壩基帷幕灌漿工程中增設排水孔設計與效果分析

張曉光 ，徐永江 ，王海方 ，劉 洋，賈 犇

(1.葫蘆島市水利工程質量監督站，遼寧 葫蘆島 125000;2.遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽 110006 3.葫蘆島市凌河局，遼寧 葫蘆島125000;4.葫蘆島市烏金塘水庫管理局，遼寧 葫蘆島 125000)

1 工程總體概述

包括工程概況及補強帷幕灌漿和排水設計:

1.1 工程概況

主要包括:水庫及大壩基本情況，帷幕灌漿原設計和以往施工情況、本次灌漿前壩基防滲帷幕狀況。

1.1.1 水庫、大壩基本情況

葠窩水庫是太子河上的骨干水利樞紐工程之一，壩址上游流域面積6 175 km2，水庫任務是以防洪、灌溉、工業供水為主，并進行綜合發電［1］。

葠窩水庫是大(2)型水利樞紐工程，大壩樞紐主要建筑物為Ⅱ級。水庫按100 a 一遇洪水設計，1 000 a一遇洪水校核(上游觀音閣水庫建成后，在規模，最高水位不變的前提下，校核標準可提高到萬年)。

設計洪水位100.5 m，校核洪水位102.0 m，正常高水位96.6 m，防洪限制水位86.2 m，總庫容7.9 ×108m3，防洪庫容5.78 ×108m3，興利庫容5.08 ×108m3。保護下游農田10.93萬hm2，水庫灌溉面積4.67萬hm2，年供給工業用水1.12億m3，年平均發電量8 000萬kW·h［2］。

樞紐主要建筑物有攔河壩、溢流壩(在閘墩下分別設有6個底孔)、電站(裝機:17 200 kW)3 部分。壩總長532 m共分31個壩段，其中溢流壩段15個，長274.2 m;電站壩段3個，長40.5 m;兩岸擋水壩段13個，長217.3 m。攔河壩段為混凝土重力壩，壩頂高程103.5 m，最大壩高50.3 m，壩頂寬6.0 m。

1.1.2 帷幕灌漿原設計和以往施工情況

葠窩水庫從1971年11月—2001年8月先后完成了1#～31#壩段的基礎處理帷幕灌漿及其加固的工作，設計參數為:

1)防滲設計標準:單位吸水量ω ＜0.01 L/(min·m·m)。

2)揚壓力系數:≤0.3。

3)帷幕孔排數:單排孔(位于壩軸線下游4.8 m處)。

4)孔距:2 m。

5)孔深:1#壩段，巖面下10 m;2～30#壩段，巖面下15 m;31#壩段，巖面下8 m。

6)基巖與混凝土接觸面做了接觸灌漿。

1.1.3 本次灌漿前壩基防滲帷幕狀況

從葠窩壩區工程地質可知，壩址區為古老變質巖，壩基主要由含團塊變粒巖、石英變粒巖及黑云母變粒巖組成。壩基開挖到弱風化巖層面，發現斷層35 條，可見斷層寬度5～180 cm，延伸長度10～200 m不等。

為減小壩基揚壓力，使壩基面滲透壓力和壩基滲漏量降至允許值以內，采用了灌漿帷幕和壩基排水相結合的方式。在樁號0 +04.8 m處設深15 m的垂直防滲帷幕一道。

在灌漿廊道內樁號為0’+05.1 m處共設98個深12 m、向下游傾斜15°角的主排水孔;在排水廊道內樁號為0 +024.2m處共設51個深9 m的副排水孔;在壩基與基巖接觸面水平間隔9 m左右用三角槽設壩基排水管。壩體及壩基內滲水最終匯集到4個集水井中，用水泵抽排到下游壩外［3－5］。

為觀測壩基揚壓力，在3#、5#、17#、23#、25#、壩段的5個橫向廊道內各布置了1個觀測斷面。經對觀測資料的分析，3#壩段和25#壩段的觀測點的水位與上游庫水位同步，且揚壓力數值大，揚壓力折減系數值α ＞0.3，說明這兩個壩段的灌漿帷幕效果大部分失效;5#、17#、23#壩段揚壓力觀測斷面各測點的水位變化比庫水位變化滯后25～28 d，且這些部位的揚壓力數值小，揚壓力折減系數α ＜0.3，說明這些壩段的基礎灌漿帷幕還在起一定的作用。

