岩溶地区防渗帷幕采用不封闭及间断式布置探讨

刘 锐，李思宇，张新华

(1.黔南州水利水电勘测设计研究院，贵州 都匀 558000；2.四川大学水力学与山区河流开放保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

岩溶地区防渗帷幕采用不封闭及间断式布置探讨

刘 锐1，李思宇2，张新华2

(1.黔南州水利水电勘测设计研究院，贵州 都匀 558000；2.四川大学水力学与山区河流开放保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

防渗帷幕在岩溶区采用不封闭及间断式布置已有成功的案例，但因缺乏理论支撑，在实施过程中也存在争议和风险.为此，本文在对多个工程案例进行分析和研究的基础上，结合已有较成熟的理论，通过简化模型，以水力学为基础，论证了这种布置方式与Lane统计法具有较高的吻合度.因此，在实际工作中，结合工程具体情况，在获得详实的地勘资料基础上，就可以在岩溶区采用不封闭及间断式防渗帷幕布置，从而有利于加快工程建设进度和节省投资.

防渗帷幕；岩溶；不封闭及间断式布置；水力学；Lane统计法

从1970年开始，以乌江渡大坝为里程碑，我国开始在岩溶地区修建高坝，1985年后的隔河岩、东风、观音阁、1992年的五里冲及后来的江垭、高坝洲、洪家渡及乌江梯级等众多水利水电工程的开工建设，使我国在岩溶发育地区修建高坝的坝基防渗处理取得了丰富经验，并形成了以下共识[1]:(1)注重岩溶地区防渗处理的重要性与建坝的地质勘测工作；(2)认真分析岩溶地区防渗帷幕灌浆特点；(3)重视岩溶地区设置防渗帷幕应遵循的原则；(4)重视并研究施工技术与特殊地段的处理.

由于岩溶地区帷幕灌浆在工程投资中所占比重较大，一般会在工程直接投资中占到15%～40%.为了降低工程造价和缩短建设工期，工程实践中采用不封闭及间断式布置成为了解决该问题的关键.但是，由于缺乏相关理论支撑，使得该坝基处理方式在岩溶地区的实际应用中会受到一定限制.为此，本文以近年来在岩溶地区修建的不同工程实例为研究对象，经过系统分析与总结，结合较成熟的理论，以水力学为基础，通过简化模型，论证在岩溶区采用不封闭及间断式防渗帷幕处理坝基的可行性和实用性.

1 岩溶地区防渗帷幕采用不封闭及间断式布置的由来

岩溶地区防渗帷幕的布置在原则上多采取平面端点和剖面深度上与相对隔水层连接的布置方式.如两岸在平面上不能与相对隔水层搭接或相对隔水层分布较远，在勘察时也会通过布置于两岸坡的水文地质长观测孔来确定地下水位高于水库正常蓄水位的地段，保证防渗帷幕的端点置于该地段.若剖面上不能与相对隔水层搭接，则根据大坝坝高、勘探孔吕荣值、两岸坡地下水位分布等综合确定大坝防渗帷幕的深度.从我国在岩溶地区多年以来的实践经验来看，这些原则为保证岩溶地区水库正常蓄水起到了至关重要的作用.

不封闭及间断式防渗帷幕布置，顾名思义，就是没有按照上述原则，在防渗帷幕的平面端点上未形成封闭、总体布置上呈分段式布置的一种大坝防渗帷幕.这种布置形式，在上世纪60年代的南斯拉夫、80年代左右我国的中小型水利工程中已有应用.在这期间采用这种布置形式，主要是受制于经济和技术两方面，在前期经费不足、勘察工作不到位，后期工程经费紧张的情况下不得已而为之.在这种情况下实施的工程项目，其结果是有的渗漏严重、有的少量渗漏、有的能正常蓄水.

随着我国在岩溶地区兴建的高坝大库蓄水相继成功，在岩溶发育地区修建高坝的坝基防渗处理方面也取得了丰富经验.然而，据统计:从上世纪末到本世纪初，随着发电集团及民间资本进入中小型水电开发领域以来，岩溶区大坝防渗处理费用在工程直接投资中已占到15%～40%.因此，若不加分析地全面布设并加密防渗帷幕灌浆孔，对于业主来说是难以接受的.于是在实践中就出现了优化设计、分段实施帷幕灌浆等情况.

针对以上问题，本文在总结所掌握的大量设计项目、参与验收项目及其他相关资料的基础上，系统分析在岩溶区实施不封闭及间断式防渗帷幕布置的可能性，为今后类似工程的坝基处理提供有关经验与借鉴.

