu)化設計必須貫徹動態(tài)設計的原則，根據實際工程地質條件以及已完成的前序孔鉆孔、壓水、灌漿資料綜合分析，在確保防滲帷幕達到設計防滲標準的前提下，逐步取消后序或后灌排帷幕灌漿施工；⑵兩岸山體強巖溶發(fā)育區(qū)、巖溶與地質構造所組成的高滲帶、水庫運行后不具備補灌條件的大壩趾板部位一般不減少帷幕灌漿布置，必要時，尚須補充適量的帷幕孔加強灌注，以保證灌漿質量和效果，確保防滲安全；⑶為控制繞壩滲流，近河地段一般應保證兩排帷幕孔施工，特殊情況下，至少應保證一排孔施工；⑷優(yōu)化取消帷幕施工的部位（不作帷幕的部位），巖體須屬于非巖溶化或弱巖溶化地層，或者雖屬于巖溶化巖體但與庫水沒有水力聯系；⑸現場優(yōu)化設計不得降低防滲標準，即實施優(yōu)化設計后，近河地段防滲帷幕須達到q≤3Lu、遠岸山體段須達到q≤5Lu的設計防滲標準；⑹高程300m以上的巖溶化地層中局部也可能存在一定范圍的非巖溶地塊，也可以根據以上原則進行適當優(yōu)化設計。4.1鄒家溝以遠地段防滲范圍優(yōu)化鄒家溝位于左岸溢洪道以遠約270m處，其左側發(fā)育有壩址區(qū)規(guī)模最大的Ⅰ號巖溶管道系統，并在高程300m左右穿過防滲帷幕。因此，原設計防滲方案中，對該巖溶系統除采取巖溶封堵和加強帷幕灌漿措施外，為疏排其上部地下水，尚需在高程405m左右布置一條排水洞，將該巖溶系統地下水引排至溢洪道內，其施工技術復雜，工程量浩大?，F場優(yōu)化設計過程中，通過采取補充地質勘探、同位素追蹤和電磁波透視等地勘、物探手段進一步勘察，以及對該區(qū)域地表水系特征、地質構造發(fā)育特點、巖體滲透特性、巖溶發(fā)育規(guī)律及強度等方面綜合分析研究，證明鄒家溝存在一個寬度100m～150m、順鄒家溝帶狀延伸的非巖溶化地塊，隔開了Ⅰ號巖溶管道系統與庫水的水力聯系，Ⅰ號巖溶管道系統有獨立的補、逕、排系統，因此確定：⑴對Ⅰ號巖溶系統不進行防滲封堵和巖溶地下水的引排處理；⑵取消鄒家溝以遠洞段主帷幕灌漿、銜接帷幕灌漿和相應的圍巖固結灌漿，但上述部位的灌漿平洞仍按設計圖紙要求完成。⑶考慮到灰?guī)r地區(qū)地質條件的復雜性，為確保工程運行安全，在非巖溶地塊庫內、庫外布置了適量的地下水觀測孔，形成地下水觀測系統，以監(jiān)測該地段在水庫蓄水前后地下水位變化及水力聯系。如發(fā)現巖溶系統與庫水相通時，可利用已施工的灌漿平洞，及時進行防滲處理。上述優(yōu)化措施實施后僅帷幕灌漿就減少防滲面積約5萬m2，節(jié)省灌漿進尺約2.5萬m。4.2左岸高程300n以下帷幕灌漿布置優(yōu)化地質勘探表明，左岸山體高程300m以下為非巖溶化或弱巖溶化地層，帷幕灌漿處理對象主要為巖層和夾層層面縫，從先期進行的部分帷幕灌漿施工情況看，高壓灌漿對上述層面縫的灌漿效果十分顯著，灌漿單耗、透水率隨孔序遞減幅度大，一般經Ⅰ、Ⅱ序孔及少數Ⅲ序孔灌注后，平均透水率可基本達到設計防滲要求，說明該部位帷幕灌漿布置可進行適當優(yōu)化。大部分地段基巖透水率已達到q≤5Lu的設計防滲要求。因此現場施工過程中，取消了遠岸山體段大部分Ⅲ序孔施工；近河地段，對第1排帷幕孔施工完成后，基巖透水率小于設計防滲標準3Lu、且吸漿量較小的部位取消了后灌排帷幕孔。實施上述優(yōu)化措施后共節(jié)省帷幕灌漿進尺約2.4萬m。5．地質缺陷處理5.1開挖過程中揭露的巖溶處理通過地質勘探以及灌漿平洞、勘探平洞的開挖揭示，壩基及兩岸山體發(fā)育的巖溶特別是規(guī)模較大的巖溶已得到較充分的揭露，經統計，在防滲帷幕上發(fā)育的規(guī)模較大的溶洞有23個，總體積達15萬m3以上。