1.2 本次補強帷幕灌漿和排水設計

通過對揚壓力觀測數據分析和揚壓力系數及壩體穩定計算的結果，并借鑒原有的帷幕灌漿設計及其產生的效果，考慮灌漿帷幕及排水的共同作用，對葠窩水庫壩基帷幕灌漿做如下設計:

1)防滲標準:透水率q ≤3 Lu;

2)揚壓力折減系數α ≤0.3;

3)灌漿范圍:整個壩基。原因是:

距上次帷幕灌漿已有20 a的時間，帷幕中的氧化鈣可能析出，導致帷幕效果減弱。

4)葠窩水庫管理局對河床段設有揚壓力觀測面的其余壩段進行了人工觀測，發現孔內水位值高，揚壓力值大。

5)帷幕中心線:壩軸線下游4.8 m(即原帷幕中心線)。

6)帷幕孔排數:單排孔。

7)孔距:岸坡壩段2#、3#、4#、24#、25#、26#、共6個壩段孔距為1.5 m;(考慮到設置了觀測斷面的3#和25#壩段出現了揚壓力折減系數大于設計值0.3的情況，并且此兩個壩段出現了拉應力，所以對這兩個壩段的布孔加密，以加強帷幕灌漿的效果。

而2#、4#、24#、26#壩段雖然沒有設置觀測斷面，但他們都是岸坡壩段，并且分別和3#、25#壩段相鄰，所以不能確定這4個壩段的揚壓力折減系數在允許范圍內，而不出現拉應力，因此需要對這4個壩段的灌漿帷幕一并進行加強)。

8)其余壩段孔距設置為2 m。

9)孔深:1#壩段孔深為基巖下10 m;2#～30#壩段孔深為基巖下15 m;31#壩段孔深為基巖下8 m。

水庫經過30 a以上的運行，排水孔孔內有泥沙沉淀，而且重新灌漿會堵塞原有的排水孔，使其不能達到正常的排水效果，因此需要對原有的排水孔進行重新鉆孔沖洗工作。

葠窩水庫布置了5個橫向揚壓力觀測斷面，無縱向觀測項目，考慮葠窩水庫是一大型的的病險水庫，因此為全面監測大壩的壩體安全，及時發現壩基帷幕出現的問題，需要對壩基設置一縱向揚壓力觀測斷面，每個壩段設一個觀測點，共增加18個觀測點。

2 對3#、25#壩段揚壓力值偏高的原因分析

2011年葠窩水庫進行了壩基帷幕補強灌漿工程，帷幕線設置于壩軸線下游4.8 m處，帷幕灌漿施工結束后，經檢查質量全部合格，效果良好，有效的降低了壩基巖體的透水性，河床段揚壓力全部符合設計要求(揚壓力系數＜0.3)，但壩肩第3 壩段和第25 壩段經過灌漿前后揚壓力觀測，揚壓力降低不明顯，且灌漿后揚壓力系數仍大于設計要求。

通過進行:①帷幕灌漿效果對3#、25#壩段揚壓力值的影響分析;②壩基排水系統對對3#、25#壩段揚壓力值的影響分析后，認為3#、25#壩段揚壓力值偏高的主要影響因素不是壩基帷幕灌漿的效果和現有排水孔的減壓排水效果，其主要影響因素之一應為左右岸壩肩的工程地質條件。

2.1 對3#壩段壩基揚壓力偏高問題分析

根據已有資料繪制庫水位與壩基揚壓力孔觀測水位歷時曲線，見圖1。曲線圖顯示出壩基揚壓力觀測孔水位并不隨庫水位的變化而變化，兩者之間的相關性微弱，即說明壩基揚壓力不是由庫水產生，可能與右岸基巖裂隙水有一定關系。

圖1 3#壩1 號揚壓力孔觀測水位與庫水位歷時曲線

在綜合分析了3#壩段的滲流條件和斷層導水性后，認為:

