南界田水電站壩基處理措施及效果評價

羅金云

(福建安瀾水利水電勘察設(shè)計院有限公司，福建 龍巖 364000)

1 電站概況

南界田水電站地處云南省保山市昌寧縣，是大勐統(tǒng)河干流水電梯級開發(fā)的第五級水電站，距離昌寧縣距離約70km。電站采用壩后式開發(fā)，攔河壩位于大勐統(tǒng)河與永康河交匯處上游約220m，控制集水面積1676km2，多年平均流量27.4m3/s，以單一發(fā)電為開發(fā)任務(wù)，電站裝機容量8000kW，屬小⑴型水電工程。電站樞紐主要建筑物包括攔河壩、壩式進水口、壓力引水道、發(fā)電廠房和開關(guān)站等。其中，攔河壩為C15細石混凝土砌毛石重力壩，壩長105.8m，最大壩高26.0m，從左至右布置依次為擋水壩段(長27.0m)、溢流壩段(長27.5m)、沖沙閘壩段(長6.5m)、引水壩段(長20.9m)、擋水壩段(長23.9m)；發(fā)電廠房布置在攔河壩右岸后側(cè)，開關(guān)站布置在廠房右后側(cè)山坡上。南界田水電站工程等別為Ⅳ等，攔河壩采用50a一遇洪水設(shè)計，500a一遇洪水校核；發(fā)電廠房采用50a一遇洪水設(shè)計，100a一遇洪水校核；主要建筑物按4級建筑物設(shè)計，次要建筑物按5級建筑物設(shè)計。電站于2009年開工建設(shè)，2011年建成投產(chǎn)，2019年獲得水利部頒發(fā)的“2018年度綠色小水電站”榮譽。

2 壩基地質(zhì)條件

南界田水電站壩址河段河道順直，水流湍急，河谷呈“U”形，岸坡較陡，坡度在35°-45°之間。兩岸岸坡植被較好，左岸大部分為第四系覆蓋層，河床邊緣少量基巖出露；河床以沖洪積松散層為主；右岸亦為第四系覆蓋層，未發(fā)現(xiàn)出露的基巖。根據(jù)地質(zhì)鉆探成果，壩基地層巖性由老至新為下第三系始新統(tǒng)珠山群Ezs(鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖，中-厚層狀，分布于河床及兩岸)、第四系全新統(tǒng)殘坡積層Q4edl(由砂、礫石及砂礫質(zhì)黏土組成，主要分布于兩岸山坡，左岸厚度0.5m-6.5m，右岸厚度0.5m-5.5m)和第四系全新統(tǒng)沖洪積層Q4pal(由砂礫石、卵石、漂石及粉砂質(zhì)黏土組成，主要分布于河床，厚度0.5-14.0m)。壩基巖體完整性較好，構(gòu)造節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理裂隙多閉合-微張。壩基巖體風(fēng)化相對較深，左右岸第四系覆蓋層以下有約0.5m厚的全風(fēng)化層，左岸坡面至強風(fēng)化下限埋深約5.5-7.5m、右岸坡面至強風(fēng)化下限埋深約5.5-8.5m，河床沖洪積層下伏基巖呈弱風(fēng)化。壩基主要巖土力學(xué)參數(shù)詳見表1。

工程區(qū)域處于青藏滇緬巨型“歹”字型構(gòu)造體系與川滇經(jīng)向構(gòu)造體系的復(fù)合部位，屬構(gòu)造強化地帶，主干斷裂繼承活動性較為強烈，尤其以經(jīng)向構(gòu)造體系在挽近期的應(yīng)力場最為強烈，其西部與騰沖—瀘水、龍陵強震帶相毗鄰，東部受耿馬—瀾滄江地震帶波及。根據(jù)《云南省區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價圖》，工程區(qū)域南部永康河斷裂為強烈活動斷裂。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，工程區(qū)域地震動峰值加速度為0.20g，動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，地震基本烈度為Ⅷ度。

