馬巖洞水電站防滲帷幕工程設計

劉小龍，王兆括

摘 要：馬巖洞水電站壩址水文地質(zhì)條件復雜，為降低壩基的滲透壓力，有效控制壩基及繞壩滲漏，確保大壩及其他水工建筑物的安全運行，在大壩壩基基礎及壩肩兩岸設計了總長為360.80m、總防滲面積為21.10萬m2的防滲帷幕。文章重點介紹該水電站大壩防滲帷幕工程的結(jié)構(gòu)、設計原則、灌漿參數(shù)等。

關鍵詞：水電站；防滲帷幕；設計

1 工程概況

馬巖洞水電站位于重慶市彭水縣境內(nèi)郁江中游河段，與湖北省毗鄰，公路里程距重慶市340km，距彭水縣城58km，是一座以發(fā)電為主的水利水電樞紐；水庫正常蓄水位350m，總庫容0.296億m3；電站裝機容量66MW。

防滲帷幕線貫穿重力壩，并向兩岸延伸布置。防滲帷幕線總長360.80m，工程總防滲面積21.10萬m2。

2 地質(zhì)概況

馬巖洞水電站壩址區(qū)出露地層從右岸至左岸依次為：泥盆系上統(tǒng)水車坪組（D3s）灰白色中厚層至厚層細粒石英砂巖；二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）含炭質(zhì)頁巖、鋁土質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖；棲霞組第一段（P1q1）深灰色中厚層至厚層含泥（炭）質(zhì)灰?guī)r；棲霞組第二段（P1q1）深灰色中厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r互層，夾薄層至中厚層含炭質(zhì)鈣質(zhì)泥巖；棲霞組第三段（P1q3）深灰色中厚層至厚層灰?guī)r；茅口組第一段（P1m1）深灰色中厚層夾薄層瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r夾泥巖，常含絹云母條帶；茅口組第二段（P1m2）灰色厚層至巨厚層狀灰?guī)r夾燧石團塊及強硅化灰?guī)r。河床主要以裂隙、溶蝕裂隙的分散滲漏為主。左壩肩330m高程以下基巖裸露，巖體較完整。340m高程以上P1m1、P1m2巖體由于構(gòu)造擠壓呈碎裂結(jié)構(gòu)，近岸坡段有卸荷松弛現(xiàn)象。由于地下水的長期活動，P1m2巖塊間基本無膠結(jié)物，似散體狀；P1m1巖體內(nèi)的泥巖夾層軟化、泥化嚴重，強度及變模均低，為防止庫水繞滲及P1m1碎裂巖體抗?jié)B穩(wěn)定的需要，壩肩需設置防滲帷幕，帷幕接地下水位。右壩肩基巖裸露，P1q1厚層含泥質(zhì)灰?guī)r，下臥P1l泥巖。為防止庫水繞滲及J1夾層的抗?jié)B穩(wěn)定要求，壩肩需設置防滲帷幕，帷幕接梁山組泥巖。

防滲帷幕線主要通過茅口組下段（P1m1）中厚層灰?guī)r及薄層至中厚層瘤狀泥灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r互存地層；茅口組上段（P1m2）厚層塊狀灰?guī)r，其巖溶裂隙發(fā)育、管道含水豐富，透水強烈。帷幕線主要穿過的地質(zhì)構(gòu)造有J1 、J2 、J3 、J4、J5 夾層。

3 設計原則

原則一：為保大壩、其他建筑物安全運行，需要減少大壩根基的滲透壓和繞壩滲漏。

原則二：為讓滲漏量不會影響到水電站的正常工作，需要有效對巖溶管道性的滲漏通道進行攔截。

原則三：本區(qū)域的巖溶發(fā)育不一致，利用這一特點防滲內(nèi)幕線應該盡可能選擇在發(fā)育程度弱且位置明確的地段，同時地質(zhì)結(jié)構(gòu)不復雜，最大限度減少防滲工程量和施工的難度。

4 防滲帷幕的設計分析

4.1 關于防滲線路的有效設計

在綜合考慮到巖層趨勢及地層分析的開發(fā)部下，左、右岸防滲內(nèi)幕線端點分別接地下水位線、隔水層（P1l）地層，同時是以把頭最近距離進行連接。簡單來說，左岸從壩頭起，以N65.5°W，往山體伸長30m后和P1l進行連接，右岸從壩頭起，以N65.5°W，往山體伸長175m后和地下水相接，全長360.80m。

