向家壩水電站壩基混凝土防滲墻研究及應用

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 430014)

1 工程概述

向家壩水電站是金沙江下游河段規劃的最末1個梯級，壩址位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界處。電站距下游宜賓市33km，距水富縣城1.5km。工程的開發任務以發電為主，同時改善航運條件，兼顧防洪、灌溉，并具有攔沙和對溪洛渡水電站進行反調節等作用。電站壩址控制流域面積45.88萬km2，正常蓄水位380.00m，水庫總庫容51.63億m3，裝機容量6400MW。大壩采用混凝土重力壩，最大壩高162.00m。

工程于2004年7月開始籌建；2006年11月26日，向家壩水電站主體工程開工建設；2008年12月28日截流；2012年10月下閘蓄水；2012年11月右岸地下電站首批2臺機組投產發電；2013年4月大壩全線澆筑至壩頂；2013年7月水庫水位由354m抬升至死水位370m，9月蓄至正常蓄水位380m；左岸壩后電站第1臺機組于2013年10月投產發電；2014年7月，全廠8臺機組全部投產發電。

2 向家壩壩基的軟弱破碎特性

2.1 撓曲核部破碎帶分布特點

撓曲核部破碎帶在平面上斜穿左泄水壩段壩踵、右泄水壩段消力池，在高程240m的分布寬度為：壩踵部位40m，壩趾部位70m。破碎巖帶總體走向NW，傾向SW(即右岸偏上游)，傾角在30°～40°。

針對壩踵部位出露的撓曲核部破碎帶及其影響帶，采取開挖壩踵齒槽的方式截斷潛在的主滑面，以保證大壩的深層抗滑穩定，同時挖除壩踵部位Ⅳ～Ⅴ類巖體，改善壩踵部位應力變形條件；對于在壩基中部、壩趾及消力池出露的撓曲核部破碎帶，采用適當深挖40m深齒槽并置換混凝土的方法。通過上述開挖處理設計，大壩建基面均為Ⅲ2及以上巖體，大壩及消力池齒槽底面仍保留部分Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶巖體，其中泄④～⑧壩段位于壩踵部位，最大厚度約60m[1]。

2.2 撓曲核部破碎帶物質組成

撓曲核部破碎帶頂、底界面不規則，起伏大，鉛直厚度多在10～60m。勘探孔揭露該破碎巖帶巖體多呈碎塊狀，夾雜碎屑狀和短柱狀，碎屑狀結構的占31.4%～37.0%。經顆粒分析，撓曲核部破碎帶內的碎塊結構巖體的顆粒組成以粒徑大于5mm的為主，一般占70%～90%；碎屑結構巖體則以粉細砂為主，一般占30%～60%，黏粒占10%左右。

2.3 撓曲核部破碎帶物理力學特性

2.4 撓曲核部破碎帶巖體滲透特性

經試驗成果分析，撓曲核部破碎帶巖體的滲透性差異較大，其中碎屑結構巖體的滲透系數在A×10-6cm/s左右，臨界坡降在8.33～13.84，破壞坡降在16.8～54.63，破壞形式既有管涌也有流土；碎塊結構巖體的滲透系統則在A×(10-4～10-5)cm/s，臨界坡降為4.21～5.58，破壞坡降為44.4～49.8，破壞形式既有管涌也有流土。

3 軟弱破碎壩基的防滲處理方法

3.1 防滲工藝選擇與比選方法

3.1.1 常規水泥灌漿

撓曲核部破碎帶主要呈碎塊結構和碎屑結構，其中碎屑結構物質顆粒細，具有原位條件下含水率低(5%～7%左右)、密實度高(2.2～2.4g/cm3)、強度低、透水率小(10-4～106cm/s)、遇水易塌孔、可灌性差等特點。