3 壩基處理措施及技術(shù)要求

根據(jù)地質(zhì)鉆探成果，壩基河床沖洪積層下伏弱風(fēng)化基巖，其承載力可以滿足大壩建設(shè)要求，但是其埋深較深，最深處可達14.0m，若將壩基開挖至弱風(fēng)化基巖，開挖難度及工程量較大，工程投資將大幅增加。根據(jù)地質(zhì)實驗成果，壩基河床砂礫石層允許承載力為450 -550 kPa，基本能夠滿足壩基承載力≥340 kPa的設(shè)計要求。從工程技術(shù)可行、經(jīng)濟合理等方面考慮，設(shè)計將壩基置于砂礫石層上，同時提出采取固結(jié)灌漿等處理措施提高砂礫石壩基承載力。

針對南界田水電站壩基置于沖洪積砂礫石地層和處于地震頻發(fā)地區(qū)的特殊地質(zhì)條件，為解決壩基滲透穩(wěn)定、壩體抗滑穩(wěn)定等問題，同時提高壩基承載力，設(shè)計提出采用固結(jié)灌漿、高壓旋噴灌漿、帷幕灌漿和沖孔灌注樁等壩基處理措施，各處理措施部位及技術(shù)要求如下：

3.1 固結(jié)灌漿

對壩基進行全面積水泥固結(jié)灌漿。灌漿孔距2.5m、排距2.5m、孔深5.0m，呈梅花形布置，孔向盡可能與巖石節(jié)理方向正交，使用風(fēng)鉆鉆孔，一次鉆至設(shè)計孔深，孔徑≥42mm，終孔孔徑≥36mm。灌漿技術(shù)要求如下：①先用高壓水將孔內(nèi)沖洗干凈，在完整基巖地段采用單孔沖洗，在破碎地段進行群孔沖洗，沖洗至出水澄清為止，沖洗壓力為灌漿壓力的80%；表面不漏水即可進行灌漿；若表面漏水，則需先澆混凝土墊層，然后通過導(dǎo)出管進行灌漿；灌漿方法采用一次填塞式，在巖石破碎地段采用孔口循環(huán)式灌漿。②巖石裂隙不均勻部分，采用單孔灌漿；對于巖石透水率相近的孔眼，當(dāng)灌漿泵的生產(chǎn)率大于各孔吸漿量的總和時，可采用二孔或三孔串聯(lián)灌漿。③灌漿壓力以不發(fā)生地面抬動為原則，孔口先以較小壓力灌漿，漿液初凝后加大灌漿壓力循環(huán)灌漿。④漿液濃度開始時采用5∶1，然后逐步加濃至0.5∶1，破碎帶開始時可采用4∶1，之后視情況進行調(diào)整。

3.2 高壓旋噴灌漿

在樁號壩0+030.1m-壩0+077.8m壩段上游側(cè)布設(shè)單排高壓旋噴灌漿防滲墻，采用三管法分兩序施工，主要技術(shù)要求如下：①防滲墻深入弱風(fēng)化層≥2.0m，墻體滲透系數(shù)≥5.0×10-5cm/s、抗壓強度≥5MPa。②旋噴樁直徑≥1.2m，灌漿孔孔距0.8m，鉆孔偏斜率≤1%、孔徑大于噴射管外徑20mm以上、孔深超過設(shè)計墻底深度0.3m。③灌漿液采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥漿，漿液水灰比為1.5∶1-0.6∶1，并在水泥漿液中加入摻合料、速凝劑和減水劑等外加劑。④施工控制參數(shù)：水壓力35MPa-40MPa、氣壓力0.6-0.8MPa、漿壓力0.2-1.0MPa、回漿密度≥1.2g/cm3、提升速度(8-15)cm/min、轉(zhuǎn)速[(0.8-1.0)v]r/min。⑤高噴灌漿過程中采取措施保證孔內(nèi)漿液上返暢通，避免造成地層劈裂或地面抬動；高噴灌漿結(jié)束后利用回漿或水泥漿及時回灌，直至孔口漿面不下降為止。

