白鶴灘水電站上游圍堰防滲墻設計與實施

黃 雷，王永明，梁現培，董聯杰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

白鶴灘水電站初期導流為50年一遇洪水標準，上游圍堰為3級建筑物，堰頂設計高程為658.00m，堰前水位655.58m，采用復合土工膜斜墻土石圍堰，最大堰高83.0m，堰頂寬12.0m，堰頂軸線長約208m。圍堰615.0m以上采用復合土工膜斜墻防滲，防滲墻施工平臺高程為615.0m，615.0m高程以下采用塑性混凝土防滲墻防滲，防滲墻軸線長110m，墻厚1.0m，最大墻深53m。白鶴灘水電站上游圍堰防滲墻是整個圍堰施工的關鍵，具有地質條件復雜、控制工序繁多、墻深大、施工強度高及工期緊等特點。

2 水文地質條件

白鶴灘壩址平均流量4170m3/s，平均降水量為715.9mm。金沙江流域實測最大洪峰流量為25800m3/s，實測第二大洪峰流量為23800m3/s。壩址為亞熱帶季風區，多年平均氣溫21.9℃，平均風速1.8m/s，平均相對濕度66%。

水電站上游圍堰位于大壩上游約300m處，枯水期江水位591m。河床底面高程572～582m，覆蓋層厚度4.5～14.40m不等，層間錯動帶C3分布于左岸595m高程左右，堰基范圍無大規模斷層發育。河床基巖頂板高程561～578m，基巖主要出露峨眉山組玄武巖P2β41和P2β42層隱晶質玄武巖、微晶質玄武巖、杏仁狀玄武巖及角礫熔巖，強卸荷帶巖體透水率一般為10Lu，為中等透水，弱卸荷帶巖體透水率一般為3～10Lu，平均5Lu。覆蓋層主要為漂石夾卵(礫)石，覆蓋層滲透系數為10-3～10-1cm/s，屬中等透水層。

3 上游圍堰防滲墻設計

3.1 防滲型式選擇

高噴灌漿、剛性混凝土混凝土防滲墻以及塑性混凝土防滲墻，三者在技術和應用上都比較成熟[1]，由于堰基處漂石占80%～90%，同時考慮上游圍堰擋水水頭高，為確保防滲效果，堰基采用全封閉混凝土防滲墻。為減少圍堰的滲水量，確保滲透穩定，防滲墻下設置帷幕灌漿。

3.2 防滲墻的設計

上游圍堰基礎覆蓋層厚4.5～14.4m，圍堰設計擋水水頭約95.0m[2]，如果采用高彈模的剛性混凝土防滲墻在上部荷載的作用下，周圍土層的沉降比防滲墻大得多，使得墻體承受巨大的周圍土體的側面拖拽力，可能引起墻體內部產生巨大的壓應力，壓應力過大將造成防滲墻墻體破壞。三峽工程二期圍堰的實踐表明[3]，圍堰防滲墻采用高強度低彈模的塑性混凝土能較好的與周圍土體協調分配荷載，防滲墻的應力狀態較好，因此上游圍堰基礎防滲選擇彈模低，適應變形能力強的塑性混凝土材料。

混凝土防滲墻的滲透破壞主要取決于墻體的水力梯度[4]，須使墻體承受的最大水力梯度小于墻體的允許梯度，本次設計根據防滲墻破壞時的水力梯度確定墻厚，上游圍堰防滲墻設計成果見表1。

表1 上游圍堰防滲墻設計成果表

防滲墻的厚度的確定應考慮圍堰堰基地質情況及機械設備因素，墻體應力、應變、耐久性、抗滲指標等均應滿足要求，通過計算及參考類似成功經驗，確定上游圍堰塑性混凝土防滲墻厚度為1.0m，塑性混凝土防滲墻各項指標見表2。

表2 塑性混凝土防滲墻設計性能指標

3.3 墻下帷幕灌漿設計

(1)設計標準

上游圍堰設計擋水水頭為95m，圍堰防滲墻至關重要，同時考慮上游圍堰的基礎水文地質條件，層間錯動帶C3分布于左岸595m高程左右，為解決堰肩和堰基基巖透水層防滲問題，在防滲墻下部設置防滲帷幕，防滲帷幕灌穿過3Lu線以下深度3～5m(同時保證帷幕灌穿左岸及堰基C3埋深較淺部位)，并將防滲帷幕向兩岸延伸。

(2)帷幕灌漿參數選取

上游圍堰防滲墻墻下灌漿界線為3Lu線，采用單排孔，帷幕灌漿防滲標準見表3。防滲墻下帷幕灌漿采用預埋灌漿管方法實施。

表3 帷幕灌漿防滲標準

4 防滲墻實施過程

4.1 施工工藝流程

上游圍堰防滲墻成槽采用“鉆劈法”施工工藝[5]，槽孔分為一、二期槽，其中一期槽為二個主孔一個副孔，二期槽為三個主孔二個副孔，墻段之間連接采用“接頭管法”；清孔換漿采用膨潤土泥漿，采用以抽筒法為主，氣舉法為輔的清孔方式；墻下帷幕灌漿采用預埋￠110mm鋼管實施；防滲墻混凝土采用直升導管法，先澆低處后澆高處。

白鶴灘水電站上游圍堰防滲墻施工流程如圖1所示。

圖1 防滲墻施工工藝流程圖

4.2 槽段劃分

上游圍堰防滲墻槽段分兩序施工，Ⅰ、Ⅱ序槽孔間隔布置，遵照“Ⅰ期小槽、Ⅱ期大槽”的原則[6]，在中間深槽部位Ⅰ期槽長度為4.0m，兩岸孔深較淺的部位一期槽長度為7.0m；二期槽長度均為7.0m。

