某電站沖砂閘基礎(chǔ)處理研究及實施

李 永 清， 林 森

(1.四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 610072；2.四川圣達(dá)水電開發(fā)有限公司，四川 樂山 614900)

1 概 況

某大Ⅱ型壩后式水電站，其閘壩建基于深厚砂卵石覆蓋層(厚度達(dá)43 m)上，自2010年完工運行以來，5孔沖砂閘持續(xù)沉降，其中1～2號閘孔單元沉降量超過了設(shè)計值，達(dá)到20 cm，導(dǎo)致1號弧門產(chǎn)生卡阻無法正常啟閉。

分析認(rèn)為，弧門卡阻的主要原因是在施工期間基礎(chǔ)碾壓填筑過程中，部分填筑料級配和密實度控制不嚴(yán)，填筑后未預(yù)留足夠的沉降時間，同時，長期地下滲流導(dǎo)致基礎(chǔ)砂卵石中細(xì)顆粒發(fā)生移動，形成較大空隙，進(jìn)而出現(xiàn)基礎(chǔ)不均勻沉降所致。

為保證電站安全運行，沖沙閘需采取截斷滲流通道、充填砂卵石中空隙等措施進(jìn)行處理，避免基礎(chǔ)持續(xù)沉降。

2 沖砂閘情況分析

2.1 原設(shè)計

工程河段砂卵石覆蓋層最深達(dá)50 m，沖砂閘段位于廠房基坑邊坡開挖范圍內(nèi)。為適應(yīng)基礎(chǔ)沉降變形，結(jié)構(gòu)縫設(shè)置在閘墩中部，閘孔凈寬14 m，底板頂高程416.5 m。閘室底板前緣設(shè)長15 m鋼筋混凝土鋪蓋，與其上游端砂卵石覆蓋層中厚1 m、深50 m的塑性混凝土防滲墻(嵌入基巖1 m)連接，結(jié)構(gòu)縫分別通過橡膠止水、銅片止水、瀝青井等與其他閘室、廠房連接，形成封閉的防滲系統(tǒng)。

閘基碾壓填筑要求為：干密度≥2.32 g/cm3，粒徑<5 mm的含量≤20%，粒徑<0.075 mm含量≤5%，最大粒徑≤500 mm，且級配連續(xù)，相對密度0.78～0.88。

塑性混凝土防滲墻[1]要求為：厚度1 m，28 d抗壓強(qiáng)度≥5 MPa，抗折強(qiáng)度≥1.5 MPa，彈性模量≤3 600 MPa，抗?jié)B標(biāo)號W8，滲透系數(shù)k≤i×10-7cm/s，允許滲透坡降≥80，拉應(yīng)力≤0.2～0.3 MPa。

2.1.1 地基設(shè)計計算沉降量

沉降量理論上為自重應(yīng)力下的沉降量與建閘后的附加應(yīng)力下的沉降量之和。計算將整個填筑體分為10層，按分層總和法計算。經(jīng)計算閘基最大沉降量<12 cm，相鄰部位最大沉降差約1 cm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.1.2 不同工況及不同防滲方案下的地基滲流分析

運用IGW軟件對閘基滲流場、滲透坡降、滲流量等問題對應(yīng)不同運行工況、不同防滲方案分別進(jìn)行了模擬計算，各工況下閘壩段基礎(chǔ)滲流量計算結(jié)果見表1。

表1 各工況下閘壩段基礎(chǔ)滲流量計算結(jié)果

從表1可知，對基礎(chǔ)不進(jìn)行任何防滲措施，其總滲流量在校核工況時可達(dá)0.36 m3/s，為枯期來水量(400 m3/s)的0.09%。采用防滲墻和灌漿帷幕時，滲流量大幅度減小，最大僅為0.02 m3/s；僅設(shè)防滲墻時，滲流量較防滲墻+灌漿帷幕方案增加約0.24%。

2.1.3 防滲墻及砂卵石基礎(chǔ)的三維有限元復(fù)核

根據(jù)工程特點，設(shè)計單位委托第三方采用不同軟件，對設(shè)計方案再次進(jìn)行了復(fù)核，地基、防滲墻、壩體材料采用各向同性本構(gòu)模型，塑性防滲墻兩側(cè)泥皮單元采用橫觀各向同性本構(gòu)模型。依據(jù)地層界限及開挖結(jié)構(gòu)線進(jìn)行離散，一般結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點六面體等參單元，防滲墻上下游側(cè)泥皮、閘壩結(jié)構(gòu)分縫等采用有厚度的薄層單元。

