高水頭壩基裂隙巖體滲流穩定分析

唐建立，朱翠民，史 恒，皇甫澤華，崔保玉

（1.河南省水利勘測有限公司，河南鄭州450008；2.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封475000；3.河南省前坪水庫建設管理局，河南鄭州450003；4.河南宏大水利工程有限公司，河南 開封475000）

隨著技術的不斷革新及大型工程的興建,巖石力學開始涉及更深、更復雜的地下工程。自Biot于1941年提出有效應力與滲透場之間存在耦合關系以來,國內外許多學者在這一領域進行了大量研究工作,并取得了很多研究成果,如一些學者通過開展不同應力路徑下滲流耦合試驗,研究了花崗巖片麻巖在不同滲透壓和水壓作用下滲透率與體積應變、應力與應變、滲透率與有效圍壓的關系,通過改進常規滲透試驗方法,研究了不同圍壓作用下花崗巖力學損傷演化機制及其滲透性規律［1］。

我國水庫大壩建設隨著國民經濟和科學技術的快速發展相應取得了長足發展,大壩建設高度一再增大,勢必帶來壩前蓄水高度的增大,從而引起壩基巖體水壓力增大［2］。目前,高壩大庫壩基設計基面為具有裂隙的巖體,蓄水后壩基巖體裂隙中的水壓力將隨蓄水深度的增大而增大［3-4］。高水頭作用下,壩基巖體初始應力場及滲流場將被改造,這將導致壩基裂隙巖體滲透壓力和滲流體積力發生變化,從而引起巖體的力學響應及結構變化,即裂隙巖體內的孔隙、裂隙以及節理發生滲流—應力重新耦合,進一步改變巖體物理地質力學環境中相互聯系、相互作用的兩個重要的組成部分——滲流場和應力場,導致巖體變形甚至劈裂破壞,直至從根本上改變巖體的滲透特性［5-6］。高水壓下的滲透穩定性是評價壩基裂隙巖體的關鍵,是整個工程運行安全性的關鍵。實際上,水庫蓄水后或多或少都會引起巖體發生一些變化,尤其是在高水頭作用下發生滲透破壞現象,在庫首區更為明顯［7］。

筆者根據前坪水庫工程壩址區基巖特點,在分析壩基裂隙巖體透水率在水平、垂直等維度的分布情況及其曲線類型的基礎上,研究了工程區巖體產生滲透破壞的現象以及滲透性加強的可能。

1 壩基巖體特點

河南省前坪水庫壩址區位于侵蝕、剝蝕低山區與丘陵區交接地帶,大壩采用黏土心墻砂礫（卵)石壩,壩基位于密實砂卵石上,下伏基巖及兩壩肩基巖為元古界熊耳群馬家河組安山玢巖。地質歷史過程中,在構造改造及表生改造的綜合作用下,巖體結構面及工程性質均發生不同程度的劣化。

壩址區安山玢巖節理裂隙較發育,寬度一般為0.5～1.5 mm,裂隙延伸一般為2.0～3.0 m,個別超過5.0 m,裂隙面粗糙,為鈣質、泥質等半-全充填。

2 壩基裂隙巖體穩定分析的必要性

前坪水庫工程設計正常蓄水位為403.00 m,設計500 a一遇洪水位為418.36 m,設計5 000 a一遇校核洪水位為422.41 m,建基面高程約332.00 m,多位于密實砂卵石上,下伏安山玢巖頂面高程最低約319.50 m,工程運營期壩基裂隙巖體一般會面臨約90 m水頭作用。壩址區平面布置見圖1,典型剖面見圖2。

