克孜尔水库F2活断层防渗处理

宋瑞华 曲 苓 李炳奇

(1.新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000；2.中国水利水电科学研究院 北京 100044)

1 工程概况

1.1 工程地理位置及工程特性

克孜尔水库位于新疆阿克苏地区拜城县渭干河干流木扎提河与支流克孜尔河的汇合处,坝址西距拜城县约60km,东距库车县约70km,是一座以灌溉、防洪为主兼有水力发电等综合利用性的大型水利枢纽工程。

克孜尔水库设计总库容为6.4亿m3,设计灌溉面积320万亩,为大 (1)型Ⅰ等工程。枢纽工程由拦河主坝、副坝、副坝二道坝、溢洪道、泄洪排沙涵洞、发电引水涵洞和坝后电站组成。

主坝和副坝均为粘土心墙砂砾石坝,主坝坝顶高程1154.60m,坝顶长920.6m,最大坝高44.0m,副坝坝顶高程1154.00m,坝顶长1288.0m,最大坝高32.6m,副坝右坝肩是F2断层活动将Ⅲ～Ⅳ级阶地错断上升形成的大方山,方山长500m,宽160m,最高点高程1177.58m,方山北坡为活动的F2断层带,坡高33m左右,为副坝右坝肩,工程地质条件极复杂。

1.2 工程运行情况

克孜尔水库工程于1984年下半年开始 “三通一平”,1991年6月上旬开始蓄水滞洪发挥效益,1993年主体工程基本完工。

副坝右坝肩建筑在蠕动变形的F2活动断层上,这在国内尚属首例,国外也不多见,可供借鉴的经验很少。活动断层上筑坝的设计是国内坝工建设的开创性工作,水库运行16年的观测资料以及大坝经受1999年3月15日发生的7°地震后的观测资料已初步表明,在F2活动断层上筑坝设计是成功的,运行是安全可靠的。

2 运行过程中出现的主要工程问题

2006年9月10日克孜尔水库管理局在工程安全检查时发现在主坝左坝肩、坝轴线下游251m处的方山南岸3号冲沟坡脚处有两处渗水点,其中一处渗水于11日形成明流流向老河床。从水库蓄水以来F2断层带渗水的发展趋势来看,断层带渗水有继续向下游扩展和水位升高的趋势,F2断层带部位防渗效果变化情况见图1、图2、图3。

水库运行16年以来,F2断层带的防渗效果有所下降,沿F2断层带向下游的渗漏在向两侧及下游扩散、发展,坝后水位升高。分析原因主要是由于F2活动断层蠕动变形,F2断层破碎带及裂隙中含有石膏等水溶盐,经地下水溶蚀后带出,加之该段地下水对普通水泥具有硫酸盐和硫酸镁强腐蚀,导致F2断层带部位的防渗效果下降,而使方山及F2断层带坝后的地下水位升高。

根据2006年9月在F2断层带桩号1+250m处的钻孔压水试验成果,透水率平均值q=17.3Lu,最大值为 q=81.9Lu(为高程 1140.17～1135.17m),高程1140.17～1110.17m的透水率层平均值为q=26.4Lu,属于中等透水层；如果F2断带的渗漏趋势继续扩大,将影响到方山南坡的稳定,为确保方山南岸高边坡的整体稳定性,有必要对F2断层带进行防渗处理。

图3 F2断层部位坝后地下水位流网图示意(2006年2月)

3 F2断层带加固处理

3.1 原设计F2断层带处理

大坝施工时对F2断层带采取了以下处理措施:

⑴尽可能挖除F2断层带表层破碎的透水层,不能挖除的部分进行了固结灌浆和帷幕灌浆。

⑵经过固结灌浆的断层破碎带,由于活断层的继续活动,还会产生新的裂隙,应使裂隙有自愈的能力,因此,对F2断层及其影响带范围内的心墙防渗体加宽到20～30m,以增加渗水通过断层部位的渗经,在心墙上、下游增加反滤层和过渡层的厚度,并对心墙下游侧F2断层出口设反滤保护。

