伏流河段上游小型水庫的壩基開挖及防滲處理

張望舒 李春一

（河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098）

喀斯特地貌在世界各地的可溶性巖石地區廣泛分布，地貌的構造巖石按成分主要分為碳酸鹽巖、硫酸鹽巖以及鹵鹽巖類，在巖溶地區其所占面積更是達到了地表總面積的10%。 喀斯特地貌在我國西南的大部分地區（廣西、重慶、云南、貴州）較為常見， 而我國西南的大部分地區均處在亞熱帶季風性濕潤氣候地帶，每年雨季的到來往往會帶來長時間且豐富的降水，由于可溶性巖石特殊的物理化學特性， 往往給當地河流的河床結構以及周圍山體的穩定性帶來較多的不確定性。

伏流是河流從地表流動的狀態轉至地下運行的形態，通常包含進出口、伏流洞及上覆山體幾部分。 伏流形成的地質原因，通常認為是天然狀態下河流為適應最低侵蝕排泄基準面， 被河床下方暗河或管道水襲奪潛入深部的結果， 其進出口往往伴隨有較為強烈的溶塌作用。 伏流多發育于石灰巖塊狀較厚的地區，不僅河床坡降較大， 同時在地面的交界處存在著長期以來發展的橢圓形斷口。由于地質構造等其他復雜因素，伏流河段周圍的山體有時會殘留較老的河床面。 從地形上看，伏流河段建壩不僅能減少大壩的整體造價，同時也可造就優美的人文景觀。

1 伏流河段地質條件以及伏流河段建庫的必要性

喀斯特巖溶地區伏流河段常見有不良地貌的發育，由于長期暴露的風化作用，周圍山體表層往往覆蓋著大量的殘積紅土。在亞熱帶暖濕氣流的作用下，夏季會出現大量長時期的降水，對周圍的山體進行剝蝕，這將會嚴重影響周圍山體的穩定性，在某些極端條件下甚至會產生泥石流等自然災害。 泥石流的產生會使上、下游古河床底部被掩埋或覆蓋，因而喀斯特地貌典型區域的河床底部常會淤積著大量的紅土， 使得處理壩基問題更為困難。

由于巖溶地區獨特的地質條件，地下溶洞、落水洞在該地區非常常見， 而底下溶洞往往會在河床兩岸之間的部分相互穿插， 這進一步加深了伏流河段河床以下基巖分布以及受力的復雜性。

近年來，我國大力發展水利建設，地域遼闊、水資源儲量豐富的西南地區自然成為了我國水利建設大發展的重點區域。 而西南地區獨特的地理地貌條件給壩址的選擇帶來了較大的困難，我們不應只是要把易開發、地理條件優越的地段開發出來，也不能忽略地質條件相對較差地區的豐富的水資源儲量。 伏流河段的水資源開發與利用成為了歷史之必然。

由于重力壩本身的構造關系，在壩基面往往會存在較大的荷載。由于巖溶地區獨特的地質環境，基巖在長期的地質構造過程中巖石與巖石之間的完整性和連續性往往會受到較大的破壞，會對巖石的強度和抗滲能力造成影響。所以我們必須對巖石進行一系列的處理，使之具有足夠的抗滲能力、較為良好的一致性和均勻性，以及耐久能力，以防止在滲流的長期侵蝕作用下導致基巖的理化性質發生變性（泥化現象等）。

2 壩基開挖注意事項

為了使大壩能夠建立在完整堅硬的基巖上，我們必須對基巖表面的風化松動的石塊以及風化層加以去除。 由前文所述，由于巖溶地區周圍山體的獨特構造條件， 在河床處往往淤積著大量的殘積紅土，殘積紅土有著較大的吸水性，再加之西南地區氣候濕潤，沉積在河床底部的紅土往往有著較大的密度，使得傳統的人力開挖變得不現實，必須依靠重型機械來進行合理開挖。 壩基開挖的深度要求，應根據壩基自身的受力情況、巖石強度以及完整性，結合上部結構對基礎的要求來綜合確定。 由于基巖上部長期殘留著較厚的紅土層，使得壩基部分的巖石風化較弱，保持較良好，開挖到紅土層底部后，不需要對基巖進行過于復雜的處理。 高壩對基巖的開挖程度較高，而中低壩則相對較低。

