英布鲁水电站枢纽防渗设计与基础处理

席燕林 庞书聪 许冬语

1 坝基岩的工程特性

1.1 坝基砂岩的结构特性

英布鲁水电站坝基岩体为白垩系陆相沉积砂岩,系由不同厚度含有薄层、中厚及厚层沉积层理结构的胶结不良软弱砂岩组成,岩层产状近水平,无构造断裂、褶皱和裂隙发育。按坝基岩体结构的差异,可分为三大层两种类型,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层软弱砂岩位于河床表层,顶部为全—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。

坝基软弱砂岩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。岩石孔隙发育,质地疏松。矿物鉴定结果也表明,砂岩孔隙内的高岭土团粒即是其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。其中普遍含有分散的石英细粒,系高岭石形成过程中产生的自生石英。砂岩中普遍缺少长石,其原因是长期在弱酸性地下水交替环境下,原砂岩中少量长石已转化 (蚀变)为高岭石{Al2Si2O5(OH)4}。其中的蛋白石脱水后转化为石英,此外,还有微量方解石(CaCO3)。

1.2 岩体的工程特性

坝基砂岩结构疏松,孔隙发育,实际上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。从岩体质量和渗透性来看,可认为是一种相对均匀的岩体,即整个巨厚砂岩沉积层是一个统一的孔隙地下含水系统。砂岩成岩程度差,孔隙及层面节理发育,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表明其在渗透性上存在一定差异,但进一步划分至更细的沉积层理结构面层次上,其差异已不明显,即岩层不存在相对 “透水层” 和 “隔水层”。

坝基岩体干密度在2.0 g/cm3左右,孔隙率在25%左右,单轴抗压强度一般小于5 MPa。具有大孔隙、低密度的特征,相应的抗压强度也较低；但岩体相应的变形模量指标在1 GPa左右,弹模和变模指标相差较小,反映出岩体具有 “脆性”特征。抗剪试验表明此类岩体具有较高的抗剪强度；而载荷试验也反映,在工程要求的试验压力下,岩体均处于弹性变形状态,表现出较高的承载力和抗变形能力。此外,声波速度vp与岩体质量之间具有较好的相关性。

2 坝基灌浆帷幕的试验研究

2.1 灌浆试验成果

技施阶段在基坑内进行了灌浆试验,灌浆试验成果如表1,从灌浆前后的声波检测结果看,灌浆前后的声波值变化微小,灌浆对岩体的加强作用微弱。从灌浆试验成果分析,可以判断基础几乎不吸浆,从而推断水泥灌浆在本工程特殊的基岩条件下是无效的。

表1 灌浆试验效果检查成果表

2.2 灌浆效果分析

设置防渗帷幕的目的是要在大坝基岩中形成一道连续的、完整的、比大坝基岩渗透性低的幕状防渗结构。帷幕灌浆效果首先取决于岩体的可灌性,即岩体裂隙发育程度、张开程度、充填情况和连通情况。由于本工程的岩体具有以下特征,使得本工程的水泥灌浆不能形成有效的帷幕。

(1)本工程软弱砂岩属于一种孔隙介质,虽然有沉积层面节理,但只是表现为一种沉积韵律,裂隙并不发育,岩体完整性很好。

(2)坝基软弱砂岩呈半成岩状态,其25%的孔隙率使其具有较强的透水性。但水泥浆液的粒径相对孔隙而言又是 “巨大”的,浆液中表现出水分能通过孔隙,而水泥连胶体 (＜0.002 mm)物质都不易通过。

(3)岩体孔隙率虽高达25%,透水性较强；但结构较紧密,相当于密实的砂层。由于岩体孔隙较小,浆液扩散半径非常小,这与通常不能在密实的砂层中进行灌浆的经验是一致的。

所以,采用普通水泥灌浆方法不能达到防渗目的。

3 枢纽防渗体系设计

对于基岩坝基的基础防渗,通常采用帷幕灌浆形成帷幕,可以形成有效的防渗体系。本工程坝基岩体虽岩体的渗透系数达到K ×10-2cm/s,具有呈中等—强透水的特性,但它具有的孔隙—层面节理的结构特征,使得帷幕难以奏效,为此,设计进行了坝基防渗体系的设计研究。

拦河枢纽主要由土坝、泄水闸、电站厂房组成,坝顶全长581 m,最大坝高32.5 m。针对土坝和电站厂房进行的防渗方案研究成果如下。

3.1 土坝坝基防渗帷幕研究

土坝坝基与坝体渗流计算采用平面有限元方法,分不同工况分别计算。采用加拿大GEOSLOPE系列程序之SEEP/W-Version5。

由于坝基透水性高于坝体防渗材料透水性100倍以上,计算中将地基作为无限深的透水地基。按渗流计算分析的要求,为保证计算精度,选取较大范围的地基建立分析模型。整个计算区域为:自坝体建基面以下沿深度方向取300 m；在上、下游坡脚分别向上游选取500 m,向下游选取200 m。计算域的边界条件为:坝基底边界为不透水边界,即在坝基300 m深度处不考虑垂直方向的水流交换；坝体及坝基上、下游坡面水面线以下部分为水力边界,水头大小与上、下游水位一致；其余部分为自由渗流边界。计算参数见表2。

