大石门水利工程深厚砂砾石覆盖层防渗处理设计

郝永志

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程简介

新疆车尔臣河大石门水利枢纽工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程和2015年国家新开工的27项重点水利工程之一，项目总投资19.6亿元[1]。碾压式沥青混凝土心墙坝高128.8m，总库容1.27亿m3，为Ⅱ等大(二)型工程，由拦河坝、帷幕灌浆垂直防渗系统、表孔溢洪洞、底孔泄洪洞、发电引水洞，地面厂房等组成。建筑物抗震设计烈度为8度，地震峰值加速度0.26g，是我国目前已建和在建水利工程中抗震设防烈度最大、坝高最高的沥青混凝土心墙坝[2]。

2 深厚砂砾石覆盖层地质概况

古河道下部为深厚中更新统的冲积砂砾石层如见图1所示，泥质半胶结，层厚20～254m。根据试验资料[5]，中更新统冲积砂砾石层天然密度为2.14g/cm3，干密度为2.12g/cm3，含水率1.0%，根据原位渗透试验，渗透系数为3.73×10-3cm/s，为中等透水地层。架空结构占该地层15%，架空结构渗透系数为1×10-2cm/s，为强透水地层，古河道中心位置最深约295m[6]。下部为基岩，岩性为下元古界蚀变辉绿岩。

图1 灌浆平洞砂卵砾石层开挖照片

3 古河槽防渗处理设计

3.1 “上防下排”防渗措置

鉴于古河槽防渗处理对本工程运行安全的重要作用，为解决近坝区渗透稳定、减少渗漏量等问题，左岸古河槽砂卵砾石层防渗处理采用200余m深纯帷幕灌浆并结合永久交通洞兼排水洞、临时交通洞兼排水洞和主排水洞形成一道连续的排水孔幕的“上防下排”[4]的综合防渗处理措施。大石门水利工程深厚砂砾石覆盖层防渗处理平面布置图如图2所示。

图2 大石门水利工程深厚砂砾石覆盖层防渗处理平面布置图

3.2 古河槽垂直防渗处理设计

3.2.1 防渗长度计算

3.2.2 垂直防渗方式的选定

垂直防渗是深厚覆盖层防渗处理的一种行之有效的处理方式，常采用混凝土防渗墙、帷幕灌浆和悬挂式混凝土防渗墙下接砂砾石帷幕灌浆(上墙下幕形式)。2014年12月，大石门水利枢纽工程可行性研究报告通过了水利部水规总院审查。一致认为无论采用哪种现有的垂直防渗形式，对深度近200m的深厚覆盖层防渗处理均无先例，也无规范可循[4]。

表1 不同帷幕长度条件下的水库渗漏量对比

混凝土防渗墙结构安全可靠，防渗效果好，其设计、施工已发展到相当高的水平。加拿大的马尼克3号坝，其混凝土墙最大处理深度为131m[8- 9]。

在砂砾石中利用水泥黏土灌浆做成防渗帷幕，也是深厚覆盖层防渗处理的一种重要方法。法国的谢尔·庞桑坝首先采用这种方法，采用19排灌浆帷幕，帷幕厚度15～35m，灌入地层最大深度115m[9- 10]。

表2 国内外部分深厚覆盖层垂直防渗工程特性

目前，世界上规模最大的防渗帷幕为埃及阿斯旺防渗帷幕[11]。帷幕灌浆材料采用水泥黏土浆，最大深度达208m，最大厚度达40m。大坝自1967年建成，经多年运转至今，帷幕防渗效果良好。

若悬挂式混凝土防渗墙不能满足坝基渗透稳定和控制渗流量的要求，防渗形式可采取悬挂式混凝土防渗墙下接灌浆帷幕进行全截断。冶勒[12- 13]水电站基础最大防渗深度约200m，采用140m深的混凝土防渗墙接60m深的帷幕灌浆的联合防渗形式。下板地[14- 15]水库坝基碛砂砾石覆盖层最大厚度达150余m，采用80m混凝土防渗墙接70m帷幕灌浆的防渗处理方式。国内外部分建在深厚覆盖层垂直防渗工程特性见表2。

