長嶺水庫除險加固工程防滲設計

□李華強 □荊衛星（新鄉市水利勘測設計院）

1.概述

輝縣市長嶺水庫位于海河流域衛河支流劉店干河的中游，是一座防洪、灌溉綜合利用的小（1）型水利樞紐工程，水庫總庫容684.24萬m3，興利庫容459萬m3，水庫工程包括溢流壩段、擋水壩段及輸水洞3部分。水庫下游800m有拍石頭水庫，15km有南水北調總干渠和輝縣市城區，地理位置十分重要。

長嶺水庫建于1975年文革期間，漏水嚴重，日最大滲漏量高達5.1萬m3以上，水庫加固前已多年空庫，嚴重影響了下游群眾生活用水和農業灌溉。

長嶺水庫壩址區左壩肩地質情況較差，破碎嚴重。根據庫區地質測繪，覆蓋層為第四系全新統沖洪積及洪積成因的卵石；下伏基巖主要為寒武系白云質灰巖、灰巖，奧陶系泥質頁巖、白云質灰巖、灰巖。區域內巖溶比較發育，一般溶洞直徑0.2～0.5m，大者達1.0m；鉆孔中巖溶多見溶孔，或一些小的不連續的溶洞、溶隙等巖溶現象。

地質勘查在壩址區共發現5條斷層，均為高傾角正斷面，其寬度≤2 m，其中F2、f2、F3斷層走向以西北為主，傾向西南，F1斷層走向為東北向，直立，F4斷層走向為西北，傾向南，傾角 70～80°。壩址區左岸 F2、f2、F3斷層斜交壩軸線，F2、f2 斷層位于靠近左岸河床處，同時貫穿大壩上下游，形成地下水之通道，在大壩下游壩腳100 m內發現2處泉水出露點。F3斷層位于左岸輸水洞附近，在下游延伸處100 m內發現1處泉水出露點，流量5 L/s，滲漏問題嚴重。F3斷層影響帶,鉆進過程中不回水，同時壓力僅升到0.2 MPa，每分鐘流量均超過100 L。F1、F4處于大壩下游右岸80 m,對大壩的滲漏影響不大。右岸巖體相對完整，但巖溶發育。

2.設計方案

2.1 初步設計方案

2.1.1 壩肩、壩基防滲帷幕灌漿

為了使壩基帷幕灌漿與防滲面板形成一個整體，帷幕灌漿孔布置在面板下部。施工時先澆注一定高度的面板（臺階狀）作為灌漿平臺進行帷幕灌漿，灌漿工程結束后，再進行面板施工。灌漿平臺251高程以下寬度按面板厚度進行施工，251以上寬度為4m，考慮施工布孔方便以及地形條件平臺長度采用6m，平臺厚度2.2m。灌漿平臺按施工縫采用設置鍵槽的方法進行處理，與上部面板進行連接。

根據工程地質勘察報告，左壩坡發現3處斷層，透水率＞100Lu，斷層深度較深（＞35 m,沒有查清深度）。帷幕灌漿采用懸掛式帷幕，為保證灌漿質量在左壩坡采用雙排灌漿，第一排灌漿孔中心線布置在溢流壩段距離壩面1.4m處，在擋水壩段距離壩面0.8 m，分三序施工，最終水平孔距1.5 m，左壩坡灌漿深度深入基巖25 m，壩基處灌漿深度15 m，灌漿范圍從樁號0-059.64至0+073.86。第二排灌漿孔與第一排間距為2m，仍采用懸掛式帷幕，孔距、深度同第一排。

2.1.2 F2 、f2、F3斷層破碎帶處理

根據壩址區綜合地質圖和地質報告的斷層描述，F2在大壩上游延伸長度長度為11 m，斷層寬度一般為0.5～1 m，最寬處約2 m；由于物探在上游只做了5個剖面，沒有做到275高程，根據物探報告和物探工作布置及成果圖推斷，f2在上游應為貫通性斷層，自大壩至275.0 m高程長度約為162 m,斷層及影響帶寬度2m；F3在上游也應為貫通性斷層，根據“輝縣市長嶺水庫壩址區綜合地質圖”，F3的延長線與上游275.0m等高線不相交，最高相交的等高線高程為270.0m，綜合考慮將F3的延長線與270等高線交點，做為本次初步設計F3斷層處理的起始點，該起始點至大壩水平長度為239m，斷層破碎帶以及影響帶寬度約6.0m。

為確保治漏效果，本次設計采用對上述F2、f2、F3三個斷層及影響帶進行開挖，然后采用混凝土鋪蓋型式封堵，混凝土鋪蓋厚度F3采用1.5m，F2、f2采用1.0m，鋪蓋寬度F2、f2、F3寬度分別為 2.0、2.0、6.0m，鋪蓋長度分別為 11、162、239m。