3.3 帷幕灌漿

在壩基上游側(cè)布設(shè)單排帷幕灌漿，孔距2.5m。左右岸擋水壩段起灌高程為壩底高程，孔深13m且達到巖層透水率q≤5Lu以下3m-5m；河床壩段即高噴防滲墻處的帷幕灌漿起灌高程為防滲墻頂部高程，孔底高程低于高噴墻底3m以上。施工主要技術(shù)要求如下：當(dāng)固結(jié)灌漿完成后，或壩體砌至一定厚度后，分批進行帷幕鉆孔及灌漿。鉆孔采用旋回鉆機自上而下一次鉆進，孔徑91mm，終孔孔徑56mm，孔位分序逐步加密。鉆孔完成后，用高壓水對鉆孔進行強烈沖洗后進行壓水試驗，求其單位吸水率。沖洗最大允許壓力為灌漿壓力的80%。灌漿采用分段循環(huán)灌漿法，并通過試驗確定灌漿壓力。當(dāng)四周已完成固結(jié)灌漿,且已砌筑2-3m高砌體(已達4d齡期)，不破壞巖體的原則下，孔口壓力可采用0.3MPa-0.5MPa，孔底壓力可采用0.5-0.7MPa。灌漿漿液濃度開始時采用5∶1，逐步加濃至0.5∶1，破碎帶開始時采用4∶1，以后視情況進行調(diào)整。灌漿結(jié)束28d后，根據(jù)壓水試驗及在灌漿過程中發(fā)現(xiàn)滲漏量大，耗灰量大或串漿，冒漿以及認為質(zhì)量不好的地段布置檢查孔。漏水率>5Lu時進行補孔灌漿，直至滿足要求為止。檢查孔的孔深較臨近孔深3米左右，壓水試驗完成后需灌漿填塞。

3.4 沖孔灌注樁

在樁號壩0+030.1m-壩0+077.8m壩段基礎(chǔ)布設(shè)沖孔灌注樁，樁徑1.0m，間距3.0m，排距3.0m，梅花型布置，樁內(nèi)灌注C20混凝土。施工主要技術(shù)要求如下：采用YKC-30型沖擊鉆鉆孔，樁身穿過砂礫石層，并深入鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖2.0m以上。建基面以下砂礫石層厚度不足2.0m處采用人工開挖，并用C20埋石混凝土回填處理。灌注樁孔口設(shè)置鋼護筒，護筒內(nèi)徑>鉆頭直徑200mm，上部開2個溢漿孔。護筒埋設(shè)深度≥1.5m，中心線與樁中心線偏差≤50mm，并保持孔內(nèi)泥漿面高于地下水位1.5m以上。護筒與孔壁之間用黏土分層夯實，埋設(shè)護筒時，先在樁位處挖出比護筒外徑大80cm的圓坑，填筑50cm厚的黏土，分層夯實，然后將護筒吊入，對稱回填最佳含水量黏性土。泥漿應(yīng)具有良好的物理性能、流動性能和化學(xué)穩(wěn)定性能，主要控制指標(biāo)為：黏土黏粒含量>50%、塑性指數(shù)>20、比重1.2-1.3g/cm3、黏度18-25s、含砂率<5%、失水量<3ml/30min、pH值7-9。泥漿在集中制漿系統(tǒng)中配制，并通過管路送至各樁孔口。鉆孔每鉆進4-5m深度驗孔一次，在更換鉆頭前或容易縮孔處均做驗孔。鉆孔進入基巖后，每鉆進100-300mm清孔取樣一次，以備終孔驗收。清孔過程中，不斷置換泥漿，直至澆注水下混凝土。灌注混凝土前，孔底500mm以內(nèi)泥漿相對密度<1.25，含砂率≥8%，黏度≥于28s，孔底沉渣厚度≤50mm。清孔后立即放入鋼筋籠和導(dǎo)管，并固定在孔口的鋼護筒上。鋼筋籠下完并檢查無誤后立即灌注混凝土，間隔時間不超過4h。墻體材料采用C20混凝土，抗?jié)B等級不低于W4，入孔坍落度為18-20cm，擴散度為34-38cm，坍落度保持15cm以上的時間≥1h，初凝時間≥6h，終凝時間≤24h，混凝土的密度≥2100kg/m3。灌注樁混凝土澆注后樁頂標(biāo)高超出設(shè)計標(biāo)高500mm以上，并對超高部分予以保護，基坑開挖完畢后，對超高部分予以鑿除，并對樁頭進行修整。灌注樁縱向主筋配10φ14，沿樁身周邊均勻布置；箍筋采用螺旋式箍筋，配φ8@200mm。鋼筋的混凝土保護層厚度為50mm。