圖1 壩址區平面布置

圖2 主壩軸線地質剖面

長期高水頭作用下,伴隨溫度、應力場環境條件下的多場耦合,巖體中滲透穩定性薄弱部位水力傳導性的非均一性和各向異性表現更為明顯［8］。巖體結構面中重力水產生的孔隙水壓力使巖體骨架所承受的壓力隨孔隙水壓力的變化呈反向變化,特別是水壓力在微裂隙中具有擴容作用時,相當于降低了巖體的圍壓,巖體的殘余強度會進一步減小,導致巖體由延性破壞逐步過渡到脆性破壞［9］。在高水壓力的長期作用下,結構面中將產生高孔隙壓力,導致固相介質之間的壓應力減小［10］,從而降低了巖體的抗剪強度,甚至巖體中裂隙的兩端因處于受拉狀態而使其向前延伸產生劈裂破壞。巖體結構面中膠結物被“剪開”,裂隙面的膠結物由“黏結”狀態逐步轉變為“撕開”狀態而變成導水通道。原有結構面向兩端不斷擴展,同時相伴產生一些次生裂隙,溝通巖體內原有裂隙,直至徹底改變巖體中原有的應力場及滲流場,增大了巖體透水性［11-12］。

3 壩基巖體壓水試驗分析

通常情況下,就巖石塊體本身來說其透水性一般很小,因此在分析巖體透水率時一般忽略其影響。一般來說,巖體包含多種不同成因的裂隙,導致其透水率遠大于巖塊的透水率［13］。特別是當巖體中的裂隙結構面互相穿切并成為地下水的運移通道時更為明顯。因此,巖體中裂隙的發育程度及其分布規律與巖體的透水性密切相關,一定程度上起決定作用［14］。

水庫壩基下伏弱風化狀安山玢巖,呈塊狀結構,根據壩基鉆孔全孔壁光學成像資料結合附近隧洞觀察結果,巖體中結構面一般呈閉合狀且延展性、貫通性差,張開結構面內一般有硅、鈣質膠結物。

水庫基巖滲透破壞是蓄水后水壓力的升高引起的,巖體中滲透穩定性薄弱部位,特別是巖體斷層破碎帶、斷裂密集帶等部位,表現出明顯非均一性和各向異性的水力傳導性［15］。

3.1 壩基巖體壓水曲線特點

本次壩址區壓水試驗曲線類型有4種,分別為A型、B型、C型和D型。壓水試驗曲線（壓力P—流量Q)類型為A（層流)型、B（紊流)型均說明試驗期間裂隙狀態沒有發生變化,僅是裂隙中水的滲流狀態不同；C（擴張)型說明高水頭作用下原有裂隙加寬及隱裂隙劈裂；D（沖蝕)型是隱裂隙劈裂且與原有的裂隙相通或裂隙中的充填物被沖蝕、移動造成的,是巖體滲透性增大的主要原因。各類型典型曲線見圖3,各類型曲線占比見圖4。

通過上述分析可知,壩址區壓水試驗曲線類型主要為C型和D型,兩者共計占比為72.3%,具有這兩種透水特性的基巖裂隙決定了壩址區巖體中的裂隙在高壓水頭作用下會發生一定程度的滲透破壞現象,造成運營期基巖透水性增強。

圖3 典型壓水試驗曲線

圖4 壓水試驗曲線類型占比統計

3.2 壩基巖體滲透規律

3.2.1 按工程部位分析透水規律

對壩址區鉆孔（安山玢巖中)中壓水試驗成果進行統計分析（見圖5,Lu為透水率),結果表明：鉆孔揭露深度內以弱透水性巖體為主,部分巖體具微透水性或中等透水性。其中：微透水巖體左岸占3%,河床段占19.5%,右岸占34.6%；弱透水巖體左岸占84.9%,河床段占68.3%,右岸占65.4%；中等透水巖體左岸占12.1%,河床段占12.2%,右岸占0.0%。

從上述分析可以看出,壩址區巖體總體具弱透水性,相同高程右岸基巖的透水性小于河床段和左岸的透水性,中等透水性巖體分布于河床段和左岸基巖巖體上部。主要原因是,河床段和左岸基巖有第四系沉積物覆蓋,從地形上看,基巖面為負地形,構造及表生構造均表現得相對強烈；右岸為懸坡,基巖面為正地形,基巖受構造及表生構造相對較弱,巖體總體完整性較好。

3.2.2 按深度分析透水規律

在統計區域巖體垂直方向的透水性變化規律非常明顯,主要表現如下。

左岸巖體：透水率＜1 Lu下限埋深約為60 m,其下部巖體具微透水性；透水率＜10 Lu下限埋深約為30 m,其上部巖體具中等透水性,兩者之間巖體具弱透水性。

圖5 壩址區巖體透水性統計（單位：Lu)

