大石門水利工程深厚砂礫石覆蓋層防滲處理設計

郝永志

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程簡介

新疆車爾臣河大石門水利樞紐工程是國務院確定的172項節水供水重大水利工程和2015年國家新開工的27項重點水利工程之一，項目總投資19.6億元[1]。碾壓式瀝青混凝土心墻壩高128.8m，總庫容1.27億m3，為Ⅱ等大(二)型工程，由攔河壩、帷幕灌漿垂直防滲系統、表孔溢洪洞、底孔泄洪洞、發電引水洞，地面廠房等組成。建筑物抗震設計烈度為8度，地震峰值加速度0.26g，是我國目前已建和在建水利工程中抗震設防烈度最大、壩高最高的瀝青混凝土心墻壩[2]。

2 深厚砂礫石覆蓋層地質概況

古河道下部為深厚中更新統的沖積砂礫石層如見圖1所示，泥質半膠結，層厚20～254m。根據試驗資料[5]，中更新統沖積砂礫石層天然密度為2.14g/cm3，干密度為2.12g/cm3，含水率1.0%，根據原位滲透試驗，滲透系數為3.73×10-3cm/s，為中等透水地層。架空結構占該地層15%，架空結構滲透系數為1×10-2cm/s，為強透水地層，古河道中心位置最深約295m[6]。下部為基巖，巖性為下元古界蝕變輝綠巖。

圖1 灌漿平洞砂卵礫石層開挖照片

3 古河槽防滲處理設計

3.1 “上防下排”防滲措置

鑒于古河槽防滲處理對本工程運行安全的重要作用，為解決近壩區滲透穩定、減少滲漏量等問題，左岸古河槽砂卵礫石層防滲處理采用200余m深純帷幕灌漿并結合永久交通洞兼排水洞、臨時交通洞兼排水洞和主排水洞形成一道連續的排水孔幕的“上防下排”[4]的綜合防滲處理措施。大石門水利工程深厚砂礫石覆蓋層防滲處理平面布置圖如圖2所示。

圖2 大石門水利工程深厚砂礫石覆蓋層防滲處理平面布置圖

3.2 古河槽垂直防滲處理設計

3.2.1 防滲長度計算

3.2.2 垂直防滲方式的選定

垂直防滲是深厚覆蓋層防滲處理的一種行之有效的處理方式，常采用混凝土防滲墻、帷幕灌漿和懸掛式混凝土防滲墻下接砂礫石帷幕灌漿(上墻下幕形式)。2014年12月，大石門水利樞紐工程可行性研究報告通過了水利部水規總院審查。一致認為無論采用哪種現有的垂直防滲形式，對深度近200m的深厚覆蓋層防滲處理均無先例，也無規范可循[4]。

表1 不同帷幕長度條件下的水庫滲漏量對比

混凝土防滲墻結構安全可靠，防滲效果好，其設計、施工已發展到相當高的水平。加拿大的馬尼克3號壩，其混凝土墻最大處理深度為131m[8- 9]。

在砂礫石中利用水泥黏土灌漿做成防滲帷幕，也是深厚覆蓋層防滲處理的一種重要方法。法國的謝爾·龐桑壩首先采用這種方法，采用19排灌漿帷幕，帷幕厚度15～35m，灌入地層最大深度115m[9- 10]。

表2 國內外部分深厚覆蓋層垂直防滲工程特性

目前，世界上規模最大的防滲帷幕為埃及阿斯旺防滲帷幕[11]。帷幕灌漿材料采用水泥黏土漿，最大深度達208m，最大厚度達40m。大壩自1967年建成，經多年運轉至今，帷幕防滲效果良好。

若懸掛式混凝土防滲墻不能滿足壩基滲透穩定和控制滲流量的要求，防滲形式可采取懸掛式混凝土防滲墻下接灌漿帷幕進行全截斷。冶勒[12- 13]水電站基礎最大防滲深度約200m，采用140m深的混凝土防滲墻接60m深的帷幕灌漿的聯合防滲形式。下板地[14- 15]水庫壩基磧砂礫石覆蓋層最大厚度達150余m，采用80m混凝土防滲墻接70m帷幕灌漿的防滲處理方式。國內外部分建在深厚覆蓋層垂直防滲工程特性見表2。