4.2 防滲帷幕堤線設計

右岸相對隔水層P1l較淺，其帷幕底線伸入相對隔水層P1l5m，形成接地式帷幕；河床及左岸由于相對隔水層P1l埋藏較深，河床考慮1/2壩高，左岸考慮地下水位線以下30～40m，形成懸掛式帷幕。

4.3 防滲結(jié)構(gòu)設計

（1）灌漿隧洞的相關布置

帷幕總共有120m深，這深度還是比較大的，因此，為了可以保證灌漿質(zhì)量，同時降低施工難度，一般來說，灌漿隧洞需要按照二層進行布置（分別長355m、289m），總長為297m。同時，為可確保上層、下層灌漿質(zhì)量采用直孔式進行連接。

（2）隧洞結(jié)構(gòu)相關設計

由于隧洞的結(jié)構(gòu)形式不是統(tǒng)一不變的，會隨著地質(zhì)條件不同而有所不同，為防止高壓灌漿時隧洞地板抬動有可能會破壞，因此在隧洞地板處要設置抗抬錨桿。

（3）灌漿隧洞回填及固結(jié)灌漿的設計

一般而言，要運用固結(jié)灌漿加強圍巖承載能力，這主要是考慮圍巖與襯砌混凝土一起承擔壓力，要加強兩者的膠結(jié)；同時，下層要采用固結(jié)灌漿來保證上層、下層的部位連接。

灌漿隧洞回填灌漿：間距3m純壓式灌注式，在土襯砌頂拱的九十度范圍內(nèi)拱中心線1孔、拱座2孔間隔布置孔深入巖5～10cm。

固結(jié)灌漿：間距3m循環(huán)式灌注。斷面布設7孔，深3m；搭接固結(jié)設3孔，深分別為3，5，7m。

4.4 防滲帷幕灌漿參數(shù)的設計

參數(shù)的廊坊市是以現(xiàn)場實驗和地質(zhì)條件，包括巖溶發(fā)育規(guī)律等特點進行綜合分析后得出的。灌漿的順序原則：下游排-上游排；Ⅰ續(xù)孔-Ⅱ續(xù)孔-Ⅲ續(xù)孔。

根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SD5108-1999）規(guī)定，與實際的工程情況有機結(jié)合，以不同部門所承受壓力的大小明確不同防滲的標準。

5 灌漿試驗

5.1 室內(nèi)漿材試驗

室內(nèi)漿材主要進行水泥摻粉煤灰漿液的研究，分別進行了摻粉煤灰（25%，30%，35%，40%）和摻外加劑木鈣（0.2%，0.25%）檢測水泥漿的密度、強度、彈性模量、抗?jié)B性、黏度及穩(wěn)定性試驗。漿液水膠比為0.5、0.6、0.7、0.8。試驗結(jié)果表明：

（1）水泥漿液中粉煤灰摻量小雨30%時，抗壓強度、抗?jié)B性均不降低；粉煤灰摻量大于30%時，抗壓強度、抗?jié)B性能隨摻量的增加而降低。

（2）水膠比大于0.8、粉煤灰摻量小于30%時，漿液析水率大于5%，為不穩(wěn)定漿液，粉煤灰由于比重小而出現(xiàn)分離現(xiàn)象。

（3）木鈣的摻量為0.2%是，漿液密度、抗壓強度均比摻量為0.25%時稍高，漿液析水率也比摻量為0.25%時高，漿液穩(wěn)定性差；而流動性能比摻量為0.25%時也差。

（4）灌漿漿液推薦配合比。

5.2 現(xiàn)場試驗

試驗地段選在帷幕線上，現(xiàn)場試驗分2個區(qū)：第1區(qū)在左岸355m頂層灌漿隧洞樁號0+238.3～0+253.3之間茅口組下段（P1m1）及茅口組上段（P1m2）地層中；第2區(qū)在右岸355m頂層灌漿隧洞樁號0-001.695～ 0-009.695之間二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）及棲霞組第一段（P1q1）地層中。

第1試驗區(qū)布置2排7個不同孔距（2m，2.5m）的帷幕灌漿孔，3孔40m、4孔96m，其中檢查孔2個，抬動孔2個、物探孔3個（中間一個兼長期壓水試驗）。第2試驗區(qū)布置一排4個不同孔距（2m，2.5m）的帷幕灌漿孔，孔深35m，其中檢查孔1個，抬動孔1個、物探孔2個（中間一個兼長期壓水試驗）。試驗采用"自上而下、小口徑鉆進、孔口封閉、不待凝、孔內(nèi)循環(huán)高壓灌漿"工藝最大灌漿壓力3.5MPa。