⑶在副坝右坝肩下游设置充分可靠的排水措施。

⑷为监测F2断层的活动性及坝肩处的应力应变状态,施工时在该部位埋设了监测仪器。

3.2 F2断层加固处理设计原则

⑴F2断层加固处理主要是防渗处理,减少通过坝基防渗体的渗漏量,降低坝后地下水位的高度和扩散范围,确保方山南坡高边坡的整体稳定性。⑵处理方案要充分考虑到防渗结构的可靠性和耐久性。⑶该部位地下水对普通水泥具有硫酸盐和硫酸镁强腐蚀,部分地下水对抗硫酸盐水泥仍有强腐蚀,处理方案选用的防渗结构要有足够的抵抗硫酸盐腐蚀的能力。

3.3 F2断层加固处理方案比选

F2断层带由三支断层组成,该断层带岩体为弱胶结的软岩,加上断层的破坏、风化、卸荷作用,岩体非常破碎。

在工程施工时,仅将表层破碎的透水层清除,底部进行普通的固结灌浆和帷幕灌浆处理。

工程投入运行近二十年来,由于受F2活断层的影响和地下水硫酸根离子的腐蚀,防渗帷幕遭到了严重破坏。试验表明F2活断层带的透水率平均值为q=26.4～17.3Lu,最大值为q=81.9Lu,因此必须进行防渗处理。

根据F2活断层带的工程地质特性和F2仍在活动,以及地下水硫酸根离子含量较高的特点,拟定两个加固处理方案进行比较,优选出技术上可靠、施工简单、经济合理的加固处理方案。

(1)超细水泥﹢化学材料复合灌浆方案。

F2活断层带的岩性为砂岩、泥岩,断层带裂隙小,普通水泥由于颗粒粗,可灌性差,原施工时通过灌浆试验选用了胶体磨超细水泥灌浆,可灌性相对较好,为抵抗硫酸根离子对防渗帷幕的侵蚀,本次选用超细水泥灌浆加化学材料灌浆,即设置三排帷幕灌浆,上下游两排为超细水泥灌浆,中间一排为化学材料灌浆,排距1.5m,上下游两排超细水泥灌浆孔距为2.0m,梅花型布置,中间一排化学材料灌浆孔距为1.5m,三排帷幕灌浆孔深相同,均为15～35m,处理深度同原坝基防渗处理深度,化学材料灌浆帷幕轴线与原大坝防渗轴线重合。

(2)塑性混凝土防渗墙方案。

由于坝基岩体强度低,饱和抗压强度平均2.34MPa(平行层理),又处于断层破碎带范围,采用塑性混凝土防渗墙进行加固处理,该方案施工难度相对困难,但难度不大并且是可行的。

塑性混凝土防渗墙厚度采用800mm,墙体强度为2～5MPa,弹性模量400～1000MPa,水泥采用抗硫酸盐水泥。防渗墙深度为进入基岩透水率小于5Lu线以下1.0m,最深处在心墙建基面以下约30m,塑性混凝土防渗墙轴线与原大坝防渗轴线相重合。

塑性混凝土防渗墙从坝顶垂直向下开槽,穿透心墙向下进入基岩,墙体深入基岩最大深度约为30m,对于坝体心墙内的槽孔,为了保证防渗体的完整性,有利于心墙正常安全的运行,采用塑性混凝土防渗墙浇筑。

表1 F2活断层处理方案比较

(3)F2处理方案比选。

对超细水泥﹢化学材料复合灌浆及塑性混凝土防渗墙这两种处理方案,从施工难易程度、运行期的安全可靠性、抵抗F2断层活动的影响、抵抗地下水硫酸根离子侵蚀的能力、渗漏量大小、对方山南坡稳定性影响和工程投资等方面进行了综合比较评价。

通过比较表明,塑性混凝土防渗墙方案耐久性好,在材料内添加了膨润土并且采用抗硫酸盐水泥,抵抗硫酸根离子侵蚀的能力较强,即使防渗墙产生裂缝渗漏量也不大,这对方山南坡稳定是有利的,而且投资较低。

因此采用塑性混凝土防渗墙方案对F2活断层做防渗处理。

4 结论

(1)通过对F2断层带部位大坝下游地下水位的发展趋势判断,沿F2断层带向下游的渗漏在向两侧及下游扩散、发展,坝后水位升高,防渗帷幕遭到了严重破坏。

(2)造成防渗帷幕严重破坏的原因主要是由于F2活动断层蠕动变形及地下水对普通水泥具有硫酸盐强腐蚀,导致F2断层带部位的防渗效果下降。

(3)通过对F2断层带两种处理方案多因素进行综合比较,优选出质量可靠、防渗效果和耐久性好的塑性混凝土防渗墙处理方案。

略)