3#壩段壩基揚壓力偏高與庫水關系不大，主要受壩基NE 向斷裂構造影響，具有導水性質的F26、F17、F6等斷層將3#壩段壩基與右岸高處基巖裂隙水溝通，形成良好的滲流能道，在地下水滲流作用下，使3#壩段壩體產生了偏高的揚壓力。

2.2 對25#壩段壩基揚壓力偏高問題分析

25#壩段壩基揚壓力偏問題與3#壩段類似。從庫水位與壩基揚壓力觀測水位之間的關系圖(圖2)可見，兩者之間基本沒有直接的水力聯系。

在綜合分析后認為，造成25#壩段壩基揚壓力偏高的原因是幾條斷層溝通了左岸山體高部位的地下水，使高部位基巖裂隙水匯集至斷層帶形成斷層水，并沿斷層破碎帶向低部位滲流，受25#壩體阻水后，產生滲流壓力，作用于壩體底面則產生向上的揚壓力。

圖2 25#壩1 號揚壓力孔觀測水位與庫水位歷時曲線

通過以上分析，初步判斷:

1)單純依靠灌漿帷幕不能有效改善3#、25#壩段不良壩基巖石地質條件下的揚壓力值偏高問題。

2)在灌漿帷幕及排水的共同作用下，3#、25#壩段壩基揚壓力總體呈下降趨勢。排水對降低壩基揚壓力起到了一定的作用。

3)3#壩段壩基揚壓力偏高與庫水關系不大，主要受壩基NE 向斷裂構造影響，具有導水性質的F26、F17、F6等斷層將3#壩段壩基與右岸高處基巖裂隙水溝通，形成良好的滲流能道，在地下水滲流作用下，使3#壩段壩體產生了偏高的揚壓力。

4)造成25#壩段壩基揚壓力偏高的原因是這幾條斷層溝通了左岸山體高部位的地下水，使高部位基巖裂隙水匯集至斷層帶形成斷層水，并沿斷層破碎帶向低部位滲流，受25#壩體阻水后，產生滲流壓力，作用于壩體底面則產生向上的揚壓力。

3 增設排水孔設計

針對以上分析判斷，設計提出用增打排水孔的方法降低兩岸山體水的滲透壓力。增設排水孔分別布置于第2#、第27#壩段灌漿廊道及第3#、第25#壩段觀測廊道的橫向廊道內。垂直孔與斜孔交替布置，根據巖層走向，斜孔與壩軸線夾角為15°，孔距2 m，孔深分別為:垂直孔入巖10 m、斜孔入巖20 m。左岸第2#壩段、第3#壩段布孔平面圖及剖面圖見圖3、圖4、圖5。

第25#、27#壩段采用和2#、3#壩段同樣的方法布設排水孔。

4 增設排水孔施工效果

根據設計要求，增打排水孔后，第3#壩段和第25#壩段揚壓力折減系數值α 均＜0.3，有效的降低了岸坡壩段揚壓力，解決了葠窩水庫岸坡壩段揚壓力長期偏高的問題，達到了設計目的。

圖3 第2#壩段增設排水孔布孔平面布置圖

圖4 第3#壩段增設排水孔布孔平面布置圖

圖5 第2#、第3#壩段增設排水孔布孔剖面圖

新增排水孔降低揚壓力效果(施工前后對比)見表1、表2，(+)代表已壞。

表1 2011年12月22日(新增排水孔施工前降低揚壓力效果)

表2 2011年5月2日(新增排水孔施工前降低揚壓力效果)

［1］黃劍.水管事業單位分類改革探討——以遼寧省葠窩水庫為例［J］.農業與技術，2012(02):171.

［2］王國利，袁晶瑄，梁國華，李敏.葠窩水庫汛限水位動態控制域研究與應用［J］.大連理工大學學報，2008，48(06)892－896.

［3］蔡高堂.弱透水基巖中帷幕灌漿與揚壓力降低效果分析［J］.南昌水專學報，1995(01):23.

［4］楊學祥，李焰.三峽大壩基礎帷幕化學灌漿技術及其效果分析［J］.水利與建筑工程學報，2006，4(01):44－47.

［5］鄭東健，曹邱林，王健.混凝土壩最大揚壓力的分析研究［J］.長江科學院院報，2002，19(03):13－14.