克孜爾水庫F2活斷層防滲處理

宋瑞華 曲 苓 李炳奇

(1.新疆水利水電勘測設計研究院 烏魯木齊 830000；2.中國水利水電科學研究院 北京 100044)

1 工程概況

1.1 工程地理位置及工程特性

克孜爾水庫位于新疆阿克蘇地區拜城縣渭干河干流木扎提河與支流克孜爾河的匯合處,壩址西距拜城縣約60km,東距庫車縣約70km,是一座以灌溉、防洪為主兼有水力發電等綜合利用性的大型水利樞紐工程。

克孜爾水庫設計總庫容為6.4億m3,設計灌溉面積320萬畝,為大 (1)型Ⅰ等工程。樞紐工程由攔河主壩、副壩、副壩二道壩、溢洪道、泄洪排沙涵洞、發電引水涵洞和壩后電站組成。

主壩和副壩均為粘土心墻砂礫石壩,主壩壩頂高程1154.60m,壩頂長920.6m,最大壩高44.0m,副壩壩頂高程1154.00m,壩頂長1288.0m,最大壩高32.6m,副壩右壩肩是F2斷層活動將Ⅲ～Ⅳ級階地錯斷上升形成的大方山,方山長500m,寬160m,最高點高程1177.58m,方山北坡為活動的F2斷層帶,坡高33m左右,為副壩右壩肩,工程地質條件極復雜。

1.2 工程運行情況

克孜爾水庫工程于1984年下半年開始 “三通一平”,1991年6月上旬開始蓄水滯洪發揮效益,1993年主體工程基本完工。

副壩右壩肩建筑在蠕動變形的F2活動斷層上,這在國內尚屬首例,國外也不多見,可供借鑒的經驗很少。活動斷層上筑壩的設計是國內壩工建設的開創性工作,水庫運行16年的觀測資料以及大壩經受1999年3月15日發生的7°地震后的觀測資料已初步表明,在F2活動斷層上筑壩設計是成功的,運行是安全可靠的。

2 運行過程中出現的主要工程問題

2006年9月10日克孜爾水庫管理局在工程安全檢查時發現在主壩左壩肩、壩軸線下游251m處的方山南岸3號沖溝坡腳處有兩處滲水點,其中一處滲水于11日形成明流流向老河床。從水庫蓄水以來F2斷層帶滲水的發展趨勢來看,斷層帶滲水有繼續向下游擴展和水位升高的趨勢,F2斷層帶部位防滲效果變化情況見圖1、圖2、圖3。

水庫運行16年以來,F2斷層帶的防滲效果有所下降,沿F2斷層帶向下游的滲漏在向兩側及下游擴散、發展,壩后水位升高。分析原因主要是由于F2活動斷層蠕動變形,F2斷層破碎帶及裂隙中含有石膏等水溶鹽,經地下水溶蝕后帶出,加之該段地下水對普通水泥具有硫酸鹽和硫酸鎂強腐蝕,導致F2斷層帶部位的防滲效果下降,而使方山及F2斷層帶壩后的地下水位升高。

根據2006年9月在F2斷層帶樁號1+250m處的鉆孔壓水試驗成果,透水率平均值q=17.3Lu,最大值為 q=81.9Lu(為高程 1140.17～1135.17m),高程1140.17～1110.17m的透水率層平均值為q=26.4Lu,屬于中等透水層；如果F2斷帶的滲漏趨勢繼續擴大,將影響到方山南坡的穩定,為確保方山南岸高邊坡的整體穩定性,有必要對F2斷層帶進行防滲處理。

圖3 F2斷層部位壩后地下水位流網圖示意(2006年2月)

3 F2斷層帶加固處理

3.1 原設計F2斷層帶處理

大壩施工時對F2斷層帶采取了以下處理措施:

⑴盡可能挖除F2斷層帶表層破碎的透水層,不能挖除的部分進行了固結灌漿和帷幕灌漿。

⑵經過固結灌漿的斷層破碎帶,由于活斷層的繼續活動,還會產生新的裂隙,應使裂隙有自愈的能力,因此,對F2斷層及其影響帶范圍內的心墻防滲體加寬到20～30m,以增加滲水通過斷層部位的滲經,在心墻上、下游增加反濾層和過渡層的厚度,并對心墻下游側F2斷層出口設反濾保護。