參照《水力發電工程地質勘察規范》(GB 50287—2006)附錄L中無黏性土允許水力比降確定方法的規定，以試驗成果的臨界坡降除以1.5～2.0的安全系數取允許比降，撓曲核部破碎帶內碎屑結構巖體的允許比降建議取4～5，碎塊結構巖體的允許比降建議取2～3。對比壩基滲流計算分析成果，如果防滲體質量不理想，沿撓曲核部破碎帶存在產生滲透破壞的可能。現場灌漿試驗成果表明，常規水泥灌漿成孔困難、可灌性差，對壩基存在的撓曲核部破碎帶地質缺陷處理難以達到設計要求。

3.1.2 化學灌漿

針對該部位軟弱破碎巖體的物理力學性質，對撓曲核部破碎帶進行“水泥-化學復合”帷幕灌漿試驗，以研究化學灌漿的適宜性。試驗用化灌材料選用CW510環氧樹脂灌漿材料和AC-Ⅱ丙烯酸鹽灌漿材料進行對比分析，AC-Ⅱ丙烯酸鹽化學灌漿材料和CW510系環氧類化學灌漿材料各有4個孔，孔距1.0m。

灌漿試驗成果表明：濕磨細水泥+AC-Ⅱ丙烯酸鹽復合灌漿對改善抗滲性能有一定的效果，但對改善不良地質體強度效果不明顯；濕磨細水泥+CW環氧材料復合灌漿對改善壩基不良地質體強度和抗滲性能效果有限。從取芯及芯樣偏光顯微鏡檢查情況看，CW環氧材料對微細裂隙結構風化疏松巖體(屬Ⅴ類巖體)的充填和浸潤效果一般，不良地質體灌后透水率、疲勞壓水試驗和破壞性壓水指標基本滿足設計要求，聲波值有一定程度改善。同時，化學灌漿存在化灌材料單耗偏大、部分柱狀巖芯中未見明顯環氧材料充填等現象。

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3.1.3 塑性混凝土防滲墻

為了對防滲墻的效果及適宜性進行分析，對典型壩段泄⑥建立壩體-地基二維有限元整體模型(見圖1)，采用非線性有限元法分別對工程完建工況和正常蓄水位工況進行滲流及應力分析。

圖1 壩基防滲墻布置

3.1.3.1 滲透比降

取防滲墻的滲透系數為10-8cm/s，考慮固灌后固灌范圍巖體滲透系數的變化以及防滲帷幕和排水孔的影響進行滲流計算，得到的防滲墻滲透比降分布如圖2所示。可見：防滲墻最大水力梯度為50，發生在防滲墻與大壩接頭處，從接頭處到底部水力梯度遞減，底部的水力梯度為12。

圖2 防滲墻滲透比降分布

3.1.3.2 防滲墻與周圍巖體位移和應力協調性

計算分析成果表明：從完建工況和正常蓄水工況位移分布圖來看，防滲墻底端與周圍巖體面的位移差別非常小，沒有明顯的相互錯動。從完建工況和正常蓄水工況應力圖來看，在防滲墻頂部、底部、與JC2-10交界處以及150m高程附近的Ⅳ～Ⅴ類巖與Ⅲ1類巖交界處均存在突變。其中防滲墻頂部和底部的應力突變是由于邊界點應力奇異造成的，而JC2-10交界處以及150m高程附近的Ⅳ～Ⅴ類巖與Ⅲ1類巖交界處均存在突變則是由于巖體材料特性突變造成的。從整體上看，除了個別應力集中點以外，完建工況和正常蓄水工況防滲墻的主拉應力值都很小，主壓應力值也普遍比較小，完建工況主壓應力值基本小于1MPa，正常蓄水工況主壓應力值基本小于1.5MPa。

3.1.4 防滲形式比選

如圖1所示，泄④～⑧壩段壩踵深齒槽底部撓曲核部破碎帶巖體，通過對其進行水力學特性試驗研究，發現其可灌性較差，常規水泥灌漿難以滿足設計要求；化學灌漿試驗表明，灌漿工藝復雜、水泥及化學漿材耗漿量大，對于破碎帶強度及抗滲處理效果有限；防滲墻能夠滿足壩基滲透穩定的要求，且與周圍巖體的變形基本協調。最終確定壩基撓曲核部破碎帶采用混凝土防滲墻的防滲形式。