通過計算可知：防滲墻深入基巖形成完整的防滲體系，墻前后水頭差約14 m，折減83.5%，效果顯著。最大滲透比降砂卵石為0.09、基巖為2.10、防滲墻為5～9.5，均滿足各區(qū)域材料允許滲透比降。

防滲墻沉降量隨高程增加而增加，其中完建工況極值為2.2 cm，正常運行工況為2.7 cm。水平位移完建工況主要受閘壩自重所導(dǎo)致的地基變形控制，中下部向上游側(cè)變形，極值為1.15 cm，墻頂受上游水平鋪蓋的影響略向下游變形；運行工況作用于墻體的滲透荷載使其整體向下游變位，在407 m高程處最大位移為2.1 cm。

各工況墻體主應(yīng)力總體呈壓應(yīng)力狀態(tài)，且小于允許值，覆蓋層/基巖交接面處出現(xiàn)極值-0.02 MPa拉應(yīng)力，未超過允許值。

綜上所述，防滲墻起到了很好的防滲作用，墻體應(yīng)力變形處于合理范圍內(nèi)，地基滲透穩(wěn)定性與墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范與設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 閘基砂卵石填筑及防滲墻施工

沖砂閘段基礎(chǔ)填筑施工時段為2007年8月～2008年2月，本段由于原河床砂卵石覆蓋層隨廠房深基坑邊坡的施工被開挖成臺階狀，因此，基礎(chǔ)利用現(xiàn)場開挖的砂卵石料、回采渣場砂卵石料回填碾壓處理，碾壓機(jī)具QX520B(20t)振動碾，碾壓8～11遍。經(jīng)對填筑砂卵石層取樣試驗表明，其小于5 mm含量為20.4～23.7%，小于0.075 mm含量為3.3～5.0%，為級配不良礫，但級配連續(xù)，具低壓縮性和較高的抗剪強(qiáng)度，填筑料基本滿足設(shè)計要求，但局部存在填筑料分離、粒徑超標(biāo)等情況，且填筑砂卵石層后未預(yù)留自然沉降固結(jié)時間，于次月開始閘室混凝土澆筑。

防滲墻于2008年5月16日開工，采用YKC振沖鉆機(jī)，一般5 m一個槽段，槽段間隔施工。

2.3 沖砂閘運行及監(jiān)測

2011年汛期，沖砂閘1號弧門發(fā)生卡阻，當(dāng)閘門開度至0.5 m時，無法繼續(xù)開啟，控制屏顯示閘門左右側(cè)偏差超過了20 mm，使用手動操作也無法糾偏。

截至2011年底，1號閘疊加建立初始值前累計沉降量最大達(dá)174 mm，大于設(shè)計值；閘室單元內(nèi)不均勻沉降值最大51 mm。通過監(jiān)測可知，變形在初始階段較大，隨著時間推移呈逐漸減小趨勢但并未收斂。

通過滲壓監(jiān)測可知，高填方區(qū)的沖砂閘測壓管滲壓普遍偏大，表明高填方區(qū)基礎(chǔ)變形造成該區(qū)域防滲系統(tǒng)存在薄弱部位。

2011年8月，業(yè)主委托專業(yè)人員對沖砂閘右邊墩與廠房左邊墩結(jié)構(gòu)縫面進(jìn)行水下探摸，發(fā)現(xiàn)沖砂閘右邊墩在結(jié)構(gòu)縫部位下游比上游低5 cm，縫寬底部大于頂部，頂部寬僅0.5 cm，小于設(shè)計值2 cm。

閘室上游砂卵石河床低于混凝土鋪蓋40 cm左右，同樣判定該部位存在滲漏通道，在水頭差的作用下部分細(xì)顆粒被移動。

3 基礎(chǔ)沉降原因

根據(jù)前面情況分析，基礎(chǔ)不均勻沉降主要原因為：(1)基礎(chǔ)碾壓填筑過程控制存在薄弱環(huán)節(jié)，部分填筑料級配和密實度控制不嚴(yán)；(2)碾壓填筑施工期短，未預(yù)留足夠的沉降時間；(3)長期地下滲流導(dǎo)致基礎(chǔ)砂卵石中細(xì)顆粒發(fā)生移動，形成加大孔隙。