表2 土坝渗流计算参数

坝基渗流计算成果如图1所示。从计算结果看,无帷幕和有帷幕计算结果差别不大,最大的出逸比降分别为0.311和0.31,位于贴坡排水下部；悬挂式防渗帷幕随着其深度增加,出逸比降和通过坝基的渗透流量呈下降趋势,但防渗帷幕的作用不大。

图1 有帷幕正常运行坝体浸润线及流网图

3.2 河床电站坝基防渗帷幕研究

取上游防渗护坦及河床电站底板底边作为混凝土建筑物边界,上、下游取100 m基础,自建筑物底边界向下取100 m基础,建筑物边界为不透水边界,整个基础均为透水地基。计算中取无帷幕和有帷幕分别建立两种计算模型,帷幕深度为8 m。地基各层渗透系数如表3。

表3 河床电站渗流计算参数

从河床电站计算结果看,无帷幕和有帷幕计算结果差别不大,在出逸点5 m范围平均出逸比降分别为0.16和0.15,无帷幕和有帷幕单宽渗流量分别为K ×10-3m3/(s◦m)及 K ×10-3m3/(s◦m)。

土坝和河床电站坝基渗流计算结果均显示,坝基设置帷幕对水头的削减、渗漏量及出逸比降影响很小,即帷幕对基础防渗几乎不起作用。

3.3 枢纽的防渗体系

根据土坝和河床电站的渗流计算结果和灌浆试验成果分析,基础作为一个无限深的透水体,在有限的深度范围没有相对隔水层,因此帷幕加深与否都只是悬挂式。渗流计算结果表明,深度小于40 m的帷幕对基础渗流图形的改变较小。从现场灌浆试验过程看,岩层基本不吃浆,灌浆后岩体的透水性和岩体波速值也没有明显的变化。灌浆根本不能形成有效的帷幕,除非改为连续墙,如采用防渗深墙,又将严重影响施工工期。

对于以上影响因素,设计进行了增加水平防渗取代帷幕灌浆的研究,计算结果表明,各建筑物的坝基渗透比降的控制,取决于基础面渗流路径长度,只要控制基础面渗流路径长度,使基础内部和出逸处的渗透比降小于允许渗透比降,同样可以控制基础渗流稳定 (见图2)。

图2 枢纽最终的防渗体系

3.3.1 土坝的防渗体系

土坝、泄水闸及河床电站取消帷幕灌浆后,为确保各建筑物的坝体稳定及渗透稳定,采取了以下防渗措施,形成了可靠的防渗体系。

(1)心墙与上游内铺盖相结合形成坝体与基础防渗体系,为控制坝基渗流稳定,将内铺盖在坝体外向上游延伸20 m,铺盖由上游向下游逐渐加厚,前端最小厚度1.5 m,末端最小厚度3 m。

(2)在坝轴线上游坝基设截水槽,其中心线距坝轴线25m,截水槽底宽4 m,上、下游边坡为1∶1.5,截水槽底挖至建基面以下3 m左右。沿槽底浇筑混凝土板,厚度为1.0 m,防止土坝坝基产生接触渗透破坏。

(3)在坝趾渗流出逸区设置水平反滤层,水平长度大于5 m,并与左右岸下游岸防护形成整体。对于坝基的防护考虑浅层基岩经开挖扰动后形成散粒体结构。被保护岩体按散粒的粒径进行设计,设计了双层反滤层,第1层反滤粒径0.25～5 mm,厚度40 cm；第2层反滤粒径为3～50 mm,厚30 cm。

(4)为防止左岸绕渗水流对岸坡的破坏,在左右坝肩的岸坡部分,设置了大范围的贴坡防渗铺盖,铺盖采用防渗土料加反滤层的结构,下游设贴坡反滤层排水,形成了有效的岸坡防渗和排水系统。

3.3.2 泄水闸及河床电站的防渗体系

泄水闸及河床电站坝段为混凝土结构,由于帷幕难以形成,且基础抗渗性能差,不能按通常的基岩地基采用设帷幕和排水孔幕的方式形成防渗和排水体系。为确保各建筑物的渗透稳定,采取了以下防渗措施,形成了可靠的防渗体系。

4 坝基保护与处理

4.1 建基面的处理

由于坝基岩体胶结程度较差,岩层表部风化程度较高,其强透水性使得岩体在渗透压力作用下极可能发生渗透变形破坏,主要反应在施工期基坑的渗流破坏和运行期渗流出逸区的渗流破坏。

4.1.1 基坑的渗流破坏处理

在施工期,基坑的表面排水往往造成顺岩层节理面的顺层淘刷,这种顺层淘刷在短时间内就能迅速扩大并向岩体内深度发展。防止这种破坏,是在基础表面设置纵横排水盲沟,在盲沟内设置反滤体和排水管,并设置灌浆管。当完成建基面以上坝体填筑并达到一定的压重厚度时,将采用低压灌浆对排水盲沟进行回填封堵,灌浆按排水盲沟的空隙体积的1.1～1.3倍作为结束灌浆的标准。灌浆完成后采用取心法进行质量检验。

