向家坝水电站坝基变形控制与防渗抗滑处理

潘江洋,冯树荣,张永涛,曾祥喜,周红波,邹阳生

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙410014)

向家坝水电站坝基变形控制与防渗抗滑处理

潘江洋,冯树荣,张永涛,曾祥喜,周红波,邹阳生

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙410014)

对向家坝水电站坝基地质情况及坝基处理措施作了全面介绍,提出了向家坝坝基大型破碎带开挖、存留和处理超出已有工程经验,但现有计算分析方法仍然适用；重力坝坝基变形控制、防渗、抗滑相互关联,稳定、应力、变形、渗流分析和工程处理措施均应统筹考虑；渗透稳定的影响因素除渗透坡降外,大渗流量情况还应关注地下渗流的冲刷作用,在坝基扬压力受控的前提下,可调控出水量大的排水孔以减小、均化排水量,降低渗流流速,保证渗透稳定。

高重力坝；破碎带；软弱夹层；透水性；帷幕；坝基处理；向家坝水电站

1 工程概况

向家坝水电站是金沙江梯级电站的最末一个电站,装机容量6 400 MW。拦河大坝为混凝土重力坝,最大坝高162 m。泄水坝段与下游消力池、厂房坝段与下游坝后厂房的防渗、抗滑统筹考虑,为一体化设计。大坝设计和校核地震基岩水平峰值加速度代表值分别为0.230g、0.287g。

坝址区基岩主要为三迭系上统须家河组的砂岩夹泥质岩,岩石软硬相间,岩性岩相变化大,交错层理发育。坝基岩层分布见图1。

坝址位于一短轴背斜东倾伏段,发育有NW向的立煤湾膝状挠曲及其核部破碎带、左岸挤压破碎带、较多层间错动形成的破碎夹层、数条小断层,节理裂隙较发育。坝基岩层向三面倾斜,产状变化非常大。坝址地质构造条件复杂,构造形态特殊,结构面发育,岩体完整性较差。坝区地质构造见图2。

图1 坝基岩层分布

图2 坝区地质构造

(1)立煤湾膝状挠曲和坝址岩层产状。立煤湾膝状挠曲是坝址的主干构造,从西北斜贯坝址,轴线走向330°左右。其SW翼展布于坝址右岸与河床右侧,岩层走向NE、倾向SE(即右岸偏下游)、倾角15°～20°；NE翼展布于坝址左岸与河床左侧,岩层走向NW、倾向NE(即左岸偏下游)、倾角20°～30°。核部岩层近南北走向,大体倾向下游,倾角大于40°,局部近于直立,岩层向三面倾斜,且倾角变化较大,其剖面形态类似膝盖,轴面产状走向NW、倾向SW、倾角30°～40°。挠曲核部因岩层的单层厚度变薄、层间错动破碎夹层和节理裂隙发育,岩体破碎,形成挠曲核部破碎带,主要为碎裂结构和碎块结构砂岩,夹较密实的碎屑状结构的岩体,其宽度为40～ 70 m,铅直厚度为10～66 m。

(2)左岸挤压破碎带。左岸挤压破碎带经构造挤压和地下水的作用而形成,从左岸非溢流坝段延伸至主河床的泄水坝段,与挠曲核部破碎带交汇。总体产状：走向20°～30°,倾向SE,倾角15°～30°。破碎带中心的岩体主要呈碎屑状或夹少量碎块状结构,最大厚度10 m,一般厚度1～4 m。

坝址区基岩地下水属孔隙-裂隙水,坝址岩体透水率主要介于3～30 Lu之间,个别孔段透水率在60 Lu以上。坝基相对隔水层埋深大,200 m深度范围内无稳定分布的相对隔水层。

坝基各类岩体和结构面的物理力学参数、允许渗透坡降见表1～3。

2 工程存在的问题

(1)坝基承载与变形控制。坝基、不良地质体开挖置换齿槽建基面均需满足相应的承载力要求,需对破碎带、软弱岩带和夹层等进行处理,同时调整大坝体型和基底应力,使基岩承载力满足要求。挠曲核部破碎带和左岸挤压带变形模量低,厚度大,承载后将产生较大的压缩变形。坝基变形无直接控制指标,但须防止影响大坝正常运行的不利变形,尤其是不均匀变形。