若要避免基礎(chǔ)繼續(xù)沉降，則需要截斷基礎(chǔ)滲流通道或者延長滲徑，填充砂卵石中孔隙，封閉細(xì)顆粒移動通道。

4 基礎(chǔ)灌漿處理

4.1 設(shè)計方案

砂卵石覆蓋層固結(jié)灌漿，目前施工工藝盡管很成熟，但由于其灌漿壓力較大，施工過程中會對閘室有一定的抬動作用[2]，另一方面，其針對砂卵石孔隙沒有充填灌漿效果明顯，因此設(shè)計推薦采用充填灌漿[3]。

為了不影響施工期電站正常發(fā)電，灌漿僅布置在檢修門門葉下游閘室底板部位，孔排距3×3 m，及下游消力池上段布置兩排，孔排距2×2 m。灌漿深度至原廠房深基坑開挖底界。考慮到閘室檢修門上游位于水下，無法垂直灌漿，因此，在樁號0+010.60 m處布置三排斜孔灌漿，角度分別為：15°、30°、45°。

4.2 方案實施

基礎(chǔ)處理施工于2013年3月19日開始，5月29日完成。采用最新研發(fā)并成功實施的“預(yù)設(shè)花管膜袋式分段阻塞灌漿法”工藝。該工藝一鉆到底、自下而上連續(xù)灌漿，與傳統(tǒng)“套管法”相比，省去了灌注填料、填料待凝等復(fù)雜程序，操作性強(qiáng)、安全可靠、成孔精度高、灌漿故障率低、施工工效高[4]。

4.3 質(zhì)量檢查

每個灌漿單元施工結(jié)束后，按規(guī)定時間分別進(jìn)行質(zhì)量檢查，以鉆孔壓水及聲波檢查為主，并結(jié)合取芯等資料綜合評定。

4.3.1 壓水試驗

灌漿處理后滲透系數(shù)最小6.73×10-5cm/s，最大9.91×10-4cm/s。其中小于5×10-4cm/s的孔段占66.67%～88.89%，且均小于1×10-3cm/s。經(jīng)換算，基本滿足設(shè)計灌漿要求。

4.3.2 聲波檢查

波速灌前最大值2.0 km/s，平均值1.7 km/s，灌后最大值2.25 km/s，平均值1.95 km/s，波速提高率為17.63%，總體提高明顯，高于設(shè)計要求值15%。

4.3.3 取芯檢查

JC-3巖芯水泥膠結(jié)質(zhì)量良好，水泥漿脈清晰可見，取芯效果較好。其余檢查孔巖芯雖有水泥結(jié)石，但大部分卵石沒有膠結(jié)在一起，取芯效果相對較差。但總體可以看出，水泥漿液對改善地層條件有一定效果。

5 灌漿后運行監(jiān)測

5.1 變形監(jiān)測

沖沙閘LS37、LS38等測點(布置于1、2號閘室)在灌漿施工期間垂直位移出現(xiàn)突變，最大約4 cm。過后其沉降變形仍在繼續(xù)，沉降速率與處理前基本一致，并沒有出現(xiàn)明顯的收斂跡象。另外布置于本部位防滲墻體內(nèi)的變形、應(yīng)變等儀器的測值也出現(xiàn)了一定的異常變化。沖砂閘永久垂直位移過程線見圖1。

圖1 沖砂閘永久垂直位移過程線

5.2 再次水下探摸

結(jié)合實際情況，專業(yè)人員于2014年6月再次進(jìn)行水下探摸，發(fā)現(xiàn)1號閘室底板與壩前鋪蓋連接縫處有明顯滲漏，且河床局部出現(xiàn)類似于漏斗狀的塌陷區(qū)，其中心形成直徑約15 cm的漏水孔，塌陷區(qū)最大深度達(dá)1.83 m；結(jié)合其他部位多個滲漏點分析，防滲墻存在滲漏通道。

5.3 下游消力池及海漫涌水

2014年初，運行單位發(fā)現(xiàn)下游消力池及海漫局部出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水點主要位于Ⅱ級消力池中的兩處排水孔、四條結(jié)構(gòu)縫(三條豎向縫，一條橫向縫)，盡管總涌水量較小，但在水淺流速低的部位，明顯看到有細(xì)砂被帶出，堆積厚度約3 cm，充填灌漿后沒有明顯變化。

