英布鲁水电站坝基岩体渗流特性及工程对策

乔东玉 韩治国 杜长青 高志飞

1 坝基岩体的水文地质特性

1.1 砂岩的物理结构及其水理特性

英布鲁坝基白垩系砂岩多呈黄白或灰白色,中、细粒结构,粒径多为0.075～0.5 mm,约占82.8%,主要矿物成分为石英,含有少量长石等。中、细砂颗粒均匀,磨圆度好,多呈孔隙式点接触弱胶结,长石多已风化,孔隙内可见高岭土团粒,局部胶结物中含有少量硅质。岩石结构破坏后,在松散砂状态下,孔隙内的高岭土物质呈白色絮状胶体析出并沉淀,含量为1.46%～2.15%。砂岩孔隙率约25%,天然干密度2.0 g/cm3,单轴抗压强度多小于5 MPa,具有高孔隙率、低密度、低强度和易扰动破坏等特性,属极软岩；同时,砂岩结构疏松,孔隙发育,渗透性强,在强渗流作用下,易发生渗透破坏。

岩体的上述物理、水理性质与其成岩胶结程度密切相关。英布鲁砂岩成岩程度很低,属于弱中等胶结。易溶盐含量低,为HCO3--Ca2+型。由于地下水具有较强的水交替作用和弱酸性,为砂岩中长石颗粒的高岭石化作用提供了条件,砂岩中普遍缺少长石,其原因是原砂岩中少量长石已转化 (蚀变)为高岭石。砂岩孔隙内的高岭土团粒,即砂岩结构破坏后粒径小于0.074 mm的白色析出物,为弱结晶的高岭石。而由于CaCO3含量低 (0.13%～1.65%),致使砂岩的钙质胶结作用微弱。

1.2 砂岩的水文地质构造特征

工程区域白垩系砂岩连续沉积厚度巨大,由厚度普遍在1～2 m以上的近水平岩层组成。岩层近水平层面节理和交错层理面节理构成了坝基岩体主要的一组结构面,形成特有的孔隙-层面节理岩体介质。巨厚砂岩沉积不存在理论上的隔水层,而且砂岩结构疏松,孔隙非常发育,实际是一种以孔隙为主的 (n=25%)含有层面节理的孔隙-层面节理介质,因此无论从岩体质量抑或是其渗透性来看,都可认为是一种相对均匀的岩体,亦即整个巨厚砂岩沉积层是一个统一的孔隙地下水系统 (单元)。

考虑坝基岩体水文地质特性,将其自下而上分为3层,即①由薄层沉积层理构成的层状软弱砂岩(K2i-l),总体表现为强透水性；②由中层—厚层沉积层理构成的厚层状软弱砂岩 (K2i-2),呈中等—强透水性,渗透性相对较均匀；③由薄层沉积层理构成的层状软弱砂岩 (K2i-3),呈中等—强透水性,渗透性不均匀。其在坝基范围内的分布高程、厚度及结构特征见表1。

表1 坝基岩层结构及产状分布特征表

按坝基岩体结构的差异,可分为三大层两种类型,见表2。其中:第②层沉积层理较厚,胶结程度和完整性相对较好；第①、③层沉积层理薄,胶结程度和完整性相对较差。第③层软弱砂岩顶部为全—强风化层,一般厚5～8 m,呈风化砂状,沉积层理结构已不明显,而中下部岩体风化程度微弱；第②、①层软弱砂岩岩体新鲜。三大层砂岩在物质组成、胶结形式上基本相同,岩体组成相对较均匀,局部地段3层间的界线不明显,呈逐渐过渡状态。

岩成岩程度差,孔隙及层面节理发育,成为地下水的良好储存和径流介质,地下水赋存状态主要表现为孔隙潜水和孔隙-层面节理潜水两种形式。而如前所述,不同层位或不同地段的软弱砂岩,其岩体透水性存在一定差异,尤其是岩层在水平方向和垂直方向上存在的渗透各向异性,造成地下水在局部地段形成层间微弱承压现象。坝基砂岩三大层位的划分已表明其在渗透性上存在一定结构性差异,但进一步划分至更小的层位,即更细的沉积层理结构面层次上,其差异已不明显,亦即岩层不存在理论上的相对 “透水层”和 “隔水层”,其 “渗透性差异”现象与通常的 “承压水”概念有所不同。钻进过程中地下水位随孔深加大逐渐升高的规律以及基坑施工开挖中的降水过程,都证实了对砂岩以潜水性质为主的赋存状态的认识是正确的。

表2 坝基岩体结构分类表

1.3 砂岩的渗透及渗变特性

从钻孔压水试验成果看 (表3),上部K2i-3和K2i-2两层的透水性相近,下部K2i-1层透水性偏大。岩体透水率多在60～90 Lu,为中等透水性,局部岩体透水率超过100 Lu,呈强透水性。室内渗透试验,砂岩的渗透系数为3.00×10-4～2.80×10-3cm/s,平均1.80×10-3cm/s,属中等透水性,与钻孔压水试验成果一致。

表3 钻孔压水试验成果

砂岩渗透变形试验成果 (见表4),临界坡降1.48～2.75,平均2.12；破坏坡降21.31～56.02,平均38.67。如前所述,虽然垂直层面与平行层面方向的渗透性差异不明显,但渗透变形试验反映,其垂直与平行层面两个方向上仍存在差异,前者的临界坡降及破坏坡降是后者的近2倍,表明沿层面方向更容易发生渗透变形破坏。而实际状态是,坝基砂岩颗粒大小较为均匀并且处于弱胶结状态,其破坏型式一般表现为有临空面时发生的溯源方向的流土破坏,基坑开挖过程中边坡渗水形成的孔洞以及钻孔涌水造成的孔壁坍塌等破坏,均属于此类现象。