4.1.2 建基面的保护措施

在建基面清理时,由于坝基岩体胶结程度较差,当建基面保持干燥时,往往在建基面产生一层不均匀的松散砂。如果这层不均匀的松散砂保留在基础面,将可能形成结构薄弱面和渗流的集中通道。设计采用撒泼1∶3的水泥浆措施取得了较好处

(1)为延长渗径,在泄水闸及河床电站上游设置了防渗护坦,铺盖厚0.5 m,长41.89 m。为保证防渗效果,采用钢筋混凝土护坦设置双层止水,并在施工中严格控制上游防渗护坦的质量。

(2)采用固结灌浆加固坝趾和坝踵区的岩体,并提高建基面的结合效果,防止产生浅层渗流破坏。

(3)在泄水闸的消力池底板和电站尾水渠底板均设置反滤层,并在底板设排水管排除反滤层的渗流水,达到基础排水的目的。

3.3.3 枢纽的防渗体系

枢纽最终的防渗体系为:两岸土坝为心墙与上游内铺盖相结合形成坝体与基础防渗体系；泄水闸及河床电站采用上游设混凝土防渗护坦防渗；左右坝肩的岸坡采用贴坡防渗铺盖。贴坡防渗铺盖、上游内铺盖与混凝土防渗护坦通过上游纵向导墙形成连接过渡,形成枢纽整体的上游防渗体系。两岸土坝在坝趾渗流出逸区设置水平反滤层,左右坝肩的岸坡在下游设贴坡反滤层排水,泄水闸和电站在下游均设置反滤层和排水管,形成了枢纽有效的排水保护系统。理效果,水泥浆撒泼与基础面不均匀的松散砂自然结合形成了砂浆保护层,对建基面进行了有效保护,并消除了基础面的松散砂可能造成的隐患。

4.2 坝基排水措施

为防止基础渗流破坏,本工程取消了坝基廊道内设置的坝基排水孔幕,采用坝基上游设防渗铺盖延长渗径控制渗流比降的措施,为消减基础扬压力,靠下游设置水平反滤。

在土坝坝趾出逸区和泄水闸和电站坝段的下游护底区设置水平反滤,在护底混凝土板中设排水管,渗透水通过反滤进入排水管排向下游。排水孔孔距1.5～2.0 m,排水管采用PVC透水花管,内填砂砾石并外包土工织布。

为确保消力池安全运行,在消力池底部设排水垫层并设U形排水暗管排水系统,在消力池底板设纵横向 Φ 200 mm PVC透水花管,将渗水排向隔墩坝导墙高于正常高尾水位上的侧面出口,自流将渗透水排至下游河道。这项措施受施工中出现的混凝土进入排水暗管失误的影响没有实现,仍采用了在消力池混凝土板底中直接设排水管的措施。

4.3 坝肩渗流保护

本工程两岸坝肩上覆砂壤土,由于砂壤土覆盖层较厚,且越向山体内厚度越大,对砂壤土的防渗需要较深的帷幕。从右、左岸坝肩防渗帷幕的效果看(计算工况包括自坝端开始,深入山体50,100,150 m,底高程为270 m),防渗帷幕的作用不明显,绕坝渗流量变化不大,仅比不设防渗帷幕的情况减少1%。

设计采用的坝肩防渗是:利用砂壤土覆盖层的“铺盖”作用,以铺盖防渗为主,使河床铺盖、岸坡铺盖等防渗措施与山体砂壤土覆盖层形成一个完整的铺盖防渗系统。计算显示,在铺盖防渗系统完整的前提下,在左岸下游距坝肩轴线600多m的岸坡处会发生出逸现象,在左右坝肩的岸坡下游设置了贴坡反滤层保护。

右岸厂前区大部分在河岸砂壤土覆盖层中开挖形成,水库蓄水后,在绕坝肩渗流的影响下,靠近岸边的部分将被渗透水浸没。由于厂区平台的宽度较大,利用自然排水无法保证厂区平台不受浸没影响,设计在右岸厂前区岸坡沿上下游方向设置排水盲沟,沟深2.5 m,PVC花管排水。外围采用透水反滤料填筑,保证右岸厂前区不被渗透水浸没影响。

5 结 语

英布鲁水电站特殊的地基条件,使得通常在基岩地区采用的防渗、排水和基础处理措施都不适用。设计通过灌浆试验和渗流分析研究,土坝采用心墙与上游内铺盖相结合形成坝体与基础防渗体系,泄水闸及河床电站采用上游设混凝土防渗护坦防渗,左右坝肩的岸坡采用贴坡防渗铺盖形成枢纽整体的上游防渗体系；在下游设置反滤层和排水管替代坝基排水孔幕,形成了枢纽有效的防渗和排水保护体系。施工中采用基坑表面设置纵横排水盲沟和撒泼水泥浆与基础面松散砂结合形成了砂浆保护层的措施,对基础建基面形成了有效保护。

目前工程蓄水到达正常高水位,各项观测数据显示建筑物渗流及变形正常,建筑物处于安全运行状态。