現(xiàn)場試驗說明了以下的問題：

（1） 高壓灌漿所形成的帷幕可滿足滲流控制標準及設計的要求（孔距2m、巖溶及擠壓破碎帶采用排距1m）。

（2） 低水灰比漿液高壓灌注具有以下優(yōu)點：提升耐久度、降低棄漿、提升施工的工作效率。

（3） 通過監(jiān)測得知，高壓灌漿對襯砌機構(gòu)不存在很大的影響，但對于固結(jié)灌漿對襯砌結(jié)構(gòu)影響還是比較大的。

（4） 由于高壓灌漿對襯砌地板抬動的幅度會比較大較大，所以要運用濃漿灌注，同時對壓力進行合理的控制。

6 帷幕灌漿施工主要技術要求分析

第一，其工藝為自上往下、小口徑鉆進、孔內(nèi)循環(huán)高壓灌漿。

第二，一般來說，帷幕灌漿要在隧洞回填、固結(jié)灌漿檢驗完成合格后才可進行，同時要注意壩基、壩肩部位的混凝土覆蓋厚度要達到三十米左右。

第三，灌漿材料包括：

水泥：重慶產(chǎn)，P.O42.5普通硅酸鹽水泥。細度通過80μm方孔孔篩的篩余量不大于5%；

砂：天然或人工砂，質(zhì)地清潔且硬，粒徑小于等于2.5mm；

粉煤灰：Ⅰ級灰；

外加劑：檢驗合格的木鈣緩凝減水劑。

第四，鉆孔。回轉(zhuǎn)式及金剛石鉆頭進行，始孔徑大于等于76mm，終為56mm。如果偏差大于10cm的要注意每鉆一個灌段都要進行一次孔斜、方位角測量。最大允許偏差執(zhí)行，終孔方位角的偏差要小于3°。

第五，分段灌漿壓力。

第六，變漿標準：①當某一級水灰比的吸漿量超過300L且灌漿壓力及注入率均無明顯改變時，漿液可加濃一級。變漿后如壓力突然增或注入率突減，應立即查明原因進行處理，并報告監(jiān)理工程師。②當注入率大于30L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃。

第七，灌漿壓力和注入率關系。

第八，特殊孔段的灌漿處理：遇巖溶管道時，采用大口徑鉆孔回填混凝土，后進行高壓灌漿；當灰量單耗大于2t/m時灌漿無法結(jié)束，可用低壓、濃漿、限量、限流、間歇灌漿。

第九，質(zhì)量方面的檢查：

灌漿質(zhì)量：主要是以分析壓水的試驗結(jié)果為主，以灌漿資料等為輔助進行綜合的評定；

灌漿檢查：孔巖心采取率大于百分之九十，同時進行地質(zhì)上的描述；

帷幕灌漿質(zhì)量壓水試驗：單點法，壓力=1.0MPa（高程灌漿隧洞），透水率=q≤5Lu，壓力=2.0MPa（289m高程灌漿隧洞以下），透水率=q≤3Lu；

孔段合格率：混凝土和基巖接觸段，包括下一段為百分之百，其他的則需要保持在百分之九十以上的合格率。

7 結(jié)束語

巖溶地區(qū)防滲帷幕的處理，不管是由結(jié)構(gòu)分布、工藝或是灌漿材料等各個方面都有一定特點。現(xiàn)在對巖溶地區(qū)的大壩防滲帷幕處理設計、施工提出以下幾點體會、認識。

第一，因為巖溶地區(qū)地質(zhì)條件是非常復雜的，而且因為受到之前勘探工作的一些制約與影響，一般來說，兩岸的防滲處理的范圍是很大的，應該在招標、施工的階段就要充分運用物探技術進一步說明巖溶的發(fā)育情況，針對性處理，控制工程的投資。

第二，滲帷幕灌漿所運用的是小口徑鉆進、孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)的技術，不單單可以最大限度滿足防滲帷幕設計要求，更可在一定程度上提升鉆灌效率、減少棄漿，節(jié)約施工時間與資金，加大其耐久率。

第三，此工程屬于地下的、隱蔽的工程，因此，灌漿耗灰量控制是需要大家所一起討論的問題。不管采用何種方式與計價的形式，其關鍵點在于施工過程中的控制方法要盡量減少由于人為在因素所造成的影響，最大限度控制施工的質(zhì)量與工程的投資。

參考文獻：

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