3.2 防滲墻設計指標確定方法

3.2.1 防滲墻設置范圍

如圖1所示，泄④以左壩段壩踵齒槽已將以擠壓破碎帶、撓曲核部破碎帶為代表的地質缺陷全部挖除，齒槽底部坐落在Ⅲ類巖體上，其防滲處理采用常規帷幕灌漿；泄水壩段泄⑦～泄⑦壩踵齒槽底部高程為203.00m，其下部尚存有最大深度達60m的撓曲核部破碎帶；泄⑧～泄⑩壩段壩踵高程抬高至240.00m，建基巖體為Ⅱ～Ⅲ1類巖體，其厚度基本在35m以上，撓曲核部破碎帶下伏在Ⅱ～Ⅲ1類巖體以下，且越往右岸，破碎帶厚度越薄，埋藏越深；泄⑧以右壩段撓曲核部破碎帶埋深已達40m以上，可采用常規復合灌漿進行處理。因此，泄④～泄⑧采用混凝土防滲墻作為壩基撓曲核部破碎帶防滲處理方案。

壩基防滲墻總長88m，墻厚1.2m，頂部高程為210m，底部高程為148m，最大墻深62m，墻底進入Ⅲ類巖體至少2m，共計3432m2。對防滲墻與基巖的接觸面及以下巖體進行常規灌漿，防滲帷幕采用2排孔，孔底高程均為80.00m，2排帷幕孔均在防滲墻內埋管設置；另外，在防滲墻的下游進行深孔固結灌漿，孔底高程140.00m，基本與防滲墻底部高程相同，重點對防滲墻下游經沖擊擾動的Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶巖體進行灌漿。防滲墻典型斷面見圖3。

圖3 壩基防滲墻典型斷面

3.2.2 防滲墻墻厚

混凝土防滲墻厚度的確定，主要取決于墻體混凝土的抗滲比降、施工技術水平和機械設備能力。防滲墻的滲透穩定性取決于混凝土的抗滲比降。混凝土自身的抗滲比降隨其強度的增大而提高，可以達到很大的值，考慮一定的安全儲備，允許比降通常在100左右。考慮到混凝土防滲墻是在泥漿下澆筑而成的，且為隱蔽性工程，其質量控制較為困難，國內混凝土防滲墻的抗滲比降一般采用70～90。防滲墻厚度主要根據墻體所承擔的水頭，即混凝土的抗滲比降確定[2]。按照滲流分析成果，防滲墻墻體承擔110m水頭，以此確定墻厚為1.2m，相應抗滲比降為92。其次定墻厚時也考慮了當前國內外造孔機械設備的現狀和施工難度，以加快防滲墻的建造速度，否則將會增加工程造價。

3.2.3 防滲墻強度分析方法

采用非線性有限元方法對強度分別為1.25MPa、5MPa、12.5MPa的三種防滲墻參數進行分析的成果表明，防滲墻強度的變化對其變形的影響不顯著，無論是水平變形還是垂直變形均只有微小的變化；隨著防滲墻強度的提高，最大主應力和最小主應力極值均逐漸增大；在5MPa的防滲墻強度下，防滲墻的主壓應力均不超過1.5MPa。

根據本工程防滲墻特點，并類比其他工程，經綜合考慮初步擬定防滲墻指標如下：抗壓強度3～5MPa、模強比500、滲透系數不大于10-8cm/s。

3.2.4 防滲墻細部設計方法

3.2.4.1 防滲墻與大壩的銜接

根據防滲墻非線性有限元分析成果，在5MPa強度防滲墻參數情況下，壩體自重工況下，大壩水平位移以傾向上游為主，防滲墻的水平位移最大值為-0.75 cm，豎向最大位移為-3.85cm，均出現在防滲墻頂部。正常蓄水位工況下，防滲墻的水平位移最大值為3.44cm，出現在JC2-9和JC2-10之間的防滲墻中部，豎向最大位移為-3.22cm，出現在防滲墻頂部。