2 工程实例

河湾水电站的两坝肩由平面可靠端点改为不封闭布置形式，左右两岸均由设计的向下游反接三叠系下统飞仙关组(T1f)砂页岩相对隔水层改为仅各实施200m，由此带来的帷幕灌浆工程量较设计的减少了近20，000 m3；灰洞水电站右岸不封闭防渗帷幕布置形式，右岸设计为855m长的硐内灌浆，实施时改为200m，优化了7100多米的有效进尺；茶园水库右岸垭口未封闭(属间断式帷幕布置)，右岸帷幕平面设计长度为441 m，实施了366 m，右岸垭口未封闭[2].

3 采用不封闭及间断式布置的研究和探讨

以上三个项目中河湾和灰洞蓄水近5年、茶园水库蓄水14年，工程均运行正常，属于强岩溶地区采用了不封闭及间断式防渗帷幕布置方案较为成功的案例.在我国及贵州省类似情况也不少，如猫跳河一级电站右岸漏水0.2m3/s，原采用直孔灌浆，与陡倾角裂隙平行，未起作用，后改变为仅打一个斜孔，斜穿裂隙，灌浆后即止漏.穿矸水库采用间断式布置，原设计69孔，总进尺3933 m，实际只实施了21孔，总进尺1051 m，也收到了较好的效果.猫跳河六级电站只向左右两岸分别实施了120 m左右，在处理完左岸岩溶管道后也取得了较好的效果[3].在与乌江渡设总李森沟通交流中，李总也认为在岩溶地区防渗帷幕采用不封闭及间断式布置也是可行的，但乌江渡属国内第一个岩溶地区的高坝大库，在防渗方案经多方案比较最终采用了右岸帷幕接乐平煤组、左岸自Z117孔直接穿过长兴灰岩到乐平煤组[4].

3.1 不封闭及间断式防渗帷幕布置的基本要求

重视工程区岩溶发育规律的研究工作是不封闭及间断式防渗帷幕布置的基础.岩性和地质构造是岩溶地貌发育的地质背景，防渗帷幕的布置应首先重视岩溶发育规律，从岩性、地质构造、岩溶地貌三方面入手.

3.1.1 岩性

岩溶发育于碳酸盐岩，按可溶性岩石可分为石灰岩类、白云岩类及硅质结核灰岩、条带状灰岩类.

岩石的化学成分、矿物成分是岩溶发育的首要因素，控制着岩溶发育速度和发育强度，不同成分碳酸盐岩地表、地下岩溶发育情况及室内不同成分碳酸盐岩溶蚀试验的成果表明纯灰岩至纯白云岩、纯灰岩至泥灰岩(包括它们之间过渡类岩石)的比溶蚀度是逐渐减小的，地貌形态亦由溶蚀地貌向溶蚀ˉ侵蚀剥蚀地貌过渡，岩溶发育强度也由强至弱.孔隙及微裂隙是岩溶发育的微观空间基础.就岩性条件而言，岩溶是在岩石化学成分及矿物成分主导因素控制下，水介质通过构造裂隙及与之连通的层间裂隙、缝合线、微裂隙及各种原生孔隙运动，同时在水循环过程中对上述孔隙系统不断溶蚀扩大的过程.

3.1.2 地质构造

断裂对岩溶发育的控制体现在影响可溶性岩组的展布格局和为溶蚀作用提供地下水活动空间两个方面.岩层中的大型构造节理和层间节理(包括横张节理)在控制地表岩溶地貌和地下岩溶管道系统发育方面起到制约作用.

3.1.3 岩溶地貌

我国岩溶地貌发育特征各不相同，陈祖安等认为典型的长江流域和珠江流域各有特点，在进行前期工作时应区分[5].同时，注重对地表水系的研究，认真分析岩溶发育的水文网因素也是重要前提，水文网对地下水补、径、排条件的影响，主要表现在对地表的切割程度和密度方面，水系对地表的分割和切割程度影响了地下水及其运移方式，导致岩溶沿着不同的作用方式发育.

3.2 不封闭及间断式防渗帷幕布置的理论基础及其实用性探讨

在工程实践中，采用不封闭或间断式防渗帷幕布置主要是采用先导孔实施后的主动分期(业主基于经济考虑，对帷幕实施分期)和被动分期(早期水利工程因投资不够的被动分期)，在方案确定上多以专家经验及试验性蓄水运行等主观判断为主，因而缺乏理论支撑且存在一定风险.