悬挂式混凝土防渗墙下接灌浆帷幕在百米及以上深度内进行垂直防渗处理的施工方法已比较成熟[16- 17]，但防渗墙造价较帷幕灌浆高，而本工程古河槽防渗的主要作用是延长渗径，使绕渗水流远离坝后坡的高边坡，避免高边坡滑塌对后坝坡及厂房产生破坏。因此，本工程采用帷幕灌浆的垂直防渗措施对深厚砂砾石覆盖层进行防渗处理。

现行SL 62—2014《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》[18]中孔斜控制的最大深度为100m，最大钻孔孔底允许偏差值为2.5m。本工程最大钻孔深度近200余m，远超规范规定值。为使帷幕灌浆能形成连续的幕，不产生渗漏通道，根据帷幕灌浆孔的孔距对钻孔孔斜进行控制，帷幕灌浆排距2.0m，孔距3.0m，因此帷幕孔孔底最大允许偏差值设定为3.0m。孔底最大允许偏差值见表3。

表3 帷幕孔孔底最大允许偏差值

根据地质勘察资料及三维渗流计算成果，确定了左岸古河槽防渗采用570m长的砂卵石灌浆帷幕，灌浆帷幕2排，排距2.0m，孔距3.0m，梅花形布置，孔深按入岩以下5m控制，注浆后渗透系数q≤10Lu。

3.2.3 帷幕灌浆可行性分析

中国葛洲坝集团基础工程有限公司在施工现场进行了一期和二期灌浆试验[19]，并总结出了一种创新的灌浆方法，即一种深厚覆盖层的快捷灌浆[20]。灌浆试验结果表明，采用XY- 42型地质钻机配绳索钻具在超深砂砾石地层进行帷幕灌浆钻孔施工是适宜的；在泥质半胶结砂砾石地层进行帷幕灌浆，采用循环式灌浆方式有利于提高灌浆效果；灌浆浆材适宜采用水泥膨润土浆液，水泥与膨润土灰土比(质量比)采用1∶0.2，浆液采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.7∶1等5级水固比(质量比)以及采用“由稀到浓，再由浓到稀”的浆液变换原则是合理有效的，既保证了灌浆质量，又经济，同时还减少了铸管事故的发生。Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔的最大灌浆压力分别按3.0、3.5、3.5～4.0MPa进行控制。该地层经帷幕灌浆处理后，地层的防渗性能得到了较大幅度的提升，帷幕灌浆试验取得了一定的成效。

3.3 排水孔幕设计

3.3.1 排水孔深度确定

排水管长度计算公式如下：

Lpsg=PP(x,y,z)/(ρwg)

(1)

式中，Lpsg—排水管长度；PP(x,y,z)—对应位置处的孔压值；ρw—水的密度；g—重力加速度。

根据计算可知，排水管长度根据不同洞顶高程取9～56m。

3.3.2 排水孔布置

中国水利水电科学研究院的新疆车尔臣河大石门水利枢纽工程水库左岸三维渗流计算分析研究[7]报告计算成果显示，在左岸设置长度570m帷幕，虽有效地降低了渗透系数和水力坡降，但绕过帷幕的渗透水力坡降仍有超过0.15的范围存在，具体位置为在水平面内、垂直距离坝轴线超过480m的范围，沿高程方向分布在基岩顶面至2210m高程附近。渗透水流对下游左岸高边坡仍存在威胁，为了阻止水流直接向边坡坡面渗出，在下游边坡处设置一排排水孔幕以拦截绕渗水流，降低水力坡降。

为了得到排水管布置方式(排数、间距)对降低孔压影响的效果，南京水利科学研究院完成的新疆大石门水利枢纽工程大坝下游左岸砂砾石高边坡稳定计算分析[21]报告建立了若干局部计算模型，分别为3m一排、3m两排、2m一排、2m两排、1m一排，排间距均为2m。对这五种局部模型分别进行网格划分，并设置初始边界条件，进行三维渗流场计算。计算结果表明，3m一排的孔压消散不明显，由于排水管间距较大，水体可以绕过排水管往下渗透；而3m两排、2m一排的效果相似，孔压能降低50%左右；2m两排、1m一排的孔压消散效果最好，经过排水管后孔压基本上都能降到很小值。考虑到工程施工的经济性和排水管的有效性，采取2m一排的施工方案，以满足防渗设计要求。