表1 各类岩体的强度参数

表2 结构面抗剪(断)强度参数

表3 软弱结构面的允许渗透坡降

(2)坝基渗透稳定。大坝建基面以下存在软弱夹层、开挖后存留的挠曲核部破碎带和左岸挤压带、节理裂隙等不良地质构造,其允许渗透坡降低；同时,坝基岩体透水性较强,帷幕深度难以达到相对隔水层,蓄水后坝基渗流量大,软弱岩带和结构面在高水头和大渗流作用下渗透稳定问题突出,是影响工程安全的首要问题。

(3)坝基深浅层抗滑稳定。在库水推力作用下,坝基倾向下游的软弱夹层、左岸挤压带与下游抗力体滑移剪出面构成双滑面滑动模式；挠曲核部破碎带缓倾上游,形成单滑面滑动模式。

上述3个问题,坝基承载力、渗透稳定和抗滑稳定必须保证,坝基变形则须控制其时间、空间分布,防止产生影响工程正常运行的不利变形。

3 坝基承载与变形控制

坝基承载、变形分析和控制措施设计与抗滑稳定、渗透稳定控制统筹考虑。

坝基开挖后仍然存留有部分破碎带、较多的软弱夹层等不良地质体,其变形模量、抗剪强度、允许渗透坡降均低,设计在对不良地质体进行处理的同时,考虑扩大坝基,以降低建基面应力,同时延长滑面。具体措施为

3.1 坝基承载与变形控制措施

3.1.1 大型破碎带开挖置换和坝踵齿槽设计

图3 河床升船机坝段～泄水坝段左岸挤压带和挠曲核部破碎带开挖置换示意

(2)挠曲核部破碎带。挠曲核部破碎带缓倾上游偏右岸,沿其轴线开挖斜齿槽置换混凝土,齿槽贯穿泄水坝段坝基,延伸至右消力池,深度37 m,底宽50 m左右。开挖后,挠曲破碎带大部分被挖除,槽底泄4～泄6坝段坝踵部位保留有破碎带3 039 m2,最大厚度53 m,泄水坝段齿槽边坡和底面分布的破碎带占齿槽建基面总面积的23.14%,泄7坝段以右齿槽上游挠曲破碎带均存留在坝基内,但其坝踵埋深大于28 m,且厚度变小。挠曲核部破碎带开挖置换情况见图3。坝基变形、抗滑和防渗均需重点分析存留的破碎带影响,并针对性采取措施。部分坝段设置坝踵齿槽挖除破碎带和软弱夹层,可通过齿槽混凝土将坝踵应力传递至较好岩体上,同时提高了滑面综合抗剪强度,并利于防渗。河床左侧开挖置换齿槽下游抗力岩体具有较大的厚度,存留的挤压带埋藏较深；由于挠曲核部破碎带缓倾上游,齿槽尾部均开挖至Ⅲ类岩体,置换混凝土与下游Ⅲ类岩体相接,有利于抗滑稳定。

3.1.2 扩大坝基

大坝上游面中下部设置1∶0.2～1∶0.55的坝坡,下游坝坡设为较缓的1∶0.75～1∶0.8,以扩大坝基。左岸河床非溢流坝段、坝后厂房坝段、泄水坝段坝底宽与坝高之比在1∶1以上；左岸岸坡坝段坝趾与坝后山体之间回填一定厚度的混凝土。上述扩大坝基措施减小、均化了基底应力,同时延长了坝基滑面长度,有利于抗滑稳定。