河床段巖體：透水率＜1 Lu下限埋深約為60 m,其下部巖體具微透水性；除個別鉆孔受斷層帶影響外,透水率＜10 Lu下限埋深約為15 m,兩者之間巖體具弱透水性。

右岸巖體：透水率＜1 Lu下限埋深約為55 m,其下部巖體具微透水性,上部巖體透水率＜10 Lu,為弱透水巖體。

綜上所述：安山玢巖巖體透水性隨埋深增加而變弱,垂直方向變化明顯,頂部巖體具中等透水性。同時,右岸巖體透水率呂榮值普遍小于河床段和左岸,這與河床段和左岸基巖面為負地形,上部基巖裂隙發育,右岸基巖面為正地形,基巖總體完整性較好相吻合。

3.3 壩基巖體壓水試驗成果分析

壓水試驗曲線類型反映C（擴張)型、D（沖蝕)型在高水頭作用下存在原有裂隙加寬及隱裂隙劈裂或裂隙中的充填物被沖蝕、移動的現象。壩址區巖體壓水試驗曲線類型主要為C型和D型,兩者的總占比為72.3%,說明壩址區基巖裂隙在高水頭作用下存在滲透破壞的風險,部分裂隙中的膠結物充填物存在被沖蝕、移動等引起導水性“活化”的現象。通過“活化”作用,重新“剪開”巖體結構面中的膠結物,原有結構面向兩端不斷擴展,加之相伴而生的次生裂隙,勢必加強巖體內原有裂隙的溝通,改變巖體中原有的應力場及滲流場,提高巖體透水性［16］。巖體內含水率的提高進一步降低了其抗剪強度指標,特別是當壓水時曲線類型表現為C型,說明水壓力在微裂隙中產生了一定擴容作用,導致巖體發生兩方面的變化：一是在巖體裂隙的兩端產生拉應力使裂隙向前延伸產生劈裂破壞；二是降低巖體的圍壓,進一步降低巖體的殘余強度,使巖體由先前的延性破壞逐步向脆性破壞過渡。

雖然部分裂隙的滲透破壞現象理論上是可逆的［17］,但是水庫運行后,壩基巖體將長期處于高水頭壓力狀態,導致可逆的滲透破壞現象出現不可逆性。同時壩基巖體在長期運行后,特別是壓水試驗曲線類型為D型時,裂隙中的充填物被沖蝕、移動,加強了原有裂隙的溝通,進一步加劇了水壓力在微裂隙中的擴容作用,降低了巖體的圍壓,引起巖體強度弱化。當孔隙水壓力逐步增大到接近巖體圍壓時,巖體的受力情況就類似于單軸加載作用。在高水壓的長期作用下,巖體強度隨固相介質間壓應力的減小而衰減,巖體中裂隙的兩端產生拉應力集中而使其向前延伸產生劈裂破壞。裂隙貫通性因此加強,滲流—應力重新耦合,如此惡性循環下壩基滲漏量會逐步加大。

4 施工期壩基巖體處理措施

4.1 工程設計與壩基巖體處理

前坪水庫大壩為黏土心墻砂礫（卵)石壩,采用混凝土防滲墻加帷幕灌漿方案處理壩基滲漏問題（見圖6)。防滲墻全長665.0 m,采用C25鋼筋混凝土澆筑。墻頂高程341.10～363.90 m,墻底高程315.80～355.25 m,墻深11～29 m,墻厚1.0 m。防滲墻向上插入防滲體內長度為7.0 m,向下部穿過砂礫石層深入基巖不小于1 m。設計防滲帷幕頂為防滲墻軸線底部,深度進入相對不透水層5 m,相對不透水線以3.0 Lu控制,帷幕底高程260.5～365.0 m。

