向家坝水电站坝基混凝土防渗墙研究及应用

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 430014)

1 工程概述

向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最末1个梯级，坝址位于四川省宜宾县和云南省水富县交界处。电站距下游宜宾市33km，距水富县城1.5km。工程的开发任务以发电为主，同时改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等作用。电站坝址控制流域面积45.88万km2，正常蓄水位380.00m，水库总库容51.63亿m3，装机容量6400MW。大坝采用混凝土重力坝，最大坝高162.00m。

工程于2004年7月开始筹建；2006年11月26日，向家坝水电站主体工程开工建设；2008年12月28日截流；2012年10月下闸蓄水；2012年11月右岸地下电站首批2台机组投产发电；2013年4月大坝全线浇筑至坝顶；2013年7月水库水位由354m抬升至死水位370m，9月蓄至正常蓄水位380m；左岸坝后电站第1台机组于2013年10月投产发电；2014年7月，全厂8台机组全部投产发电。

2 向家坝坝基的软弱破碎特性

2.1 挠曲核部破碎带分布特点

挠曲核部破碎带在平面上斜穿左泄水坝段坝踵、右泄水坝段消力池，在高程240m的分布宽度为：坝踵部位40m，坝趾部位70m。破碎岩带总体走向NW，倾向SW(即右岸偏上游)，倾角在30°～40°。

针对坝踵部位出露的挠曲核部破碎带及其影响带，采取开挖坝踵齿槽的方式截断潜在的主滑面，以保证大坝的深层抗滑稳定，同时挖除坝踵部位Ⅳ～Ⅴ类岩体，改善坝踵部位应力变形条件；对于在坝基中部、坝趾及消力池出露的挠曲核部破碎带，采用适当深挖40m深齿槽并置换混凝土的方法。通过上述开挖处理设计，大坝建基面均为Ⅲ2及以上岩体，大坝及消力池齿槽底面仍保留部分Ⅳ～Ⅴ类挠曲核部破碎带岩体，其中泄④～⑧坝段位于坝踵部位，最大厚度约60m[1]。

2.2 挠曲核部破碎带物质组成

挠曲核部破碎带顶、底界面不规则，起伏大，铅直厚度多在10～60m。勘探孔揭露该破碎岩带岩体多呈碎块状，夹杂碎屑状和短柱状，碎屑状结构的占31.4%～37.0%。经颗粒分析，挠曲核部破碎带内的碎块结构岩体的颗粒组成以粒径大于5mm的为主，一般占70%～90%；碎屑结构岩体则以粉细砂为主，一般占30%～60%，黏粒占10%左右。

2.3 挠曲核部破碎带物理力学特性

2.4 挠曲核部破碎带岩体渗透特性

经试验成果分析，挠曲核部破碎带岩体的渗透性差异较大，其中碎屑结构岩体的渗透系数在A×10-6cm/s左右，临界坡降在8.33～13.84，破坏坡降在16.8～54.63，破坏形式既有管涌也有流土；碎块结构岩体的渗透系统则在A×(10-4～10-5)cm/s，临界坡降为4.21～5.58，破坏坡降为44.4～49.8，破坏形式既有管涌也有流土。

3 软弱破碎坝基的防渗处理方法

3.1 防渗工艺选择与比选方法

3.1.1 常规水泥灌浆

挠曲核部破碎带主要呈碎块结构和碎屑结构，其中碎屑结构物质颗粒细，具有原位条件下含水率低(5%～7%左右)、密实度高(2.2～2.4g/cm3)、强度低、透水率小(10-4～106cm/s)、遇水易塌孔、可灌性差等特点。

参照《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2006)附录L中无黏性土允许水力比降确定方法的规定，以试验成果的临界坡降除以1.5～2.0的安全系数取允许比降，挠曲核部破碎带内碎屑结构岩体的允许比降建议取4～5，碎块结构岩体的允许比降建议取2～3。对比坝基渗流计算分析成果，如果防渗体质量不理想，沿挠曲核部破碎带存在产生渗透破坏的可能。现场灌浆试验成果表明，常规水泥灌浆成孔困难、可灌性差，对坝基存在的挠曲核部破碎带地质缺陷处理难以达到设计要求。

3.1.2 化学灌浆

针对该部位软弱破碎岩体的物理力学性质，对挠曲核部破碎带进行“水泥-化学复合”帷幕灌浆试验，以研究化学灌浆的适宜性。试验用化灌材料选用CW510环氧树脂灌浆材料和AC-Ⅱ丙烯酸盐灌浆材料进行对比分析，AC-Ⅱ丙烯酸盐化学灌浆材料和CW510系环氧类化学灌浆材料各有4个孔，孔距1.0m。