根據有限元分析成果，結合工程類比，防滲墻與大壩連接接頭初步擬定如下：防滲墻頂部伸入壩體導槽1.3m，接頭頂部和上、下游側與壩體之間均設有銅片止水，并設置閉孔泡沫板，作為彈性變形空間。防滲墻接頭頂部、上游側、下游側閉孔泡沫板厚分別為10cm、3cm、5cm。

3.2.4.2 防滲墻與帷幕的銜接

按照壩基滲控系統總體布置，防滲帷幕采用3排同深孔，排距1.5m，孔距2m，孔底高程均為90.00m。在泄④～泄⑥壩段防滲帷幕穿過Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶部位，采用塑性混凝土防滲墻代替第二排帷幕灌漿，防滲墻厚1.2m，墻底進入Ⅲ2類巖體至少2m。第二排帷幕孔在防滲墻內埋管施工，重點對防滲墻與基巖的接觸面及以下巖體進行帷幕灌漿；第一排和第三排帷幕孔對防滲墻上下游經沖擊擾動的Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶及以下巖體進行灌漿。泄⑦～泄⑩壩段壩基高程210.00m隧洞以下防滲墻和灌漿布置同泄④～泄⑥壩段，防滲墻隧洞頂拱以上Ⅱ～Ⅲ1類巖體帷幕灌漿待壩基高程210.00m隧洞回填混凝土后，在壩體高程245.00m帷幕廊道施工[3-4]。

4 防滲墻運行效果分析

向家壩水電站于2012年10月下閘蓄水，初期蓄水位354m；2013年7月水庫水位由354m抬升至死水位370m，9月蓄至正常蓄水位380m；壩基防滲系統經歷了工程蓄水及初期運行的實踐檢驗。

為了監測壩基防滲墻的運行情況及防滲效果，在基礎防滲墻部位共埋設安裝滲壓計31支，起測時間為2012年4月—2013年4月。

首次蓄水354m期間，防滲墻滲壓計折算水位隨庫水位上升呈增大趨勢，防滲墻上游側滲壓計的折算水位比防滲墻后的折算水位高出約50m，說明防滲墻起到了一定的防滲效果。蓄水370m后，防滲墻滲壓水位隨著庫水位上升而升高，蓄水結束后，防滲墻上游滲壓水位上升近9m，下游側滲壓水位上升近5m，防滲墻基礎滲流趨緩。蓄水380m后，防滲墻上游滲壓水位最大上升4.46m，下游側滲壓水位最大上升3.57m。

2013年底至今，防滲墻上游測點測值比下游測點測值高約40～70m，防滲墻部位滲壓基本穩定，說明防滲墻起到了良好的防滲效果。圖4為截至2019年12月防滲墻監測斷面滲壓計監測分析圖。

5 結 語

在水電工程中，混凝土防滲墻多用于土石壩深厚覆蓋層的壩基防滲中，混凝土壩壩基地質條件相對較好，通常采用帷幕灌漿作為防滲體。向家壩水電站大壩雖為混凝土重力壩，但壩址地質條件極為復雜，通過綜合技術經濟分析，基礎采用“擴大壩基+壩踵齒槽+深孔固結灌漿”綜合處理方案，但河床泄水壩段壩踵部位仍保留約60m厚的Ⅳ～Ⅴ類撓曲核部破碎帶巖體，其強度較低、遇水泥化、可灌性差。設計采用塑性混凝土防滲墻的防滲形式，成功地解決了工程軟弱破碎巖體的防滲問題。

蓄水至今，防滲墻已在設計運行條件下正常工作7年多，充分說明了軟弱破碎巖體中防滲墻良好的防滲效果。

圖4 防滲墻監測斷面滲壓計監測分析