圖6 0+550典型設計斷面

4.2 滲流穩定分析

為分析壩基巖體及防滲帷幕的滲流穩定性,采用數值模擬分析方法進行壩體壩基滲流分析,選取上、下游側邊界距壩軸線400 m,左、右岸邊界距壩肩分別為250、315 m。分別計算特征水位（上游水位418.36 m,下游水位346.00 m)下壩基滲流場的實際水力坡降。根據地質資料,壩基密實卵（礫)石滲透系數k＝5.2×10-1cm/s、安山玢巖滲透系數 k＝8.5×10-5cm/s；根據工程經驗,混凝土防滲墻滲透系數k＝1.0×10-8cm/s、帷幕灌漿體滲透系數k＝1.0×10-6cm/s。通過定性分析與定量計算得知,混凝土防滲墻及防滲帷幕水力坡降均能滿足設計要求（見圖7、表1)。

圖7 0+550斷面設計水位等勢線

根據計算成果,防滲墻伸入心墻部分周邊水力坡降較陡,正常蓄水位工況為3.75～11.50,設計洪水工況下為5.1～13.4,黏土心墻內部允許水力坡降為5.0～6.0,該部位容易出現滲透破壞。為防止該部位出現裂縫后發生集中滲流,心墻該范圍土料采用高塑性黏土填筑,增強土料出現裂縫后的自愈能力。

表1 0+500典型斷面特征水位下滲流計算結果

4.3 巖體強度分析

根據帷幕灌漿巖體強度試驗結果,弱風化安山玢巖飽和抗壓強度為55.3～76.1 MPa,平均為64.7 MPa。工程經驗表明,巖體抗壓強度為抗拉強度的10～30倍。按保守計算,工程區巖體抗拉強度一般為2.16 MPa,最小為1.84 MPa,遠大于工程運營期面臨的水頭壓力,表明工程巖體運營期帷幕灌漿巖體固相介質間壓應力的減小有限,不會引起巖體裂隙兩端產生拉應力集中使裂隙貫通性加強的現象,壩基巖體在長期滲流條件下是穩定的。

4.4 施工期試驗成果分析

為處理壩基滲漏問題,施工期嚴格按照設計要求施工,混凝土防滲墻深入弱風化安山玢巖均不小于1.0 m。防滲墻施工中預留1.5 m間距的灌漿管,在防滲墻底部進行帷幕灌漿,深度進入相對不透水層5 m,相對不透水線以3.0 Lu控制,帷幕底高程為260.5～365.0 m。灌漿自上而下分段進行,施工參數見表2。采用壓水試驗檢驗防滲帷幕質量,檢查孔布置（見圖8)在灌漿軸線上兩灌漿孔中間,按自上而下分段鉆進、止塞、壓水的原則于灌漿結束14 d后進行。檢查結果表明,灌漿后巖體透水率均滿足不大于3.0 Lu的設計要求（見表3)。

表2 孔口止塞自上而下循環灌漿法施工參數

圖8 檢查孔平面布置

表3 典型斷面附近帷幕灌漿檢查孔測試結果

5 結 論

水庫蓄水后,壩址區地應力與試驗條件下的地應力相差很大,初始應力場和滲流場發生改變,壩基裂隙巖體將長期面臨很高的外水壓力,可能引起壩基巖體變形甚至破壞,發生滲流—應力重新耦合［18］。現場壓水試驗可以很好地反映壩基巖體中的裂隙（隱裂隙)在高水壓下劈裂且與原有的裂隙相通的現象,同時可為壩基帷幕灌漿處理設計提供依據。

前坪水庫工程壩基下伏安山玢巖,弱風化安山玢巖抗拉強度一般為2.16 MPa,最小為1.84 MPa,遠大于工程運營期面臨的水頭壓力。施工中采用1.0 m厚的C25混凝土防滲墻向上插入防滲體內（長度為7.0 m),深度穿過砂礫石層深入弱風化基巖不小于1 m是合適的。防滲墻中預留1.5 m間距的灌漿管,防滲帷幕頂為防滲墻軸線底部,深度進入相對不透水層（3.0 Lu)以下5 m,通過帷幕灌漿,將高壓水泥漿填充到基巖裂隙中,這些漿液在巖體深部固化后與基巖結合連成一體,達到了有效控制巖體滲漏量、減小壩基滲透性的效果,同時也達到強化巖體結構面內軟弱充填物的目的,確保壩基巖體在運營期長期滲透條件下的安全穩定性。