為了進(jìn)一步查明滲漏及變形，先后采取了聲納滲流檢測、水下機(jī)器人高清攝像示蹤、連通性示蹤試驗等手段，均不同程度反映了存在滲漏通道。

根據(jù)以上判斷，對基礎(chǔ)僅充填灌漿還不能從根本上解決問題，而且由于基礎(chǔ)鉆孔減壓造成短期內(nèi)沉降明顯加大，可能對閘室止水造成進(jìn)一步的局部拉裂，加大了滲漏和變形。同時根據(jù)再次摸排查明的情況判定，防滲墻轉(zhuǎn)彎點存在集中滲水通道(其前緣塌陷區(qū)位于轉(zhuǎn)彎點，亦為YKC墻體槽段搭接施工的難點)，必須對防滲墻進(jìn)行加強(qiáng)處理。

6 防滲墻處理

6.1 設(shè)計方案

方案應(yīng)避免對原有防滲體系和地基造成不良影響甚至破壞。設(shè)計初步擬定了五個方案：

(1)緊鄰原防滲墻上游增設(shè)塑性混凝土防滲墻；

(2)距離原防滲墻上游6 m增設(shè)防滲墻；

(3)在原混凝土防滲墻軸線上鉆孔灌漿；

(4)閘室底板上游側(cè)齒槽部位增設(shè)四排帷幕灌漿；

(5)緊鄰原防滲墻上游增設(shè)四排帷幕灌漿[5]。

經(jīng)論證推薦方案(5)，設(shè)計孔排距1.0×0.8 m，梅花型布置。灌漿穿過巖溶角礫巖，深入泥質(zhì)白云巖1 m，最大深度約69 m。設(shè)計砂卵石層帷幕灌漿要求<1×10-4cm/s，基巖層帷幕灌漿要求<10 Lu。

6.2 方案實施

為了不影響機(jī)組出力，保證施工期庫內(nèi)常水位運行，借鑒海上鉆井，提出了在鋼結(jié)構(gòu)灌漿平臺上進(jìn)行灌漿作業(yè)方式。平臺工作面比正常蓄水位高1.5 m。鋼平臺總重量約365 T，從場外設(shè)計、制作到現(xiàn)場具備灌漿條件，工期46 d，于2014年12月18日開始加工，次年3月2日完成安裝。鋼平臺橫剖面圖見圖2。

圖2 鋼平臺橫剖面圖

帷幕灌漿于2015年3月4日開工，至7月23日灌漿工程全部完成，11月25日檢查孔全部完成。耗漿量最大為下游排Ⅰ序孔，覆蓋層最大單耗3 576.47 kg/m，基巖最大單耗4 373.33 kg/m。隨灌序的遞增，單位注入量呈明顯遞減規(guī)律，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減50.4%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減54.2%。

6.3 質(zhì)量檢測及監(jiān)測

灌漿完成后進(jìn)行了檢查孔的壓水和注水試驗，合格率100%。

灌漿期間，施工單位在閘室下游設(shè)置一量水堰，隨著灌漿的推進(jìn)，測得量水堰水位明顯下降，相應(yīng)滲漏量減少，當(dāng)然量水堰水位與庫水位也有一定規(guī)律的聯(lián)系。

灌漿過程中，施工單位對下游消力池部位冒水點進(jìn)行了觀測、拍照和錄像，對比發(fā)現(xiàn)灌漿后滲水量明顯減少。2015年2月24日，施工現(xiàn)場第一次發(fā)現(xiàn)消力池部位出現(xiàn)白色漿體，25日有關(guān)方使用抽筒聯(lián)合對白色漿體進(jìn)行了取樣，經(jīng)確認(rèn)為水泥漿液結(jié)石，是某些孔段灌漿后冒出的漿液，可以判定存在較大滲漏通道。后通過待凝、摻外加劑等措施，隨著灌漿的繼續(xù)，冒漿逐漸減少直至消失。

帷幕灌漿后，沖砂閘沉降明顯減速。截至2021年底工程已安全運行6年有余。

7 結(jié) 語

經(jīng)過兩次加固處理，終于解決了工程所存在的問題，消除了隱患。

本工程沉降滲漏處理，從收集資料、分析原因、提出處理方案、現(xiàn)場實施等過程前后耗時約五年，是一個漫長而復(fù)雜的過程，兩次處理共耗資約6 000余萬元。若帷幕灌漿和充填灌漿同時實施，應(yīng)會達(dá)到更好的處理效果。

在水利水電工程建設(shè)中，質(zhì)量安全尤為重要，若出現(xiàn)潰壩后果難以設(shè)想。通過此項目的實施，可以看到對于深厚覆蓋層基礎(chǔ)、高填方基礎(chǔ)、特別是軟弱且不均勻基礎(chǔ)，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理、保證合理工期、預(yù)留充分的自然沉降固結(jié)時間，才能有效提高工程質(zhì)量。