懸掛式混凝土防滲墻下接灌漿帷幕在百米及以上深度內進行垂直防滲處理的施工方法已比較成熟[16- 17]，但防滲墻造價較帷幕灌漿高，而本工程古河槽防滲的主要作用是延長滲徑，使繞滲水流遠離壩后坡的高邊坡，避免高邊坡滑塌對后壩坡及廠房產生破壞。因此，本工程采用帷幕灌漿的垂直防滲措施對深厚砂礫石覆蓋層進行防滲處理。

現行SL 62—2014《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》[18]中孔斜控制的最大深度為100m，最大鉆孔孔底允許偏差值為2.5m。本工程最大鉆孔深度近200余m，遠超規范規定值。為使帷幕灌漿能形成連續的幕，不產生滲漏通道，根據帷幕灌漿孔的孔距對鉆孔孔斜進行控制，帷幕灌漿排距2.0m，孔距3.0m，因此帷幕孔孔底最大允許偏差值設定為3.0m。孔底最大允許偏差值見表3。

表3 帷幕孔孔底最大允許偏差值

根據地質勘察資料及三維滲流計算成果，確定了左岸古河槽防滲采用570m長的砂卵石灌漿帷幕，灌漿帷幕2排，排距2.0m，孔距3.0m，梅花形布置，孔深按入巖以下5m控制，注漿后滲透系數q≤10Lu。

3.2.3 帷幕灌漿可行性分析

中國葛洲壩集團基礎工程有限公司在施工現場進行了一期和二期灌漿試驗[19]，并總結出了一種創新的灌漿方法，即一種深厚覆蓋層的快捷灌漿[20]。灌漿試驗結果表明，采用XY- 42型地質鉆機配繩索鉆具在超深砂礫石地層進行帷幕灌漿鉆孔施工是適宜的；在泥質半膠結砂礫石地層進行帷幕灌漿，采用循環式灌漿方式有利于提高灌漿效果；灌漿漿材適宜采用水泥膨潤土漿液，水泥與膨潤土灰土比(質量比)采用1∶0.2，漿液采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.7∶1等5級水固比(質量比)以及采用“由稀到濃，再由濃到稀”的漿液變換原則是合理有效的，既保證了灌漿質量，又經濟，同時還減少了鑄管事故的發生。Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔的最大灌漿壓力分別按3.0、3.5、3.5～4.0MPa進行控制。該地層經帷幕灌漿處理后，地層的防滲性能得到了較大幅度的提升，帷幕灌漿試驗取得了一定的成效。

3.3 排水孔幕設計

3.3.1 排水孔深度確定

排水管長度計算公式如下：

Lpsg=PP(x,y,z)/(ρwg)

(1)

式中，Lpsg—排水管長度；PP(x,y,z)—對應位置處的孔壓值；ρw—水的密度；g—重力加速度。

根據計算可知，排水管長度根據不同洞頂高程取9～56m。

3.3.2 排水孔布置

中國水利水電科學研究院的新疆車爾臣河大石門水利樞紐工程水庫左岸三維滲流計算分析研究[7]報告計算成果顯示，在左岸設置長度570m帷幕，雖有效地降低了滲透系數和水力坡降，但繞過帷幕的滲透水力坡降仍有超過0.15的范圍存在，具體位置為在水平面內、垂直距離壩軸線超過480m的范圍，沿高程方向分布在基巖頂面至2210m高程附近。滲透水流對下游左岸高邊坡仍存在威脅，為了阻止水流直接向邊坡坡面滲出，在下游邊坡處設置一排排水孔幕以攔截繞滲水流，降低水力坡降。

為了得到排水管布置方式(排數、間距)對降低孔壓影響的效果，南京水利科學研究院完成的新疆大石門水利樞紐工程大壩下游左岸砂礫石高邊坡穩定計算分析[21]報告建立了若干局部計算模型，分別為3m一排、3m兩排、2m一排、2m兩排、1m一排，排間距均為2m。對這五種局部模型分別進行網格劃分，并設置初始邊界條件，進行三維滲流場計算。計算結果表明，3m一排的孔壓消散不明顯，由于排水管間距較大，水體可以繞過排水管往下滲透；而3m兩排、2m一排的效果相似，孔壓能降低50%左右；2m兩排、1m一排的孔壓消散效果最好，經過排水管后孔壓基本上都能降到很小值。考慮到工程施工的經濟性和排水管的有效性，采取2m一排的施工方案，以滿足防滲設計要求。