圖2 防滲墻槽段劃分示意圖

工程防滲墻軸線長110m，共劃分為24個槽段，槽段劃分示意見圖2所示。

4.3 防滲墻造孔

(1)先導孔

上游圍堰防滲墻軸線每隔10m布設一個先導孔，共計13個，對地質情況進行復勘，準確確定基礎基巖面。上部采用潛孔錘跟管鉆進，當預計鉆進至基巖面0.5m時，更換地質鉆機進行鉆孔取芯，直至進入巖10m為止。

(2)預灌預爆孔

“預灌、預爆”孔間距3.0m，布置在上游圍堰防滲墻軸線上。本工程共布置36個“預爆、預灌”孔。鉆孔采用全液壓鉆機，配置高頻沖擊器進行跟管鉆進，當鉆遇有漂孤塊石時，進入巖體內，下設炸藥，起拔套管2.0m，啟爆炸藥，爆破后繼續鉆進，依次循環。

預灌濃漿是有效預防和處理大孤石底層強漏漿必要和有效的措施[7]，為了堵塞滲漏通道，當鉆孔至設計深度后，向孔內注入一定量的水泥粘土漿，防滲墻施工結果表明，先進行過預爆和預灌濃漿的部位，在進行防滲墻造孔時，漏漿、塌孔情況大大減少，取得了較好的實施效果。

(3)一般地層造孔

本工程為深覆蓋層中進行混凝土防滲墻施工，覆蓋層主要為細石料、崩塌料、河床覆蓋層，針對地質特點和槽孔分布情況，采用“鉆劈法”成槽工藝。主孔造孔完成后，進行副孔施工，最后鑿除孔間小墻，貫通成槽。

(4)陡坡段基巖造孔

上游圍堰防滲墻基巖邊坡局部呈陡坡狀由于陡坡巖硬，鉆孔極易順坡溜鉆偏斜[8]，導致防滲墻嵌入基巖困難。本工程施工中面臨陡坡入巖的槽段均為邊槽，并與混凝土趾板相鄰，同時因陡坡槽段施工難度較大，造孔效率低，臨近一期槽段已澆筑混凝土，實施爆破時可能會對左右已澆筑混凝土造成破壞性影響，陡坡段基巖造孔未采用爆破的方式，而是純沖擊鉆進，實際入巖結果良好。

4.4 基巖面鑒定及終孔深度確定原則

上游圍堰防滲墻要求嵌入基巖不小于1m，防滲墻孔底基巖鑒定十分重要。工程參建各方要準確的鑒定基巖面，保證混凝土防滲墻確實嵌入基巖。

本工程圍堰防滲墻基巖面鑒定主要根據先導孔、抽取巖樣及施工記錄等綜合判斷。主要方法為通過前期先導孔繪制新的基覆分界線，防滲墻單孔鉆進距離基覆分界線5、3、2、1m以及入巖后每隔0.3m各抽取一次巖樣，經參建方現場聯合鑒定。

槽段具體入巖判定標準為：①槽段主孔基覆線深度根據槽孔內抽取的巖樣進行判定，加深1m為終孔深度。②判定副孔基覆線時，先進行取樣判定實際基覆線，為確保副孔兩側的小墻同步深入基巖，副孔的實際終孔深度根據相鄰兩主孔鑒定基覆線邊對邊連線向下1m，并結合副孔單孔鑒定基覆線，以二者較深線位置為準。③小墻參照左右主副孔，并以主副孔邊對中連續向下1m確定。④對與陡坡槽段，參照上述方法單獨鑒定。

上游圍堰防滲墻成型斷面如圖3所示。

5 防滲墻投入使用

5.1 質量檢查

(1)機口、槽口取樣

防滲墻混凝土澆筑過程中，在機口或槽孔隨機取樣，進行混凝土施工性能的檢查，檢測結果滿足設計要求。

(2)檢查孔取芯

上游圍堰防滲墻共布置了2個鉆孔取芯檢查孔。檢查孔取出的巖芯完整致密，無夾泥。同時對防滲墻墻頂進行了開挖，結果表明混凝土防滲墻澆筑質量可靠，墻段之間接縫咬合緊密，無任何縫間夾泥現象。

(3)注水試驗

圖3 防滲墻成型斷面圖

上游圍堰防滲墻共布置了2個鉆孔取芯檢查孔進行墻體注水試驗。防滲墻檢查孔注水實驗結果滿足滲透系數K≤10-7cm/s設計要求。

(4)聲波透射

超聲破透射檢測就是根據混凝土聲學參數測量值和相對辯護、分析、判別其缺陷的位置和范圍[9]。上游圍堰防滲墻通過帷幕灌漿預埋管，進行了8個孔間聲波層析成像測試，聲波波速值范圍為1.9～3.4km，局部出現零星低速區，未發現連通性低速區，表明墻體無明顯缺陷，成型質量較好。

5.2 運行監測

防滲墻內共布置1套固定式測斜儀、12組兩相應變計、10支滲壓計用于監測運行情況。固定測斜儀最大位移為54.67mm，最小位移為27.68mm，位移均為向迎水面方向，防滲墻豎向應變為-1337.75～36.91με，水平向應變為-135.75～633.74με，各儀器變形、應力應變、滲壓測值變化均無異常，說明防滲墻運行正常。

防滲墻位移深度變形曲線如圖4所示。

圖4 防滲墻位移深度變形曲線

6 結語

白鶴灘水電站上游圍堰已經運行3年，防滲墻運行正常，經受住了洪水的考驗。白鶴灘水電站上游圍堰防滲墻結構安全可靠，防滲性能良好，設計與施工滿足工程建設需要，可供類似工程參考、借鑒。