向家壩水電站壩基變形控制與防滲抗滑處理

潘江洋,馮樹榮,張永濤,曾祥喜,周紅波,鄒陽生

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,湖南長沙410014)

向家壩水電站壩基變形控制與防滲抗滑處理

潘江洋,馮樹榮,張永濤,曾祥喜,周紅波,鄒陽生

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,湖南長沙410014)

對向家壩水電站壩基地質情況及壩基處理措施作了全面介紹,提出了向家壩壩基大型破碎帶開挖、存留和處理超出已有工程經驗,但現有計算分析方法仍然適用；重力壩壩基變形控制、防滲、抗滑相互關聯,穩定、應力、變形、滲流分析和工程處理措施均應統籌考慮；滲透穩定的影響因素除滲透坡降外,大滲流量情況還應關注地下滲流的沖刷作用,在壩基揚壓力受控的前提下,可調控出水量大的排水孔以減小、均化排水量,降低滲流流速,保證滲透穩定。

高重力壩；破碎帶；軟弱夾層；透水性；帷幕；壩基處理；向家壩水電站

1 工程概況

向家壩水電站是金沙江梯級電站的最末一個電站,裝機容量6 400 MW。攔河大壩為混凝土重力壩,最大壩高162 m。泄水壩段與下游消力池、廠房壩段與下游壩后廠房的防滲、抗滑統籌考慮,為一體化設計。大壩設計和校核地震基巖水平峰值加速度代表值分別為0.230g、0.287g。

壩址區基巖主要為三迭系上統須家河組的砂巖夾泥質巖,巖石軟硬相間,巖性巖相變化大,交錯層理發育。壩基巖層分布見圖1。

壩址位于一短軸背斜東傾伏段,發育有NW向的立煤灣膝狀撓曲及其核部破碎帶、左岸擠壓破碎帶、較多層間錯動形成的破碎夾層、數條小斷層,節理裂隙較發育。壩基巖層向三面傾斜,產狀變化非常大。壩址地質構造條件復雜,構造形態特殊,結構面發育,巖體完整性較差。壩區地質構造見圖2。

圖1 壩基巖層分布

圖2 壩區地質構造

(1)立煤灣膝狀撓曲和壩址巖層產狀。立煤灣膝狀撓曲是壩址的主干構造,從西北斜貫壩址,軸線走向330°左右。其SW翼展布于壩址右岸與河床右側,巖層走向NE、傾向SE(即右岸偏下游)、傾角15°～20°；NE翼展布于壩址左岸與河床左側,巖層走向NW、傾向NE(即左岸偏下游)、傾角20°～30°。核部巖層近南北走向,大體傾向下游,傾角大于40°,局部近于直立,巖層向三面傾斜,且傾角變化較大,其剖面形態類似膝蓋,軸面產狀走向NW、傾向SW、傾角30°～40°。撓曲核部因巖層的單層厚度變薄、層間錯動破碎夾層和節理裂隙發育,巖體破碎,形成撓曲核部破碎帶,主要為碎裂結構和碎塊結構砂巖,夾較密實的碎屑狀結構的巖體,其寬度為40～ 70 m,鉛直厚度為10～66 m。

(2)左岸擠壓破碎帶。左岸擠壓破碎帶經構造擠壓和地下水的作用而形成,從左岸非溢流壩段延伸至主河床的泄水壩段,與撓曲核部破碎帶交匯。總體產狀：走向20°～30°,傾向SE,傾角15°～30°。破碎帶中心的巖體主要呈碎屑狀或夾少量碎塊狀結構,最大厚度10 m,一般厚度1～4 m。

壩址區基巖地下水屬孔隙-裂隙水,壩址巖體透水率主要介于3～30 Lu之間,個別孔段透水率在60 Lu以上。壩基相對隔水層埋深大,200 m深度范圍內無穩定分布的相對隔水層。