3.2.1 理论基础

岩溶区碳酸盐岩类大多属中硬岩至坚硬岩，岩石坚硬，在地质构造切割不强烈的情况下，由于岩溶发育的不均一性及各向异性，岩溶发育主要沿岩层面顺层走向发育，多形成个体式岩溶洞穴，坝基多构成管道式渗流带.而在管道式渗漏通道之外，岩层透水性很小，可以起到相对隔水作用，所以防渗帷幕不必进行全面整体布置，即可采用不封闭式布置.但要进行这种布置，必须通过详尽的地质勘查工作，查明工程区岩溶发育的基本特征.

采用不封闭或间断式防渗帷幕布置的工程在坝区和近坝两端的防渗帷幕都须严格执行相关的设计标准，如何建立工程模型是理论基础所在.据剡公瑞、杨若琼、周维垣等(1993)的相关研究，在采用高压灌浆后，大坝帷幕岩体中裂隙面水泥结石的充填和胶结性能良好，通过电镜下岩芯切片试样的抗拉和抗压试验得到岩体胶结面的抗压强度σc＝40～70 MPa；结构面的抗剪参数f＝0.55、c＝0.2MPa；抗拉强度σt＝0.27～2.18 MPa，均值σt＝1.3 MPa.通过扫描电镜的观察，在高压灌浆下，水泥结石和裂隙面胶结紧密，胶结面上微裂隙张开度仅为0.1～10μm，大小和完整岩石中的原生裂隙属同一量级，该试验表明:岩体试样的破坏均不是沿此胶结面微裂隙开成，而是沿微裂隙附近的方解石脉或水化、风化质扩展形成.扫描电镜观察表明，微裂隙广泛分布于岩体之中，在荷载作用下扩展成簇状网络，表现为张拉型，在原生裂隙发育的部位形成主导裂隙；试件宏观破坏表现为拉断、剪断及压剪滑动等形式[6].试验说明，经过高压灌浆处理后，岩体中受浆液充填的裂隙面强度有相当大的改善.

从以上研究成果及相关大坝帷幕灌浆的相应经验，在两坝端的帷幕在实施后无论是在幕体强度、完整程度上都与灌浆前岩体不尽相同，按照帷幕灌浆的设计在理论上可视其为与坝体连接的刺墙.在建立了这个概念后，在进行不封闭或间断式防渗帷幕布置时可以进一步将其简化为坝端与刺墙的岸坡绕渗问题，从而引入坝端与两岸帷幕的渗流水深和渗流量计算方法.当然基于水力学的计算基础，大坝与两岸帷幕或岸坡岩体位于同一高程的水平不透水层上时，或大坝与其相连的岩坡透水层位于同一高程的水平不透水层上时，都假设沿任一竖直线上的渗流是符合渐变渗流条件的(亦即假设渗流流速沿竖直线是不变的).从而可得水头函数的平方符合接拉普拉斯方程，将复杂的空间渗流问题简化为平面势流问题[7].

3.2.2 实用性探讨

基于以上假设和基本理论，可以得到以下计算简图，如图1所示:

图1 有刺墙的连接

如图所示，s值可视为帷幕在平面上的长度.依据水力学中的绕渗计算公式可计算出流过1ˉ2线的总渗透量及5ˉ6线的总渗透量.在基本查清岩溶区近坝端水文地质条件情况下，s值增大对总渗流量影响可由以下公式确定[7].

1935年美国教授莱恩(E.W.Lane)对修建在不同地基上数百座的圬土挡水建筑物地下渗流资料进行研究和分析后，提出爬路中水平(坡度小于45°)渗径的阻渗效能只有垂直(坡度大于或等于45°)渗径的阻渗效能的1/3.应按有效渗径长度，即垂直渗径与水平渗径乘1/3的和来判断地下渗透破坏的可能性.假定基础轮廓的有效长为

L0必须比壅高水头大C0倍，即

式中H——水头(如图2所示)

图2 坝体和坝基不透水轮廓简图

C0——加权爬比，其值为1.6—8.5，视地基种类而定.

由图所示轮廓

其中b＝b1＋b2，

式中b——水头轮廓长度

s——悬挂帷幕深度.