壩基處理措施平面布置圖詳見圖1，壩基處理措施剖面圖詳見圖2。

圖1 壩基處理措施平面布置圖

圖2 壩基處理措施剖面圖

4 壩基處理效果評價

壩基處理效果主要通過對比處理前后壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求和實際運行效果進行評價。

壩體抗滑穩(wěn)定按下式計算：

(1)

式中：K為按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)；∑W為作用于計算截面以上壩體全部荷載(含揚壓力)對滑裂面的法向分值，kN；∑P為作用于計算截面以上壩體全部荷載(含揚壓力)對滑裂面的切向分值，kN。

按照上述計算方法，荷載組合考慮基本組合和特殊組合，計算壩基處理前后壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，成果詳見表2。從表中可以看出，壩基處理前基本組合擋水壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.88、溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.61，特殊組合擋水壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.75、溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.52，均不能滿足規(guī)范要求；壩基處理后基本組合擋水壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.22、溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.14，特殊組合擋水壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05、溢流壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.04，均能夠滿足規(guī)范要求。由此說明，設(shè)計提出的壩基處理措施能夠有效地解決壩體抗滑穩(wěn)定問題。

表2 壩基處理前后壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)成果表

南界田水電站攔河壩壩頂設(shè)置有水平位移和垂直位移觀測設(shè)施。其中，水平位移觀測布設(shè)1條視準(zhǔn)線，含9個測點、2個工作基點和2個校核基點；垂直位移觀測布設(shè)9個測點、2個水準(zhǔn)工作基點和2個水準(zhǔn)校核基點。南界田水電站于2011年建成投產(chǎn)，運行至今已經(jīng)經(jīng)歷了多場洪水，大壩未曾發(fā)生險情，目前暫未發(fā)現(xiàn)壩基滲漏問題。經(jīng)查閱相關(guān)資料，南界田水電站建成投產(chǎn)以來，保山市共發(fā)生3級以上地震16次，其中2015年10月30日在昌寧縣發(fā)生的5.1級地震震級為最大。根據(jù)長期觀測數(shù)據(jù)顯示，大壩位移在規(guī)范允許的安全范圍內(nèi)。由此說明，設(shè)計提出的壩基處理措施已經(jīng)達到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 語

南界田水電站地處地震頻發(fā)地區(qū)，壩基為沖洪積砂礫石地層，地質(zhì)條件相對較差。采用固結(jié)灌漿、高壓旋噴灌漿、帷幕灌漿和沖孔灌注樁等壩基處理措施后，壩基滲透穩(wěn)定、壩體抗滑穩(wěn)定等問題得以解決，同時壩基承載力也得到提高。電站于2011年建成投產(chǎn)，至今已經(jīng)安全平穩(wěn)運行多年，運行期間經(jīng)歷了多場洪水和地震，安全監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示大壩位移在規(guī)范允許的安全范圍內(nèi)，目前暫未發(fā)現(xiàn)壩基滲漏問題，表明壩基處理效果良好，2019年獲得水利部頒發(fā)的“2018年度綠色小水電站”榮譽。