壩基各類巖體和結構面的物理力學參數、允許滲透坡降見表1～3。

2 工程存在的問題

(1)壩基承載與變形控制。壩基、不良地質體開挖置換齒槽建基面均需滿足相應的承載力要求,需對破碎帶、軟弱巖帶和夾層等進行處理,同時調整大壩體型和基底應力,使基巖承載力滿足要求。撓曲核部破碎帶和左岸擠壓帶變形模量低,厚度大,承載后將產生較大的壓縮變形。壩基變形無直接控制指標,但須防止影響大壩正常運行的不利變形,尤其是不均勻變形。

表1 各類巖體的強度參數

表2 結構面抗剪(斷)強度參數

表3 軟弱結構面的允許滲透坡降

(2)壩基滲透穩定。大壩建基面以下存在軟弱夾層、開挖后存留的撓曲核部破碎帶和左岸擠壓帶、節理裂隙等不良地質構造,其允許滲透坡降低；同時,壩基巖體透水性較強,帷幕深度難以達到相對隔水層,蓄水后壩基滲流量大,軟弱巖帶和結構面在高水頭和大滲流作用下滲透穩定問題突出,是影響工程安全的首要問題。

(3)壩基深淺層抗滑穩定。在庫水推力作用下,壩基傾向下游的軟弱夾層、左岸擠壓帶與下游抗力體滑移剪出面構成雙滑面滑動模式；撓曲核部破碎帶緩傾上游,形成單滑面滑動模式。

上述3個問題,壩基承載力、滲透穩定和抗滑穩定必須保證,壩基變形則須控制其時間、空間分布,防止產生影響工程正常運行的不利變形。

3 壩基承載與變形控制

壩基承載、變形分析和控制措施設計與抗滑穩定、滲透穩定控制統籌考慮。

壩基開挖后仍然存留有部分破碎帶、較多的軟弱夾層等不良地質體,其變形模量、抗剪強度、允許滲透坡降均低,設計在對不良地質體進行處理的同時,考慮擴大壩基,以降低建基面應力,同時延長滑面。具體措施為

3.1 壩基承載與變形控制措施

3.1.1 大型破碎帶開挖置換和壩踵齒槽設計

圖3 河床升船機壩段～泄水壩段左岸擠壓帶和撓曲核部破碎帶開挖置換示意

(2)撓曲核部破碎帶。撓曲核部破碎帶緩傾上游偏右岸,沿其軸線開挖斜齒槽置換混凝土,齒槽貫穿泄水壩段壩基,延伸至右消力池,深度37 m,底寬50 m左右。開挖后,撓曲破碎帶大部分被挖除,槽底泄4～泄6壩段壩踵部位保留有破碎帶3 039 m2,最大厚度53 m,泄水壩段齒槽邊坡和底面分布的破碎帶占齒槽建基面總面積的23.14%,泄7壩段以右齒槽上游撓曲破碎帶均存留在壩基內,但其壩踵埋深大于28 m,且厚度變小。撓曲核部破碎帶開挖置換情況見圖3。壩基變形、抗滑和防滲均需重點分析存留的破碎帶影響,并針對性采取措施。部分壩段設置壩踵齒槽挖除破碎帶和軟弱夾層,可通過齒槽混凝土將壩踵應力傳遞至較好巖體上,同時提高了滑面綜合抗剪強度,并利于防滲。河床左側開挖置換齒槽下游抗力巖體具有較大的厚度,存留的擠壓帶埋藏較深；由于撓曲核部破碎帶緩傾上游,齒槽尾部均開挖至Ⅲ類巖體,置換混凝土與下游Ⅲ類巖體相接,有利于抗滑穩定。

3.1.2 擴大壩基

大壩上游面中下部設置1∶0.2～1∶0.55的壩坡,下游壩坡設為較緩的1∶0.75～1∶0.8,以擴大壩基。左岸河床非溢流壩段、壩后廠房壩段、泄水壩段壩底寬與壩高之比在1∶1以上；左岸岸坡壩段壩趾與壩后山體之間回填一定厚度的混凝土。上述擴大壩基措施減小、均化了基底應力,同時延長了壩基滑面長度,有利于抗滑穩定。