3.1.3 建基面附近软弱夹层处理

对坝基出露的厚度较大或构成控制性滑面的缓倾角软弱夹层,予以顺层挖除,置换为倒梯形填塘混凝土,对其他夹层、断层刻槽设置混凝土塞。

3.1.4 坝基固结灌浆

根据坝基受力特点、地质条件,分6个区布置固结灌浆,最大深度30 m。固结灌浆主要为提高坝基承载能力,减小变形,并提高抗渗透破坏能力,同时因灌浆范围内岩体强度提高,对抗滑稳定亦有益处。

3.1.5 齿槽回填混凝土纵横缝、坝段横缝灌浆并缝

为使齿槽回填混凝土形成整体,向周边传力,形成三维受力结构,均化槽底和侧坡应力,并提高抗滑稳定整体安全度,对坝踵齿槽、不良地质体开挖置换齿槽回填混凝土纵横缝进行灌浆并缝。为提高相邻坝段承载、抗滑的整体安全度,对大坝坝段分组进行灌浆并缝。

3.2 坝基承载和变形分析

大坝基底应力计算采用传统的材料力学方法,同时辅以线弹性及非线性有限元计算。坝基变形分析采用有限元方法,并与假设的Ⅲ1类均质理想地基进行比较。按照计算结果制定建基岩体质量要求和验收标准,坝基开挖处理完成后,根据实际情况进行复核计算,大坝建基面和齿槽底部应力均小于相应部位基岩允许承载力,坝基变形量值和分布符合一般规律,均在可接受的范围之内。

4 抗滑处理与稳定分析

4.1 抗滑处理措施

因坝基处理措施统筹考虑,抗滑措施大多已在3.1中表述,其他措施主要为加强坝基防渗排水降低扬压力。

向家坝工程尾水位高、坝基宽大、滑面长,扬压力是影响抗滑稳定的主要因素之一。相比常规设计,加深加厚防渗帷幕,设置主副排水孔和抽排水系统,以降低坝基扬压力,厂房坝段和泄水坝段抗力体滑移剪出面扬压力也得以折减。加强排水对坝基渗透稳定有不利影响,需综合考虑。

4.2 坝基抗滑稳定分析

大坝建基面和坝基深层抗滑稳定以刚体极限平衡法为主、以非线性有限元法为辅进行分析。刚体极限平衡法采用抗剪断公式,平面非线性有限元安全度分析采用材料强度储备法。

各种工况下,刚体极限平衡法计算各代表性坝段抗滑稳定性均满足规范要求,且有一定富余；非线性有限元计算各坝段强度储备系数为2.8～4.8,根据不同计算方法的结果比对分析和工程类比,满足大坝安全要求。

对坝基主排水孔处扬压力强度系数α1进行敏感性分析,以探求人为控制坝基排水量,适当加大坝基扬压力对大坝抗滑稳定的影响。上游主排水孔处α1设计采用0.2,敏感性分析取0.4、0.6,副排水孔处α2采用0.5不变。计算结果显示,各典型坝段上游主排水孔处α1加大至0.4、0.6时,建基面和坝基深部控制性滑面扬压力加大,坝基抗滑稳定安全系数有所降低,但由于大坝底宽大,α1加大只引起坝基上游小范围扬压力变化,坝基应力和抗滑稳定仍满足规范要求。

5 防渗处理与渗流分析

5.1 防渗处理措施

根据向家坝水电站坝基200 m深度无相对隔水层、岩体透水性较强的水文地质特性,以及尾水水位高、浮托力大的特点,防渗帷幕采用较深的悬挂式帷幕,设置主副排水孔,堵排结合进行渗流控制,以减小渗流量、降低坝基扬压力,同时保证渗透稳定。结合抗滑稳定需要,对不同的上下游帷幕深度、幕体厚度、帷幕分区、主副排水孔布置和深度,以及各种组合方案进行了渗流分析,优选设计方案如下。