⑶在副壩右壩肩下游設置充分可靠的排水措施。

⑷為監測F2斷層的活動性及壩肩處的應力應變狀態,施工時在該部位埋設了監測儀器。

3.2 F2斷層加固處理設計原則

⑴F2斷層加固處理主要是防滲處理,減少通過壩基防滲體的滲漏量,降低壩后地下水位的高度和擴散范圍,確保方山南坡高邊坡的整體穩定性。⑵處理方案要充分考慮到防滲結構的可靠性和耐久性。⑶該部位地下水對普通水泥具有硫酸鹽和硫酸鎂強腐蝕,部分地下水對抗硫酸鹽水泥仍有強腐蝕,處理方案選用的防滲結構要有足夠的抵抗硫酸鹽腐蝕的能力。

3.3 F2斷層加固處理方案比選

F2斷層帶由三支斷層組成,該斷層帶巖體為弱膠結的軟巖,加上斷層的破壞、風化、卸荷作用,巖體非常破碎。

在工程施工時,僅將表層破碎的透水層清除,底部進行普通的固結灌漿和帷幕灌漿處理。

工程投入運行近二十年來,由于受F2活斷層的影響和地下水硫酸根離子的腐蝕,防滲帷幕遭到了嚴重破壞。試驗表明F2活斷層帶的透水率平均值為q=26.4～17.3Lu,最大值為q=81.9Lu,因此必須進行防滲處理。

根據F2活斷層帶的工程地質特性和F2仍在活動,以及地下水硫酸根離子含量較高的特點,擬定兩個加固處理方案進行比較,優選出技術上可靠、施工簡單、經濟合理的加固處理方案。

(1)超細水泥﹢化學材料復合灌漿方案。

F2活斷層帶的巖性為砂巖、泥巖,斷層帶裂隙小,普通水泥由于顆粒粗,可灌性差,原施工時通過灌漿試驗選用了膠體磨超細水泥灌漿,可灌性相對較好,為抵抗硫酸根離子對防滲帷幕的侵蝕,本次選用超細水泥灌漿加化學材料灌漿,即設置三排帷幕灌漿,上下游兩排為超細水泥灌漿,中間一排為化學材料灌漿,排距1.5m,上下游兩排超細水泥灌漿孔距為2.0m,梅花型布置,中間一排化學材料灌漿孔距為1.5m,三排帷幕灌漿孔深相同,均為15～35m,處理深度同原壩基防滲處理深度,化學材料灌漿帷幕軸線與原大壩防滲軸線重合。

(2)塑性混凝土防滲墻方案。

由于壩基巖體強度低,飽和抗壓強度平均2.34MPa(平行層理),又處于斷層破碎帶范圍,采用塑性混凝土防滲墻進行加固處理,該方案施工難度相對困難,但難度不大并且是可行的。

塑性混凝土防滲墻厚度采用800mm,墻體強度為2～5MPa,彈性模量400～1000MPa,水泥采用抗硫酸鹽水泥。防滲墻深度為進入基巖透水率小于5Lu線以下1.0m,最深處在心墻建基面以下約30m,塑性混凝土防滲墻軸線與原大壩防滲軸線相重合。

塑性混凝土防滲墻從壩頂垂直向下開槽,穿透心墻向下進入基巖,墻體深入基巖最大深度約為30m,對于壩體心墻內的槽孔,為了保證防滲體的完整性,有利于心墻正常安全的運行,采用塑性混凝土防滲墻澆筑。

表1 F2活斷層處理方案比較

(3)F2處理方案比選。

對超細水泥﹢化學材料復合灌漿及塑性混凝土防滲墻這兩種處理方案,從施工難易程度、運行期的安全可靠性、抵抗F2斷層活動的影響、抵抗地下水硫酸根離子侵蝕的能力、滲漏量大小、對方山南坡穩定性影響和工程投資等方面進行了綜合比較評價。

通過比較表明,塑性混凝土防滲墻方案耐久性好,在材料內添加了膨潤土并且采用抗硫酸鹽水泥,抵抗硫酸根離子侵蝕的能力較強,即使防滲墻產生裂縫滲漏量也不大,這對方山南坡穩定是有利的,而且投資較低。

因此采用塑性混凝土防滲墻方案對F2活斷層做防滲處理。

4 結論

(1)通過對F2斷層帶部位大壩下游地下水位的發展趨勢判斷,沿F2斷層帶向下游的滲漏在向兩側及下游擴散、發展,壩后水位升高,防滲帷幕遭到了嚴重破壞。

(2)造成防滲帷幕嚴重破壞的原因主要是由于F2活動斷層蠕動變形及地下水對普通水泥具有硫酸鹽強腐蝕,導致F2斷層帶部位的防滲效果下降。

(3)通過對F2斷層帶兩種處理方案多因素進行綜合比較,優選出質量可靠、防滲效果和耐久性好的塑性混凝土防滲墻處理方案。

略)