3.1.3 建基面附近軟弱夾層處理

對壩基出露的厚度較大或構成控制性滑面的緩傾角軟弱夾層,予以順層挖除,置換為倒梯形填塘混凝土,對其他夾層、斷層刻槽設置混凝土塞。

3.1.4 壩基固結灌漿

根據壩基受力特點、地質條件,分6個區布置固結灌漿,最大深度30 m。固結灌漿主要為提高壩基承載能力,減小變形,并提高抗滲透破壞能力,同時因灌漿范圍內巖體強度提高,對抗滑穩定亦有益處。

3.1.5 齒槽回填混凝土縱橫縫、壩段橫縫灌漿并縫

為使齒槽回填混凝土形成整體,向周邊傳力,形成三維受力結構,均化槽底和側坡應力,并提高抗滑穩定整體安全度,對壩踵齒槽、不良地質體開挖置換齒槽回填混凝土縱橫縫進行灌漿并縫。為提高相鄰壩段承載、抗滑的整體安全度,對大壩壩段分組進行灌漿并縫。

3.2 壩基承載和變形分析

大壩基底應力計算采用傳統的材料力學方法,同時輔以線彈性及非線性有限元計算。壩基變形分析采用有限元方法,并與假設的Ⅲ1類均質理想地基進行比較。按照計算結果制定建基巖體質量要求和驗收標準,壩基開挖處理完成后,根據實際情況進行復核計算,大壩建基面和齒槽底部應力均小于相應部位基巖允許承載力,壩基變形量值和分布符合一般規律,均在可接受的范圍之內。

4 抗滑處理與穩定分析

4.1 抗滑處理措施

因壩基處理措施統籌考慮,抗滑措施大多已在3.1中表述,其他措施主要為加強壩基防滲排水降低揚壓力。

向家壩工程尾水位高、壩基寬大、滑面長,揚壓力是影響抗滑穩定的主要因素之一。相比常規設計,加深加厚防滲帷幕,設置主副排水孔和抽排水系統,以降低壩基揚壓力,廠房壩段和泄水壩段抗力體滑移剪出面揚壓力也得以折減。加強排水對壩基滲透穩定有不利影響,需綜合考慮。

4.2 壩基抗滑穩定分析

大壩建基面和壩基深層抗滑穩定以剛體極限平衡法為主、以非線性有限元法為輔進行分析。剛體極限平衡法采用抗剪斷公式,平面非線性有限元安全度分析采用材料強度儲備法。

各種工況下,剛體極限平衡法計算各代表性壩段抗滑穩定性均滿足規范要求,且有一定富余；非線性有限元計算各壩段強度儲備系數為2.8～4.8,根據不同計算方法的結果比對分析和工程類比,滿足大壩安全要求。

對壩基主排水孔處揚壓力強度系數α1進行敏感性分析,以探求人為控制壩基排水量,適當加大壩基揚壓力對大壩抗滑穩定的影響。上游主排水孔處α1設計采用0.2,敏感性分析取0.4、0.6,副排水孔處α2采用0.5不變。計算結果顯示,各典型壩段上游主排水孔處α1加大至0.4、0.6時,建基面和壩基深部控制性滑面揚壓力加大,壩基抗滑穩定安全系數有所降低,但由于大壩底寬大,α1加大只引起壩基上游小范圍揚壓力變化,壩基應力和抗滑穩定仍滿足規范要求。

5 防滲處理與滲流分析

5.1 防滲處理措施

根據向家壩水電站壩基200 m深度無相對隔水層、巖體透水性較強的水文地質特性,以及尾水水位高、浮托力大的特點,防滲帷幕采用較深的懸掛式帷幕,設置主副排水孔,堵排結合進行滲流控制,以減小滲流量、降低壩基揚壓力,同時保證滲透穩定。結合抗滑穩定需要,對不同的上下游帷幕深度、幕體厚度、帷幕分區、主副排水孔布置和深度,以及各種組合方案進行了滲流分析,優選設計方案如下。