2.2 施工設計方案

為了能較好的處理左壩肩破碎帶問題，施工圖設計前，設計人員和地質人員共同對壩址區地質情況進行了更為詳細的察看，并進行了分析。根據河谷對面山坡的斷層裂隙方向以及大小等，針對F3在上游的延伸，綜合進行分析認為：F3應不是一個貫通上游對面山坡的斷層帶，在上游被其他斷層所切割。采用原設計方案的幾個問題：一是由于上游斷層情況不明，而斷層不一定為直線，覆蓋層又很厚，覆蓋層開挖工作量會很大，有可能會大大超出設計工程量。二是根據左壩肩及河谷對岸的裂隙、斷層情況，F3有可能會被切斷，因此漏水的區域位置會與設計情況有較大出入，由此造成的可能不僅僅是覆蓋層開挖工程量增加，而是其他的問題。三是左壩肩斷層、破碎帶與裂隙交錯糾纏，很難判斷哪個是斷層哪個是裂隙，所以才有地質勘察報告關于f2是斷層還是裂隙的判斷上出現了分歧。按照初設處理方案對斷層采用鋪蓋處理時由于破碎帶與裂隙交錯將變得很困難，處理面積小很有可能造成鋪蓋防滲失效，全面積處理會出現工程量的大幅提高。四是初步設計時由于左壩肩斷層深度沒有探明，初設方案中帷幕深度并沒有到達斷層底部，屬懸掛式帷幕。上游的鋪蓋一旦不能將全部的漏水通道封閉，本次除險加固工程的治漏效果將大打折扣，大壩左壩肩漏水問題將不能夠得到徹底解決。

處理方案：根據地質報告中的地質剖面圖，左壩肩基巖第一層為白云質灰巖，從左至右厚度由63～25m，第二層為灰巖，兩層皆屬寒武系厚層-巨厚層白云質灰巖，傾角為315°＜6°。考慮斷層在巖性分界處變化的可能性，項目組經過討論，認為施工時應首先做先導孔穿過兩種巖石的交界線，根據巖心和壓水試驗，對壩基下部斷層的深度進行確定。如果能夠確定深度，那么對壩肩仍采用雙排帷幕，不需再做上游鋪蓋，即可解決滲漏問題；如果深度仍不能確定，就仍維持原設計方案，對上游覆蓋層進行徹底清除，搞清各斷層的分布情況，采用混凝土進行封堵。

2.3 施工變更設計

長嶺水庫除險加固工程開工后，即對壩基、壩肩及斷層進行開挖查驗，及時對開挖情況進行記錄，對基本地質情況在平面圖上進行了標示。

2009年11月10日，大壩下游二道壩基礎完成開挖，發現有二個斷層存在，其中右端該斷層有水滲出，該斷層走向指向右壩肩上游。2009年12月8日，溢流壩壩前淤積及擋水壩前風化巖層開挖完成，根據當時對基坑查勘情況，沿左壩肩一直往左，壩前存在大量斷層及裂隙；溢流壩靠近右壩肩位置壩基存在一斷層，該斷層走向指向右壩肩上游山體，在水庫無水情況下有水滲出。

2009年12月11日，對開挖的現場進行了地質編錄，并繪制了壩前斷層平面圖，完成了工程區地質圖測繪工作。

未開挖前，由于覆蓋層較厚或表層巖石風化較嚴重，許多斷層原先未發現，開挖后發現斷層較多，僅在左壩肩就有9條斷層和2條節理裂隙，斷層走向主要為NW，傾向NE，其次為NE，均為高傾角正斷層。各斷層延伸長度均不長，在斷層內一般有粘土和斷層角礫巖充填，膠結一般。斷層將左壩肩山體切割分塊，山體較為破碎，且斷層大部分與壩軸線相交。靠近右壩肩庫底有一條斷層，走向2700，垂直壩軸線。發現壩址區附近巖體有很多斷層裂隙等薄弱情況，這些問題很多是在做工程初步設計和施工圖設計過程中沒有發現的。各斷層具體情況斷層統計見表1。

表1 斷層統計表

開挖基巖面共發現有3個部位有巖溶現象，面積為5～8m2巖溶比較輕微，未發現大的溶洞等溶蝕產物，僅有一些小的不連續的溶洞、溶隙、溶蝕坑等巖溶現象，洞徑0.5～0.8m。在這些溶蝕坑、溶洞里充填著粘土。僅在靠近右壩肩壩腳前有一小溶洞，孔口直徑5cm,連續向外涌水，在大壩下游二道壩中有一處斷裂帶處也在往外涌水，從上游斷層f12的產狀和小溶洞的位置來看，二者有一定的內在聯系。