图4 帷幕平面布置示意

图5 上游帷幕和防渗墙剖面示意

5.1.1 防渗帷幕

布置上游帷幕形成封闭防渗,为减少渗流向低部位汇集,并便于分区管理和运行,设置分隔帷幕将坝基、坝后厂房、消力池分为7个防渗排水区。各分区之间相对封闭,由于各区建基面高程不一,分隔帷幕深度有限,分区之间并未完全隔绝渗流连通,通过三维渗流分析进行分区设计,包括分隔帷幕设置位置和深度等。两岸坝肩帷幕布置：右岸与地下厂房防渗帷幕连接；左岸根据三维渗流分析成果,坝头帷幕延伸至山体内330 m。

上游帷幕深度河床坝段为0.9～1.14倍坝前水头,最大孔深173 m；岸坡坝段为坝前水头的0.7。左非9～右非7坝段均平行布置3排帷幕孔,其中两排孔深至设计幕底,另一排孔深为主帷幕孔深的0.5～0.7；其他坝段布置2排帷幕孔。

下游帷幕深度为下游水头的0.6,布置两排帷幕孔,背水排孔深约为迎水排孔深的0.7。坝后厂房部位考虑封闭挤压破碎带,加深至挤压带以下3 m。分隔帷幕均采用单排孔布置。

帷幕一般采用常规水泥灌浆,局部地质不良孔段和部分Ⅲ序孔采用磨细水泥。

帷幕防渗设计标准：河床坝段上游帷幕透水率q≤1 Lu,下游帷幕q≤2 Lu,坝高小于100 m的岸坡坝段和分隔帷幕q≤3 Lu 。

帷幕平面布置见图4,上游帷幕展视见图5。

5.1.2 挠曲核部破碎带防渗墙和高压冲挤灌浆

泄4～泄8坝段防渗线存留有挠曲核部破碎带,最大厚度达53 m,其性状差,灌浆处理难以达到渗透稳定要求,对该部位采用混凝土防渗墙进行防渗。防渗墙总长88 m,墙厚1.2 m,最大深度62 m,墙底进入Ⅲ类岩体2 m,墙下接防渗帷幕。防渗墙布置见图5。

防渗墙右侧坝基存留的挠曲破碎带分为上下两个分支,单支厚度较小,但常规灌浆效果较差,蓄水前完成的灌浆存在灌后透水率仍偏大的孔段,蓄水后采用“高压冲挤灌浆”技术进行加强处理。“高压冲挤灌浆” 采用钻灌一体、脉冲压力小段长冲挤灌浆,灌后幕体透水率可降至0.1 Lu以下,渗透破坏坡降达到100以上,并可有效防止坝基抬动和施工过程塌孔。

5.1.3 左岸挤压带刺墙和复合灌浆

对于左非6侧坡出露的挤压带,采用跳仓洞挖置换混凝土,置换深度15 m,在上游帷幕线进一步向内深挖,设置长14 m、厚2 m的混凝土刺墙,刺墙左侧挤压带埋深33 m以上。对于刺墙左侧上游帷幕线存留的挤压带,采用“水泥+环氧浆材”复合灌浆进行处理,要求灌后岩体透水率不大于0.5 Lu,渗透破坏坡降不小于100。

5.1.4 排水

上下游帷幕内侧布置主排水孔,坝基和消力池均布置纵横向辅助排水幕,排水幕间距：坝基顺水流方向约40 m,垂直水流方向约60～100 m,消力池纵横向间距约30～60 m。泄水坝段和厂房坝段坝踵地质条件不佳,上游主排水幕单独设置廊道、与帷幕相距10 m布置,以延长帷幕与排水幕之间的渗径。

主排水孔深度为帷幕深度的0.4,上游主排水孔最大深度50 m,下游主排水孔最大深度40 m,辅助排水幕孔深35 m左右。所有主排水孔均不穿过破碎带,为防止破碎带下部形成局部承压水,对深层抗滑稳定不利,在破碎带挖除一侧顺水流向廊道内布置排水孔,将其下部渗水排出,或在距上游帷幕较远的辅助排水廊道、下游坝外布置深排水孔,穿过破碎带排水,破碎带及以上孔段设置水泥浆铸钢管保护。另外,由于排水孔出水量大,对坝基渗透稳定不利,施工时对排水孔深度进行了调减,最大孔深不超过30 m。