圖4 帷幕平面布置示意

圖5 上游帷幕和防滲墻剖面示意

5.1.1 防滲帷幕

布置上游帷幕形成封閉防滲,為減少滲流向低部位匯集,并便于分區管理和運行,設置分隔帷幕將壩基、壩后廠房、消力池分為7個防滲排水區。各分區之間相對封閉,由于各區建基面高程不一,分隔帷幕深度有限,分區之間并未完全隔絕滲流連通,通過三維滲流分析進行分區設計,包括分隔帷幕設置位置和深度等。兩岸壩肩帷幕布置：右岸與地下廠房防滲帷幕連接；左岸根據三維滲流分析成果,壩頭帷幕延伸至山體內330 m。

上游帷幕深度河床壩段為0.9～1.14倍壩前水頭,最大孔深173 m；岸坡壩段為壩前水頭的0.7。左非9～右非7壩段均平行布置3排帷幕孔,其中兩排孔深至設計幕底,另一排孔深為主帷幕孔深的0.5～0.7；其他壩段布置2排帷幕孔。

下游帷幕深度為下游水頭的0.6,布置兩排帷幕孔,背水排孔深約為迎水排孔深的0.7。壩后廠房部位考慮封閉擠壓破碎帶,加深至擠壓帶以下3 m。分隔帷幕均采用單排孔布置。

帷幕一般采用常規水泥灌漿,局部地質不良孔段和部分Ⅲ序孔采用磨細水泥。

帷幕防滲設計標準：河床壩段上游帷幕透水率q≤1 Lu,下游帷幕q≤2 Lu,壩高小于100 m的岸坡壩段和分隔帷幕q≤3 Lu 。

帷幕平面布置見圖4,上游帷幕展視見圖5。

5.1.2 撓曲核部破碎帶防滲墻和高壓沖擠灌漿

泄4～泄8壩段防滲線存留有撓曲核部破碎帶,最大厚度達53 m,其性狀差,灌漿處理難以達到滲透穩定要求,對該部位采用混凝土防滲墻進行防滲。防滲墻總長88 m,墻厚1.2 m,最大深度62 m,墻底進入Ⅲ類巖體2 m,墻下接防滲帷幕。防滲墻布置見圖5。

防滲墻右側壩基存留的撓曲破碎帶分為上下兩個分支,單支厚度較小,但常規灌漿效果較差,蓄水前完成的灌漿存在灌后透水率仍偏大的孔段,蓄水后采用“高壓沖擠灌漿”技術進行加強處理。“高壓沖擠灌漿” 采用鉆灌一體、脈沖壓力小段長沖擠灌漿,灌后幕體透水率可降至0.1 Lu以下,滲透破壞坡降達到100以上,并可有效防止壩基抬動和施工過程塌孔。

5.1.3 左岸擠壓帶刺墻和復合灌漿

對于左非6側坡出露的擠壓帶,采用跳倉洞挖置換混凝土,置換深度15 m,在上游帷幕線進一步向內深挖,設置長14 m、厚2 m的混凝土刺墻,刺墻左側擠壓帶埋深33 m以上。對于刺墻左側上游帷幕線存留的擠壓帶,采用“水泥+環氧漿材”復合灌漿進行處理,要求灌后巖體透水率不大于0.5 Lu,滲透破壞坡降不小于100。

5.1.4 排水

上下游帷幕內側布置主排水孔,壩基和消力池均布置縱橫向輔助排水幕,排水幕間距：壩基順水流方向約40 m,垂直水流方向約60～100 m,消力池縱橫向間距約30～60 m。泄水壩段和廠房壩段壩踵地質條件不佳,上游主排水幕單獨設置廊道、與帷幕相距10 m布置,以延長帷幕與排水幕之間的滲徑。

主排水孔深度為帷幕深度的0.4,上游主排水孔最大深度50 m,下游主排水孔最大深度40 m,輔助排水幕孔深35 m左右。所有主排水孔均不穿過破碎帶,為防止破碎帶下部形成局部承壓水,對深層抗滑穩定不利,在破碎帶挖除一側順水流向廊道內布置排水孔,將其下部滲水排出,或在距上游帷幕較遠的輔助排水廊道、下游壩外布置深排水孔,穿過破碎帶排水,破碎帶及以上孔段設置水泥漿鑄鋼管保護。另外,由于排水孔出水量大,對壩基滲透穩定不利,施工時對排水孔深度進行了調減,最大孔深不超過30 m。