在左岸古河槽帷幕下游布置一條主排水洞、交通兼排水洞及濾水花管等排水設施。主排水洞是由1#- 1永久交通洞轉彎處分叉出來的沿基巖面布置的一條排水洞，樁號為P0+000～P0+140.000。排水洞尺寸為3.0m×3.5m，排水洞形式為馬蹄形。主排水洞頂部設一排排水孔，1#永久交通洞(D1+701.248～D1+801.248段)、1#- 1永久交通洞均兼顧排水作用，頂部設一排排水孔，孔距2m，排水孔內設DN=63～75mm濾水花管。

由于在砂礫石層洞內向上造孔過程中有掉塊現象，排水管安裝面臨入巖困難的難題，施工較困難，同時，滲流濾排水管還易出現泥沙等沉積物淤埋而導致濾排水效能降低的問題。為此，中國葛洲壩集團基礎工程有限公司根據現場實際情況，研發了一種深厚砂礫石層滲流濾排水裝置。該滲流濾排水裝置分為外層過濾體和內層過濾體，分別采用整體式濾水外管和軟式透水管對砂礫石層滲流進行分層濾排水處理，外層的整體式濾水外管耐壓、透水，達到了防止排水孔坍塌及孔壁塌落礫石進入濾水花管管內的有益效果；內層的軟式透水管集吸水、透水、排水為一體，具有耐壓、透水及反濾作用，達到了有效過濾并防止泥沙等沉積物進入管內的有益效果。滲流濾排水裝置以6m為一個單元，第一單元DN=75mm，其余單元DN=63mm。直徑75mm的濾水花管開孔率為2.5%，開孔直徑10mm，每環4個孔，環間距50mm；直徑63mm的濾水花管開孔率為3.0%，開孔直徑10mm，每環4個孔，環間距50mm。砂礫石層排水孔內濾水花管示意如圖3所示。

4 結論

大石門水利樞紐工程古河槽砂卵礫石層存在滲漏和繞滲問題，防滲處理采用帷幕灌漿并結合永久、臨時交通洞兼排水洞和主排水洞形成一道連續的排水孔幕的“上防下排”的綜合防滲處理措施。主要得出以下結論：

(1)設置長度為300、570、690m的左岸帷幕時，對應的年滲漏量分別是3034.4、2881.7、2821.8萬m3。當同時設置左壩肩帷幕和封閉的庫區帷幕時，年滲漏量為2071.6萬m3。從帷幕作用和工程投資等角度分析，在左岸壩頂高程沿壩軸線方向設570m帷幕灌漿(樁號為古0+000m～古0+570m)較為合理。

(2)垂直防滲的處理方式主要有混凝土防滲墻、帷幕灌漿和懸掛式混凝土防滲墻下接砂礫石帷幕灌漿(上墻下幕形式)。總結國內外垂直防滲的方式方法，最終確定本工程采用純帷幕灌漿的垂直防滲措施。

(3)通過現場灌漿試驗，總結了一種新的灌漿方法，即一種深厚覆蓋層的快捷灌漿方法。灌漿試驗表明，該地層經帷幕灌漿處理后，地層的防滲性能得到了較大幅度的提升，帷幕灌漿試驗取得了一定的成效。

(4)砂礫石層中向上鉆設安裝滲流濾排水裝置較困難，通過現場試驗，總結出了一種深厚砂礫石層滲流濾排水裝置及安裝方法。目前，排水系統的滲流濾排水裝置已安裝完畢，達到了預期目標。

1—63mm濾水花管；2—50mm透水花管；3—75mm濾水花管；4—63mm堵頭；5—濾水土工布；6—63mm直接頭；7—63mm變75mm 變徑接頭；8—75mm三通；9—排水孔；10—75mmPVC排水溝；11—濾水花眼；12—膨脹螺栓；13—抱箍；14—排水洞洞頂圖3 砂礫石層排水孔內濾水花管示意圖