壩基開挖的邊坡必須保持穩定，在巖溶地區的邊坡常伴有大量松軟的殘積紅土和多年生灌木， 需對邊坡周邊的環境進行完整的觀察分析， 對于基巖穩固的邊坡只需對其上方覆蓋的土壤進行清理即可， 而對于呈獨立塊狀并在較短的一個時期內有明顯滑移的邊坡，則不光要進行上方的積土清理。 對于獨立基巖塊數多、個體小的，需要進行爆破處理；而獨立基巖相對較少、個體較大的則需要進行錨固， 填補獨立巖石之間的縫隙并在表面布置鋼絲防護網。 為保持壩體的抗滑穩定，應開挖成水平或向上游傾斜的斜面；兩岸岸坡應開挖成臺階形，以利于壩塊的側向穩定；基坑開挖輪廓應盡量平順，避免有高差懸殊的突變，以免應力集中造成壩體裂縫； 在距基巖相對較近的地底若存在軟弱夾層，也應一并挖除。

為保持基巖的完整性，應分層開挖且應考慮到可能存在的地下暗河將深層巖與基巖之間的空隙填充使得壩基面的抗震能力減弱。 當開挖到距設計高程0.5-1.0 米的巖層時，宜用手風鉆造孔，小藥量爆破。 如巖石較軟弱，也可由人工借助除風鎬清除。

當開挖工作完成后， 還需要對巖石表面進行徹底的清洗，清除破碎、松動的石塊，對突出的尖角進行磨平處理。

3 防滲帷幕的構建

3.1 帷幕灌漿的防滲標準

由于巖溶地區地下流網的復雜性和豐富性，在壩基面往往會產生較大的揚壓力，對壩體的整體抗滑穩定性產生不利影響，所以必須對壩基的滲流問題作出相應的處理。 在進行灌漿帷幕設計時，需要針對巖溶地區的獨特地質條件來確立防滲標準。 只有合適于這種獨特地貌的防滲標準， 才能有效判斷是否應該設立防滲帷幕以及灌漿范圍。 而在此問題上國內并無十分嚴格的準則，灌漿帷幕的設計很大程度上依賴于設計者的整體把握。

我國1978年頒發的《混凝土重力壩設計規范》（試行）中規定，在防滲帷幕體內，巖體的透水性根據不同壩高應降低到下列單位吸水量（w）值：

低壩（壩高小于30m）W＜0.03-0.05/（min.m.m）

中壩（壩高等于30～70m）W=0.01-0.03/（min.m.m）

高壩（壩高大于70m）W＜0.01/（min.m.m）

而在國內外的實際工程上， 對于該問題的看法并不統一。而較為常用的方法是針對該單一伏流河段基巖的巖性， 通過巖石的透水性實驗來進行針對性細節的擬定。

3.2 灌漿帷幕的位置

擬定灌漿帷幕的位置，既要防止巖溶地區相鄰巖層之間的錯動使灌漿帷幕因受拉斷裂而失效， 又應使防滲帷幕能夠較好地防止壩基巖石受到滲流的破壞。 一道有效帷幕的建立，將在防滲帷幕的前端出現很高的壓力水頭，若其太靠近下游，則會使上游方向大量的壩基巖石處在高揚壓力和孔隙水壓力不利狀態下，對壩和基巖的穩定極為不利。 為滿足前一要求，應盡量將帷幕后置在距拉應力區較遠的位置上；為滿足后一要求，使得較多的基巖處在帷幕的保護之下，則應盡量向前緣移置。

重力壩的壩體較厚，壩基較寬在，設計時一般不允許在底面上存在拉應力區。 在我國， 多放在距上游壩面4～8m 的廊道內，看來也有必要再向上游移動一些。在巖溶地區的特殊地理條件環境下， 應根據壩基下巖層的構造來做適當的調整以保證整體結構的穩定性。