所有排水孔內全長設置反濾保護體,排水孔孔口均設置孔口管,并安裝閥門,可調控出水量。部分排水孔設置電磁流量計和電動球閥,可遠程監測排水流量和孔口壓力,并可自動或人工調控。

5.2 壩基滲流與滲透穩定分析

向家壩壩基水文地質條件復雜,滲流分析是重要的設計工作,開展了典型壩段二維滲流、局部準三維、整體三維滲流分析,對帷幕、排水設計各種組合進行了方案比較和敏感性分析。

實施設計方案帷幕幕體最大滲透坡降在10左右,破碎帶、軟弱巖帶和夾層的滲透坡降在2以下,排水孔周邊滲透坡降在1以下。

滲流敏感性分析表明,若加強帷幕灌漿,將其幕體透水率降至0.1～0.5 Lu時,上游帷幕最大滲透坡降增大至26～15左右,即帷幕透水率越低,滲透坡降越集中于幕體。因此,復合灌漿和高壓沖擠灌漿在進一步降低帷幕透水率的同時,需提高幕體強度,灌漿材料和工藝需達到防滲與增強并重的效果。

6 工程運行情況

向家壩水電站于2012年10月蓄水至初期發電水位354 m,2013年9月抬升至正常蓄水位380 m。

6.1 壩基應力變形與抗滑穩定

蓄水后各項監測數據顯示：大壩穩定,壩基應力、變形的量值和分布均在正常、合理范圍內,未產生影響工程運行的不利變形,與計算分析結果基本相符。

6.2 滲流排水

蓄水至初期發電水位354 m后,壩基和消力池排水孔出水總量較大,達17 656 L/min,其中大壩和壩后廠房10 385 L/min,消力池7 271 L/min。另外,排水孔施工初期、基坑破堰進水后和蓄水初期,壩基和消力池有極少數排水孔出水量大且攜帶基巖碎屑,或出水清澈但水量大,考慮出水量大的排水孔隨著時間延長也可能帶出巖屑,對出水排渾和排水量大于100 L/min的排水孔灌注水泥漿予以封堵處理。分析極少數排水孔出水量大、帶出基巖碎屑的原因,除檢查發現排水孔反濾體存在局部缺陷外,可能有以下原因引起排水量集中和基巖細顆粒流動：巖體存在透水性強的破碎帶和寬張裂隙,滲流和滲透坡降可能局部集中；滲流向低部位集中；排水孔開始施工前,因壩基低于江水位較多,壩基已有較高的滲壓,初期施工的排水孔是壩基滲流泄壓、泄流的通道,其滲壓高,出水量大；滲流量大,地下滲流流速較高,大于軟弱巖帶和夾層的抗沖流速,滲流沖刷造成巖體細顆粒隨排水帶出；帷幕穿過破碎帶和軟弱夾層部位可能存在局部缺陷。

壩基和消力池排水總量偏大,且初期有極少數排水孔帶出巖屑,有必要加強滲流控制,降低滲流量,提高帷幕耐久性和基巖滲透穩定性。經研究,采取的措施為①泄水壩段撓曲核部破碎帶蓄水前完成的帷幕灌漿灌后仍有部分孔段透水率偏大,蓄水后采用“高壓沖擠灌漿”進行加強處理。②左岸河床壩段蓄水前上游帷幕灌后檢查孔涌水現象比較普遍,蓄水后排水量占壩基總排水量的一半,為減小其滲流量,對沖沙孔～左非5壩段上游帷幕增設一排孔進行加強灌漿處理。③消力池臨水周邊長是入滲主要途徑,原帷幕底部高程185 m,幕底以下巖體透水性較強,相對隔水層埋深大,為減小消力池入滲量,將消力池帷幕加深至高程100 m。④分階段調控出水量大的排水孔,以減小、均化排水量,降低地下滲流流速。最終控制與帷幕同廊道布置的排水孔出水量不大于30 L/min,其他部位按不大于40 L/min控制。調控期間密切監測壩基揚壓力變化,巡查排水孔是否排出渾水。調控后出水的排水孔數量增加,排水均化,排水總量減少,壩基揚壓力有所增大,但均在抗滑穩定計算取值范圍內,且仍有一定富余。如蓄水至水位354 m后,排水孔調控前后排水總量減少21.4%,出水的孔數增加7.2%,單個壩段壩基揚壓力總值增大約10%。