莱恩研究认为水平和垂直方向的渗径不应该起着相同的作用，1m垂直方向的渗径，约相当于3m水平方向渗径的效用.实践中可通过统计的C0，求出L0，转换(3)式后可求出s[8].该法不能反映渗流场边界条件对渗透压力和渗透坡降的影响.计算仍较粗略，但由于它有大量实测资料作根据，计算简便，虽大量用于均质地基，但对于近似均一的岩溶地基，也有一定的参照和应用基础.查证河湾、灰洞、茶园实施的水平方向帷幕长度均大于河床段帷幕垂直深度3倍以上(河湾最接近3倍)，故Lane统计法与以上工程实施具有较高吻合度.

4 结论与建议

在岩溶区采用不封闭及间断式防渗帷幕布置，以成功的案例来看，是符合水力学计算基础和渗流理论的，以Lane统计法进行分析也有较高的吻合度.但从现实来说，以上理论基础存在简化较多、假设条件等限制，会存在与实际情况不符的情况.目前，多孔连续介质的渗流理论、裂隙介质渗流理论等在理论建设上取得了一定的成绩[9]，但存在诸如用同一种代表体来表征节理和岩体、连续性方程相同、不能体现较大的裂隙(如导水断层、溶蚀管道、溶洞等)，因此，在实际运用中还存在较大困难.

但是，根据作者的工程经验，通过在岩溶地区认真的前期勘测设计工作、注重施工期先导孔资料分析、有针对性的处理较大的裂隙(如导水断层、溶蚀管道、溶洞等)、加强蓄水后期观测工作等手段，以工程实例经验数据为支撑、并辅以简单的经验公式作为简化计算和设计、加强后期观测并及时修正是最符合工程实际和具体要求的，使岩溶区采用不封闭及间断式防渗帷幕布置成为可能.当然，以上结论是基于成功的案例加以分析论证的，在今后工作中应加大理论研究，建立相应的工程数学模型，通过大数据研究分析最终可以找到其客观规律并建立起相应可靠的计算公式和数学地质模型.

[1]孙钊.大坝基岩灌浆[M].北京:中国水利水电出版社，2004:254-256.

[2]刘锐.河湾水电站大坝防渗帷幕由平面可靠端点改为不封闭的实施和探讨[J].人民珠江，2016(增刊):2.

[3]李家平.贵州治水经验[M].贵阳:贵州教育出版社，1993:221.

[4]李森.贵州乌江渡水电站竣工工程地质报告[R].水利电力部中南勘测设计院，1985:155-156.

[5]陈祖安.工程地质卷∕中国水力发电工程[M].北京:中国电力出版社，2000:378.

[6]剡公瑞，杨若琼，周维垣，等.隔河岩大坝灌浆帷幕岩体力学强度的扫描电镜试验研究[J].岩石力学与工程学报，1993，12(2):151-161.

[7]李炜.水力计算手册[M].2版.北京:中国水利水电出版社，2006: 507.

[8]王明森.高压喷射灌浆防渗加固技术[M].北京:中国水利水电出版社，2010:116.

[9]杨强.高坝岩石力学[M].北京:中国电力出版社，2009:30-33.

(责任编辑:付强，张阳，李建忠，罗敏；英文编辑:周序林)

Unclosed and intermittent layout of antiˉseepage curtain in karst regions

LIU Rui1，LI Si-Yu2，ZHANG Xin-hua
(1.Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of Qiannan Prefecture，Duyun 558000，P.R.C.；2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Chengdu 610065，P.R.C.)

The unclosed and intermittent layout of the antiˉseepage curtain has been applied successfully in karst regions.However，due to the lack of theoretical support，some controversy and risks are encountered in the process of its practical implementation.Based on the investigation and analysis of existing projects，Lane statistical method and hydraulics by simplifying the related model，this paper demonstrates the applicability of this kind of seepage control curtain in the karst regions.Results indicated that there was a good agreement between anti-seepage curtain and the Lane statistical method.Namely，the unclosed and intermittent layout of antiˉseepage curtain can be applied in the karst regions with the detailed geological investigation data of the projects.Moreover，it helps accelerate the progress of project constructions and also saves project investments.

antiˉseepage curtain；karst；unclosed and intermittent layout；hydraulics；Lane statistical method

TV221

A

2095-4271(2016)05-0582-05

10.11920/xnmdzk.2016.05.019

2016-06-13

刘锐(1974—)，男，汉族，四川荣县人，高级工程师，研究方向:水利水电勘测设计.E-mail:331576430＠qq.com

张新华(1965—)，男，四川资中人，博士(后)，研究员.E-mail:xhzhang＠scu.edu.cn

国家自然科学基金(51379137)