表2左、右岸灌漿平洞遇溶洞數統計表灌漿洞編號溶洞個數灌漿洞編號溶洞個數左灌2000右灌2000左灌2400右灌2501左灌3002右灌3002左灌35011右灌3501左灌4002右灌4054對帷幕軸線上揭露的巖溶洞穴，帷幕灌漿施工前均采取了清理后回填砼方式處理，基本實現了“變巖溶性巖體為裂隙性巖體”的設計構想。巖溶清理回填范圍一般按上游距防滲帷幕不小于15m、下游不小于10m控制，對垂直型落水洞則一般清理至基本殲滅為止，其中對左壩肩高程350m～400m范圍內以Ⅶ號巖溶管道系統為主形成的巖溶發(fā)育區(qū)，為保證巖溶封堵質量，在高程375m布置了一條施工支洞專門清理和回填溶洞。5.2灌漿過程中揭露的巖溶處理由于帷幕灌漿前對規(guī)模較大的溶洞已采取了砼回填處理，帷幕灌漿施工過程中實際遇到的巖溶主要為溶縫、溶溝、溶槽和小溶洞等，對此一般先采用鉆孔孔內攝像查明溶洞分布形態(tài)、范圍和充填物的性狀和充填程度，并據此分別采取以下處理措施:⑴加密灌漿孔距，增加灌漿排數。從現場施工情況看，無充填型溶洞一般經2排孔灌注后可達到設計防滲要求，充填型溶洞則一般需要經3排甚至3排以上的帷幕加強灌注才能達到設計防滲標準。⑵縮短灌漿段長。一般鉆孔打到溶洞后即停鉆灌漿，達設計灌漿結束標準后再進行下一段施工。⑶溶洞部位的第一排孔一般可不分序，采取多孔輪流灌注方式以加快施工進度，但后灌排孔仍按設計要求分序施工。⑷對無充填或半充填型的巖溶一般先灌注水泥砂漿，待其不吸漿后待凝72h，再掃孔用純水泥漿復灌，其中對脫空較大的溶洞，主要采用自孔口邊倒砂邊注濃漿方式進行回填灌注，期間間歇性地用鉆桿搗實，待其孔口返漿后再高壓密實，灌后檢查，該灌漿法形成的結石強度滿足設計要求。⑵充填型溶洞特別是黃泥充填型溶洞是灌漿處理難度最大的巖溶類型，該類溶洞如采用水泥砂漿、高流態(tài)砼等固相材料時，難于在充填物中形成劈裂擠壓密實效果，因此一般采用濃漿間歇方式灌注，即待水泥灌入量達3t～5t后待凝48h再掃孔復灌，經如此多次掃孔復灌至達設計灌漿壓力下的灌漿結束標準。5.3大面積互串現象處理右岸高程200m平洞帷幕灌漿壓水試驗（水壓力1Mpa）時，曾發(fā)生過多達15孔的大面積串通現象，最大串通距離達269m?？紤]到串通范圍大，施工過程中采取了分區(qū)灌漿法處理，即先灌注中間的串通孔，將串通區(qū)分割成2個相對獨立的灌漿區(qū)，再依此法將上述2個串通區(qū)共分為4個相對獨立的灌漿區(qū)，而后對各灌漿區(qū)單獨進行灌漿處理。灌后檢查，灌漿質量達到設計防滲要求，說明該灌漿法是可行的。6．灌漿效果分析左岸高程200m平洞帷幕灌漿于2003年11月開工，至2004年6月完成,是現場優(yōu)化設計幅度最大的部位,共節(jié)省灌漿進尺1.7萬m。以之為例,分析評價優(yōu)化設計后的帷幕灌漿效果和質量。灌漿成果表明，先灌排帷幕孔灌漿單耗和透水率隨孔序遞減顯著，至Ⅲ序孔施工時，平均透水率已由Ⅰ序孔的27.96Lu減至0.4Lu，且最大孔段透水率也已減小到5Lu以下，基本達設計防滲要求；平均單耗由Ⅰ序孔的80.28kg/m減小到3.73kg/m，單耗大于100kg/m的孔段已由Ⅰ序孔的81段減少為4段，單耗大于1000kg/m的孔段已由Ⅰ序孔的11段減為0。后灌排孔灌漿單耗和透水率普遍很小。表3灌漿透水率及灌漿單耗統計表項目先灌排后灌排Ⅰ序孔Ⅱ序孔Ⅲ序孔Ⅰ序孔Ⅱ序孔Ⅲ序孔平均透水率率（Lu）27.961.960.400.100.070.03平均單耗(kgg/m)80.2827.843.736.762.708.25透水率q≤5Lu孔段段百