3.3 灌漿帷幕的深度與范圍

按照目前國際上較為主流的觀點，灌漿帷幕的作用主要是將較大的滲流通道堵塞，從而有效地減少滲流流量，但是降低壩底揚壓力還是需要依靠排水解決。 所以，確定有效的防滲帷幕的深度與范圍，對于減少滲流流量是非常關鍵的。

在巖溶地基及其他可能存在大型通道的地基上建壩，過去的許多經驗往往不能再繼續借用。 過去在巖性較為良好的地基上建壩的經驗告訴我們， 較大的巖溶通道漏出的水占據了總漏水量的絕大部分。所以只要能夠找到這些較大的巖溶通道，漏水問題基本就能得到解決。

以往，在巖溶十分發育的地區，防滲帷幕的深度常常會達到這個壩高的2～3 倍。若該地段巖溶并不十分發育，依然可以使用在非巖溶地區構建防滲帷幕的經驗去建立。 當防滲帷幕的深度大于100m 時，須在巖體中開挖隧洞，分層施工。

3.4 灌漿孔排數、距離以及鉆孔方向的選擇

無論是高壩還是低壩，只要能用孔距1.5～3.0m、一排灌漿孔能達到規定防滲標準的，就可采用一排孔，否則，就需采用多排孔。基巖狀況決定了灌漿的孔數排數，而與壩的高低無較大關聯。

從過去建壩的灌漿經驗中可以看出，在某些承受能力極弱的巖層中灌漿，常常因承受不住很高的壓力，導致行漿較近，擠密較差，一排孔難以達到規定的防滲要求（壩越高，規定的防滲標準越高，越難用一排孔達到）。 為達到規定的防滲標準，常常會先做1～2 排壓力較低的防滲孔，然后再布置壓力較大的防滲孔。防滲帷幕和基巖中的裂隙夾角較大時， 則可以考慮用上述方法做成二排或三排灌漿孔，能夠取得更好的成效。 如圖1 所示。

由于喀斯特巖溶地貌區別于其他的典型特性，在伏流的上游地底往往會存在較大的地下暗河或裂隙， 這樣的暗河或裂隙常呈多層狀水平或小傾角分布。 由于水流有流動的特性，地下暗河往往呈自上而下從高到低的發育。 為了使防滲帷幕能夠穿過較多的裂隙，同時保證帷幕和周圍巖體的相對穩定，我們需要在兩種可能發生的情況下找到一個平衡點：若主要裂隙傾向上游，這時就不宜追求鉆孔多穿過裂隙，而應使鉆孔向下游傾斜。 曾有人把帷幕比作一座“地下壩”，如果帷幕是高度阻水的，在帷幕之后有良好的排水措施將水排干之后， 就會使帷幕承受很大的水壓力。 但傾向下游同時也對排水孔的布置以及減小揚壓力不利。因此，除非迫不得已，一般都不宜將帷幕向下游傾斜。

3.5 基巖中構建混凝土防滲墻

由于壩體坐落在巖溶十分發育的石灰巖地基上，在防滲處理中，除主要用帷幕進行防滲以外，在某些部位還挖除填充物，回填混凝土，用混凝土防滲墻進行處理。

4 結語

本文基于筆者對喀斯特巖溶地貌的了解以及合理的理論論述提出了一些可能有效的解決方案，但在國內，對巖溶地區建庫的相關規律的研究實屬空白， 尚未提出一個廣泛使用且合理可行的解決方案。 但是在水利建設大發展的今天，若忽視對水資源儲量豐富的西南地區的水利開發，必然會造成極大的浪費。 在今后，我們的研究將著力于該地區建庫的地基處理的試驗。

[1]王思敬.壩基巖體工程地質力學分析[M].北京：科學出版社，1990.

[2]左東啟.水工建筑物[M].河海大學出版社，2003.

[3]羅慶富，黃冬梅，顧金水.某巖溶地區伏流建庫的主要問題初步研究[J].山西建筑，2007.

[4]繆啟龍.現代氣候學[M].氣象出版社，2010.

[5]袁光裕，胡志根.水利工程施工[M].中國水利水電出版社，2014.