在左岸古河槽帷幕下游布置一条主排水洞、交通兼排水洞及滤水花管等排水设施。主排水洞是由1#- 1永久交通洞转弯处分叉出来的沿基岩面布置的一条排水洞，桩号为P0+000～P0+140.000。排水洞尺寸为3.0m×3.5m，排水洞形式为马蹄形。主排水洞顶部设一排排水孔，1#永久交通洞(D1+701.248～D1+801.248段)、1#- 1永久交通洞均兼顾排水作用，顶部设一排排水孔，孔距2m，排水孔内设DN=63～75mm滤水花管。

由于在砂砾石层洞内向上造孔过程中有掉块现象，排水管安装面临入岩困难的难题，施工较困难，同时，渗流滤排水管还易出现泥沙等沉积物淤埋而导致滤排水效能降低的问题。为此，中国葛洲坝集团基础工程有限公司根据现场实际情况，研发了一种深厚砂砾石层渗流滤排水装置。该渗流滤排水装置分为外层过滤体和内层过滤体，分别采用整体式滤水外管和软式透水管对砂砾石层渗流进行分层滤排水处理，外层的整体式滤水外管耐压、透水，达到了防止排水孔坍塌及孔壁塌落砾石进入滤水花管管内的有益效果；内层的软式透水管集吸水、透水、排水为一体，具有耐压、透水及反滤作用，达到了有效过滤并防止泥沙等沉积物进入管内的有益效果。渗流滤排水装置以6m为一个单元，第一单元DN=75mm，其余单元DN=63mm。直径75mm的滤水花管开孔率为2.5%，开孔直径10mm，每环4个孔，环间距50mm；直径63mm的滤水花管开孔率为3.0%，开孔直径10mm，每环4个孔，环间距50mm。砂砾石层排水孔内滤水花管示意如图3所示。

4 结论

大石门水利枢纽工程古河槽砂卵砾石层存在渗漏和绕渗问题，防渗处理采用帷幕灌浆并结合永久、临时交通洞兼排水洞和主排水洞形成一道连续的排水孔幕的“上防下排”的综合防渗处理措施。主要得出以下结论：

(1)设置长度为300、570、690m的左岸帷幕时，对应的年渗漏量分别是3034.4、2881.7、2821.8万m3。当同时设置左坝肩帷幕和封闭的库区帷幕时，年渗漏量为2071.6万m3。从帷幕作用和工程投资等角度分析，在左岸坝顶高程沿坝轴线方向设570m帷幕灌浆(桩号为古0+000m～古0+570m)较为合理。

(2)垂直防渗的处理方式主要有混凝土防渗墙、帷幕灌浆和悬挂式混凝土防渗墙下接砂砾石帷幕灌浆(上墙下幕形式)。总结国内外垂直防渗的方式方法，最终确定本工程采用纯帷幕灌浆的垂直防渗措施。

(3)通过现场灌浆试验，总结了一种新的灌浆方法，即一种深厚覆盖层的快捷灌浆方法。灌浆试验表明，该地层经帷幕灌浆处理后，地层的防渗性能得到了较大幅度的提升，帷幕灌浆试验取得了一定的成效。

(4)砂砾石层中向上钻设安装渗流滤排水装置较困难，通过现场试验，总结出了一种深厚砂砾石层渗流滤排水装置及安装方法。目前，排水系统的渗流滤排水装置已安装完毕，达到了预期目标。

1—63mm滤水花管；2—50mm透水花管；3—75mm滤水花管；4—63mm堵头；5—滤水土工布；6—63mm直接头；7—63mm变75mm 变径接头；8—75mm三通；9—排水孔；10—75mmPVC排水沟；11—滤水花眼；12—膨胀螺栓；13—抱箍；14—排水洞洞顶图3 砂砾石层排水孔内滤水花管示意图