所有排水孔内全长设置反滤保护体,排水孔孔口均设置孔口管,并安装阀门,可调控出水量。部分排水孔设置电磁流量计和电动球阀,可远程监测排水流量和孔口压力,并可自动或人工调控。

5.2 坝基渗流与渗透稳定分析

向家坝坝基水文地质条件复杂,渗流分析是重要的设计工作,开展了典型坝段二维渗流、局部准三维、整体三维渗流分析,对帷幕、排水设计各种组合进行了方案比较和敏感性分析。

实施设计方案帷幕幕体最大渗透坡降在10左右,破碎带、软弱岩带和夹层的渗透坡降在2以下,排水孔周边渗透坡降在1以下。

渗流敏感性分析表明,若加强帷幕灌浆,将其幕体透水率降至0.1～0.5 Lu时,上游帷幕最大渗透坡降增大至26～15左右,即帷幕透水率越低,渗透坡降越集中于幕体。因此,复合灌浆和高压冲挤灌浆在进一步降低帷幕透水率的同时,需提高幕体强度,灌浆材料和工艺需达到防渗与增强并重的效果。

6 工程运行情况

向家坝水电站于2012年10月蓄水至初期发电水位354 m,2013年9月抬升至正常蓄水位380 m。

6.1 坝基应力变形与抗滑稳定

蓄水后各项监测数据显示：大坝稳定,坝基应力、变形的量值和分布均在正常、合理范围内,未产生影响工程运行的不利变形,与计算分析结果基本相符。

6.2 渗流排水

蓄水至初期发电水位354 m后,坝基和消力池排水孔出水总量较大,达17 656 L/min,其中大坝和坝后厂房10 385 L/min,消力池7 271 L/min。另外,排水孔施工初期、基坑破堰进水后和蓄水初期,坝基和消力池有极少数排水孔出水量大且携带基岩碎屑,或出水清澈但水量大,考虑出水量大的排水孔随着时间延长也可能带出岩屑,对出水排浑和排水量大于100 L/min的排水孔灌注水泥浆予以封堵处理。分析极少数排水孔出水量大、带出基岩碎屑的原因,除检查发现排水孔反滤体存在局部缺陷外,可能有以下原因引起排水量集中和基岩细颗粒流动：岩体存在透水性强的破碎带和宽张裂隙,渗流和渗透坡降可能局部集中；渗流向低部位集中；排水孔开始施工前,因坝基低于江水位较多,坝基已有较高的渗压,初期施工的排水孔是坝基渗流泄压、泄流的通道,其渗压高,出水量大；渗流量大,地下渗流流速较高,大于软弱岩带和夹层的抗冲流速,渗流冲刷造成岩体细颗粒随排水带出；帷幕穿过破碎带和软弱夹层部位可能存在局部缺陷。

坝基和消力池排水总量偏大,且初期有极少数排水孔带出岩屑,有必要加强渗流控制,降低渗流量,提高帷幕耐久性和基岩渗透稳定性。经研究,采取的措施为①泄水坝段挠曲核部破碎带蓄水前完成的帷幕灌浆灌后仍有部分孔段透水率偏大,蓄水后采用“高压冲挤灌浆”进行加强处理。②左岸河床坝段蓄水前上游帷幕灌后检查孔涌水现象比较普遍,蓄水后排水量占坝基总排水量的一半,为减小其渗流量,对冲沙孔～左非5坝段上游帷幕增设一排孔进行加强灌浆处理。③消力池临水周边长是入渗主要途径,原帷幕底部高程185 m,幕底以下岩体透水性较强,相对隔水层埋深大,为减小消力池入渗量,将消力池帷幕加深至高程100 m。④分阶段调控出水量大的排水孔,以减小、均化排水量,降低地下渗流流速。最终控制与帷幕同廊道布置的排水孔出水量不大于30 L/min,其他部位按不大于40 L/min控制。调控期间密切监测坝基扬压力变化,巡查排水孔是否排出浑水。调控后出水的排水孔数量增加,排水均化,排水总量减少,坝基扬压力有所增大,但均在抗滑稳定计算取值范围内,且仍有一定富余。如蓄水至水位354 m后,排水孔调控前后排水总量减少21.4%,出水的孔数增加7.2%,单个坝段坝基扬压力总值增大约10%。