现场和室内渗透试验结果及地质分析认为,由于岩体具有中等—强透水性,除②层软弱砂岩和③层中下部软弱砂岩等具有一定的抗渗透破坏能力外,包括③层上部5～8 m全—强风化岩体、③层中部部分软弱砂岩在内的岩 (土)体,均可能存在不同程度的渗透破坏问题。从坝基岩体质量特性及渗透地质模型看,分布高程位于高程275～260 m之间的第②层软弱砂岩垂向透水性相对较弱,若考虑垂直防渗措施,帷幕下限应不低于高程265 m。高程260 m以下第①层软弱砂岩属强透水性,并且与库水联系较弱,因此,不宜揭穿第②层进入该层。

表4 坝基岩石室内渗透变形试验成果

2 坝基岩体灌浆地质特性分析

2.1 试验灌浆成果分析

通过现场试验性灌浆,得到如下结论:

(1)灌浆前、后岩体的透水率和声波波速改变均不明显。灌浆前岩体的透水率为68～250 Lu,平均值为100 Lu；灌浆后岩体的透水率似有所降低,为54～150 Lu,平均值98 Lu。岩体纵波速度由2 510 m/s提高到2 560 m/s左右,虽有小幅提高,但不明显,这与岩体中破裂结构面发育极少是一致的。另外,从地质条件分析,采用普通水泥灌浆,浆液在砂岩孔隙中扩散范围有限,是灌浆后岩体的透水率和波速改变不明显的主要原因；因此,从灌浆效果看,采用普通水泥灌浆难以达到坝基防渗目的。

(2)通过灌浆,可以对施工开挖爆破、扰动裂隙、卸荷层面裂隙、混凝土与基岩的接触面等起到固结作用。Ⅰ序孔单位注入量14.87～153.62 kg/m,平均41.40 kg/m。经过Ⅰ序孔灌浆,后序孔的单位注入量明显减小,但Ⅱ序次以后单位注入量没有递减的趋势。

(3)从灌浆效果看,固结灌浆孔距以接近Ⅱ序次孔距 (3.5～5 m)较为合适,过密的孔距 (如Ⅲ、Ⅳ序)不仅不能达到灌浆目的,还会对坝基岩体的完整性造成破坏。

灌后岩体透水率和波速检查成果见表5。

表5 灌浆试验效果检查成果表

2.2 施工灌浆效果分析

固结灌浆施工中,采用了多排交错布置方式(孔排距2.5 m),排与排之间钻孔互相交错,孔深为 (建基面以下)3 m,灌前、灌后岩体的透水率和波速检查成果见表6。

从检测结果看,灌后岩体声波速度有明显提高,提高率6.70%～31.50%,岩体透水率也相应有所降低,说明固结灌浆设计方案是合适的。同时,基于灌浆试验 (工作面普遍低于地下水位13 m以上、岩石胶结差等因素)提出的固结灌浆起始压力不小于0.2 MPa,最大压力不超过0.6 MPa的灌浆参数也是合适的。

表6 固结灌浆施工效果检查成果表

3 坝基渗流控制措施研究

坝基砂岩透水性较强,无相对隔水层,可认为是一个无限边界透水体,因此帷幕加深与否都是悬挂式。渗流分析得出以下结论:(1)坝基设置防渗帷幕对渗流影响不大。随着帷幕深度加大,下游坝趾处渗流比降虽有所降低,但降低不多,即帷幕作用不明显。(2)设置帷幕与否,坝基渗透比降都小于岩体允许渗透比降,因此取消帷幕对坝基渗流稳定基本没有影响。

从透水性角度看,坝基岩体孔隙率达25%,透水性较强；但从水泥灌浆的角度看,岩体孔隙则较小,结构较紧密,浆液扩散半径非常小,采用普通水泥灌浆方法将不能达到防渗目的。另一方面,由于开挖卸荷回弹、地下水向基坑临空面渗流作用以及人为作用等因素,坝基浅部岩体局部产生层面裂隙,因此,坝基固结灌浆措施是必要的,其在强化浅部岩体完整性的同时,也有利于提高被扰动岩体的抗渗变能力。

灌浆不能形成有效的帷幕,而渗流分析结果反映帷幕对坝基渗流控制的影响也很小,因此,采用取消灌浆帷幕,以增加铺盖长度延长渗径来减小坝基岩体渗透比降的方案,同样可以达到保证渗透稳定性的目的。

4 结 语

(1)英布鲁坝基白垩系砂岩具有高孔隙率、低密度、低强度和易扰动破坏等特性,属极软岩；同时,砂岩结构疏松,孔隙发育,渗透性强,在强渗流作用下,易发生渗透破坏。地下水赋存状态主要表现为孔隙潜水形式,坝基砂岩三大层位岩体透水性存在水平和垂直方向上的结构性差异,但差异不明显,无相对隔水层。

(2)坝基岩体灌浆试验表明,砂岩 “只透水,不透浆”,普通水泥浆液在该类孔隙介质岩体中扩散半径非常小,无法形成有效防渗帷幕,因此,坝基防渗帷幕采用水泥灌浆方法难以达到防渗目的。

(3)通过坝基渗流分析和渗流控制措施的研究,认为采用取消灌浆帷幕,以增加铺盖长度延长渗径来减小坝基岩体渗透比降的方案,同样可以达到保证渗透稳定性的目的。