經過上述加強灌漿和排水調控,壩基、壩后廠房和消力池排水總量降至5 500 L/min左右；壩基揚壓力均在允許范圍內,且有一定富余；中后期蓄水和排水調控期間,均未再出現排水帶出巖屑的現象。

7 建設經驗

針對向家壩工程地質特性,壩基承載變形控制與防滲抗滑采用本文所述的綜合處理措施,經運行檢驗,取得良好效果,總結以下經驗：

(1)向家壩壩基大型破碎帶開挖、存留和處理超出已有工程經驗,以現有分析方法,采取綜合措施(包括后期排水調整和帷幕補強),經蓄水檢驗,工程運行情況良好,各項監測數據與計算分析成果基本相符,可為類似工程提供參考,但其處理過程非常復雜,其他工程借鑒時必須根據工程具體情況進行深入分析,個性化設計,并適當留有余地。

(2)壩基承載變形控制、防滲、抗滑相互關聯,穩定、應力、變形、滲流分析和工程處理措施均應統籌考慮。

(3)壩基滲透穩定的影響因素除滲透坡降外,大滲流量情況還應關注地下滲流的沖刷作用,在壩基揚壓力受控的前提下,可調控出水量大的排水孔以減小、均化排水量,降低滲流流速,保證滲透穩定。河床建基面高低不一,且基巖存在軟弱巖帶和夾層時,排水孔施工宜自高部位向低部位遞進,以免初期施工的排水孔滲壓和出水量過大而帶出巖屑。

[1]馮樹榮. 向家壩水電站工程總體布置[J]. 水力發電, 1998(2)： 13-15．

[2]馮源. 向家壩水電站工程地質條件[J]. 水力發電, 1998(2)： 9-12．

[3]曾祥喜. 向家壩水電站壩基巖體力學特性及參數取值研究[D]. 成都： 成都理工大學, 2011．

[4]于沭. 向家壩水電站兩個壩段壩基深層抗滑穩定分析[D]. 北京： 中國地質大學, 2007．

[5]張永濤,曹祥喜,史艷.向家壩水電站大壩基礎處理設計[J]. 人民長江, 2015, 46(2)： 76-80．

(責任編輯 王 琪)

Deformation Control and Anti-seepage and Slide-resistance Treatment for Dam Foundation of Xiangjiaba Hydropower Station

PAN Jiangyang, FENG Shurong, ZHANG Yongtao, ZENG Xiangxi, ZHOU Hongbo, ZOU Yangsheng

(PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, Hunan, China)

The geological conditions and treatment of dam foundation in Xiangjiaba Hydropower Station are comprehensively analyzed. The conclusions show that, (a) although the excavation, retention and treatment of large-scale crushed zone in dam foundation are beyond the difficulty that could be addressed with existing engineering practices, current methods of calculation and analysis are still applicable; (b) as the deformation control, seepage proofing and sliding resistance at the foundation of gravity dam are inter-related with each other, the analyses on stability, stress, deformation and seepage as well as their engineering treatment measures shall be considered as a whole; and (c) in addition to seepage slope as one of factors affecting seepage and stability, the scouring effect of subsurface seepage flow shall also come under scrutiny in case of high seepage flow. When the uplift pressure at the foundation has been put under control, the drain holes with high flow may be adjusted to secure seepage stability by reducing and homogenizing the water discharge and lowering down seepage flow．

high gravity dam; crushed zone; weak interlayer; permeability; suspended curtain; dam foundation treatment; Xiangjiaba Hydropower Station

2015-06-03

潘江洋(1970—),男,湖南瀏陽人,教授級高工,從事水電水利工程設計工作．

TV223.43;TV642.3(274)

A

0559-9342(2017)02-0060-07