经过上述加强灌浆和排水调控,坝基、坝后厂房和消力池排水总量降至5 500 L/min左右；坝基扬压力均在允许范围内,且有一定富余；中后期蓄水和排水调控期间,均未再出现排水带出岩屑的现象。

7 建设经验

针对向家坝工程地质特性,坝基承载变形控制与防渗抗滑采用本文所述的综合处理措施,经运行检验,取得良好效果,总结以下经验：

(1)向家坝坝基大型破碎带开挖、存留和处理超出已有工程经验,以现有分析方法,采取综合措施(包括后期排水调整和帷幕补强),经蓄水检验,工程运行情况良好,各项监测数据与计算分析成果基本相符,可为类似工程提供参考,但其处理过程非常复杂,其他工程借鉴时必须根据工程具体情况进行深入分析,个性化设计,并适当留有余地。

(2)坝基承载变形控制、防渗、抗滑相互关联,稳定、应力、变形、渗流分析和工程处理措施均应统筹考虑。

(3)坝基渗透稳定的影响因素除渗透坡降外,大渗流量情况还应关注地下渗流的冲刷作用,在坝基扬压力受控的前提下,可调控出水量大的排水孔以减小、均化排水量,降低渗流流速,保证渗透稳定。河床建基面高低不一,且基岩存在软弱岩带和夹层时,排水孔施工宜自高部位向低部位递进,以免初期施工的排水孔渗压和出水量过大而带出岩屑。

[1]冯树荣. 向家坝水电站工程总体布置[J]. 水力发电, 1998(2)： 13-15．

[2]冯源. 向家坝水电站工程地质条件[J]. 水力发电, 1998(2)： 9-12．

[3]曾祥喜. 向家坝水电站坝基岩体力学特性及参数取值研究[D]. 成都： 成都理工大学, 2011．

[4]于沭. 向家坝水电站两个坝段坝基深层抗滑稳定分析[D]. 北京： 中国地质大学, 2007．

[5]张永涛,曹祥喜,史艳.向家坝水电站大坝基础处理设计[J]. 人民长江, 2015, 46(2)： 76-80．

(责任编辑 王 琪)

Deformation Control and Anti-seepage and Slide-resistance Treatment for Dam Foundation of Xiangjiaba Hydropower Station

PAN Jiangyang, FENG Shurong, ZHANG Yongtao, ZENG Xiangxi, ZHOU Hongbo, ZOU Yangsheng

(PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, Hunan, China)

The geological conditions and treatment of dam foundation in Xiangjiaba Hydropower Station are comprehensively analyzed. The conclusions show that, (a) although the excavation, retention and treatment of large-scale crushed zone in dam foundation are beyond the difficulty that could be addressed with existing engineering practices, current methods of calculation and analysis are still applicable; (b) as the deformation control, seepage proofing and sliding resistance at the foundation of gravity dam are inter-related with each other, the analyses on stability, stress, deformation and seepage as well as their engineering treatment measures shall be considered as a whole; and (c) in addition to seepage slope as one of factors affecting seepage and stability, the scouring effect of subsurface seepage flow shall also come under scrutiny in case of high seepage flow. When the uplift pressure at the foundation has been put under control, the drain holes with high flow may be adjusted to secure seepage stability by reducing and homogenizing the water discharge and lowering down seepage flow．

high gravity dam; crushed zone; weak interlayer; permeability; suspended curtain; dam foundation treatment; Xiangjiaba Hydropower Station

2015-06-03

潘江洋(1970—),男,湖南浏阳人,教授级高工,从事水电水利工程设计工作．

TV223.43;TV642.3(274)

A

0559-9342(2017)02-0060-07