長嶺水庫壩址區地質地形條件復雜、斷層裂隙分布較多，水庫漏水成為制約水庫發展和效益的主要問題，是本次除險加固工程最主要的任務之一。水庫大壩壩址區及兩壩肩附近巖體風化嚴重，多條大的斷層貫穿大壩上下游基巖及壩肩。因此，要解決水庫漏水問題，必須要查清庫區、壩址區及壩肩的地質要素分布情況，然后根據具體情況采取針對措施進行有效處理。

根據前述的地質情況經分析認為，斷層f12和小溶洞與二道壩的右端斷層存在關聯，貫通大壩上下游，形成滲漏通道。根據右壩肩現場情況和工程施工期間當地群眾介紹，水庫蓄水期間右壩肩漏水嚴重，并伴有漩渦現象，以及當地曾參加水庫施工的群眾介紹，右壩肩上游存在有溶洞，兒時曾鉆進去過現象。認為在大壩的右壩肩存在著滲漏隱患。

通過壩前的開挖、二道壩的開挖，以及先導孔的鉆孔灌漿資料，可以發現壩址區的實際地質情況比原地質勘查報告更復雜，面積、范圍更廣，深度更深，因此需對原大壩防滲體系設計進行設計修改，增加右壩肩以及左壩肩灌漿長度及深度，方可形成完整的防滲體系。有效地阻斷滲漏通道。

針對壩址區斷層、裂隙范圍、深度都超出了原地址勘察報告的情況，本次處理的方法采用擴大帷幕灌漿范圍，加大孔深，以期能與上游防滲鋪蓋搭接的方法進行處理。

處理方案如下：考慮左壩肩附近巖體破碎及斷層裂隙分布密集的情況，為了對左壩肩進行徹底的防滲處理，設計將灌漿孔沿壩軸線方向向外延伸，比原設計增加24個孔，灌漿范圍至左壩頭外15m，使孔底高程至223m，共計灌漿長度1267.65m，設檢查孔3個，孔深共計156.01m。根據基礎開挖情況，針對右壩肩附近斷層，將右側壩基灌漿范圍向右延伸，延伸14個孔跨過f12至右壩肩附近，考慮設計灌漿孔孔底高程223 m，共計灌漿長度227.36 m，設檢查孔1個，孔深16.24 m。根據開挖情況右壩肩端部基巖情況較好，因此端部不再進行帷幕；對于右壩肩上游斷層及溶洞進行灌漿處理，灌漿沿道路方向向上游延伸52 m，單排孔，孔深至庫底高程下15 m（即223 m高程），設計孔深56 m，共計布孔35孔，灌漿長度1960 m，設置檢查孔4個，共計孔深224 m。原設計雙排灌漿孔（1～40#）由原設計孔底高程加深至223.00 m高程，共計增加孔深747.34 m，相應檢查孔增加132.4 m。

3.施工情況

長嶺水庫防滲工程基本按照上述最終變更方案進行實施，實施過程中，發現右壩肩上游段鉆孔取芯較完整，巖石多為弱風化，灌漿吃漿量很小，經與業主研究，停止了繼續灌漿。

F3斷層按照初步設計方案進行了開挖，并用混凝土進行了回填。f2斷層位于壩前，由于淤積土厚度很大，開挖會嚴重影響工程施工進度，并且現場開挖可以看到大壩初建時以用漿砌石進行過封堵，經與業主研究后，未對f2斷層上游進行開挖回填封堵。

4.加固效果

2010年8月19日，工程接近完工時，一場大雨，水庫在幾小時內蓄滿溢洪，溢洪時間長達一個多月。12月我們專程到水庫對防滲效果進行調查，大壩左壩肩原有滲漏點均未發現滲漏現象，左側山體沒有濕潤情況；大壩壩體有滲水現象，高程基本發生在灌漿平臺高度；大壩右壩肩壩體與巖體接觸面存在滲漏現象。經調查，水庫高水位最大日總滲漏量比加固前滲漏量減少了約80%，防滲處理取得了較好的效果，但仍存在漏水問題。

2011年4月往年為干庫的長嶺水庫，在抗旱應急時實施灌溉引水200余萬m3；2011年汛期水庫來水較少，水庫未蓄滿，引水灌溉100余萬m3。水庫加固2年來，取得了較好的灌溉效益。

5.小結

一是長嶺水庫的地質情況非常復雜，進行了2次勘探，并進行物探工作，但最后的結果與實際開挖情況仍有較大出入，說明了石灰巖地區地質復雜性，地質報告不是萬能的，也有局限性，它只是我們的一個依據，一個參考，設計時要消化吸收，還要充分考慮其他因素的影響。二是右壩肩漏水問題說明，僅靠混凝土的粘聚力防滲是不可靠的，仍需要進行防滲處理。三是設計人員只有通過設計、施工和結果比較才能發現問題，找到自己的不足，提高自己的水平。