灌浆试验成果表明：湿磨细水泥+AC-Ⅱ丙烯酸盐复合灌浆对改善抗渗性能有一定的效果，但对改善不良地质体强度效果不明显；湿磨细水泥+CW环氧材料复合灌浆对改善坝基不良地质体强度和抗渗性能效果有限。从取芯及芯样偏光显微镜检查情况看，CW环氧材料对微细裂隙结构风化疏松岩体(属Ⅴ类岩体)的充填和浸润效果一般，不良地质体灌后透水率、疲劳压水试验和破坏性压水指标基本满足设计要求，声波值有一定程度改善。同时，化学灌浆存在化灌材料单耗偏大、部分柱状岩芯中未见明显环氧材料充填等现象。

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3.1.3 塑性混凝土防渗墙

为了对防渗墙的效果及适宜性进行分析，对典型坝段泄⑥建立坝体-地基二维有限元整体模型(见图1)，采用非线性有限元法分别对工程完建工况和正常蓄水位工况进行渗流及应力分析。

图1 坝基防渗墙布置

3.1.3.1 渗透比降

取防渗墙的渗透系数为10-8cm/s，考虑固灌后固灌范围岩体渗透系数的变化以及防渗帷幕和排水孔的影响进行渗流计算，得到的防渗墙渗透比降分布如图2所示。可见：防渗墙最大水力梯度为50，发生在防渗墙与大坝接头处，从接头处到底部水力梯度递减，底部的水力梯度为12。

图2 防渗墙渗透比降分布

3.1.3.2 防渗墙与周围岩体位移和应力协调性

计算分析成果表明：从完建工况和正常蓄水工况位移分布图来看，防渗墙底端与周围岩体面的位移差别非常小，没有明显的相互错动。从完建工况和正常蓄水工况应力图来看，在防渗墙顶部、底部、与JC2-10交界处以及150m高程附近的Ⅳ～Ⅴ类岩与Ⅲ1类岩交界处均存在突变。其中防渗墙顶部和底部的应力突变是由于边界点应力奇异造成的，而JC2-10交界处以及150m高程附近的Ⅳ～Ⅴ类岩与Ⅲ1类岩交界处均存在突变则是由于岩体材料特性突变造成的。从整体上看，除了个别应力集中点以外，完建工况和正常蓄水工况防渗墙的主拉应力值都很小，主压应力值也普遍比较小，完建工况主压应力值基本小于1MPa，正常蓄水工况主压应力值基本小于1.5MPa。

3.1.4 防渗形式比选

如图1所示，泄④～⑧坝段坝踵深齿槽底部挠曲核部破碎带岩体，通过对其进行水力学特性试验研究，发现其可灌性较差，常规水泥灌浆难以满足设计要求；化学灌浆试验表明，灌浆工艺复杂、水泥及化学浆材耗浆量大，对于破碎带强度及抗渗处理效果有限；防渗墙能够满足坝基渗透稳定的要求，且与周围岩体的变形基本协调。最终确定坝基挠曲核部破碎带采用混凝土防渗墙的防渗形式。

3.2 防渗墙设计指标确定方法

3.2.1 防渗墙设置范围

如图1所示，泄④以左坝段坝踵齿槽已将以挤压破碎带、挠曲核部破碎带为代表的地质缺陷全部挖除，齿槽底部坐落在Ⅲ类岩体上，其防渗处理采用常规帷幕灌浆；泄水坝段泄⑦～泄⑦坝踵齿槽底部高程为203.00m，其下部尚存有最大深度达60m的挠曲核部破碎带；泄⑧～泄⑩坝段坝踵高程抬高至240.00m，建基岩体为Ⅱ～Ⅲ1类岩体，其厚度基本在35m以上，挠曲核部破碎带下伏在Ⅱ～Ⅲ1类岩体以下，且越往右岸，破碎带厚度越薄，埋藏越深；泄⑧以右坝段挠曲核部破碎带埋深已达40m以上，可采用常规复合灌浆进行处理。因此，泄④～泄⑧采用混凝土防渗墙作为坝基挠曲核部破碎带防渗处理方案。

坝基防渗墙总长88m，墙厚1.2m，顶部高程为210m，底部高程为148m，最大墙深62m，墙底进入Ⅲ类岩体至少2m，共计3432m2。对防渗墙与基岩的接触面及以下岩体进行常规灌浆，防渗帷幕采用2排孔，孔底高程均为80.00m，2排帷幕孔均在防渗墙内埋管设置；另外，在防渗墙的下游进行深孔固结灌浆，孔底高程140.00m，基本与防渗墙底部高程相同，重点对防渗墙下游经冲击扰动的Ⅳ～Ⅴ类挠曲核部破碎带岩体进行灌浆。防渗墙典型断面见图3。

图3 坝基防渗墙典型断面

3.2.2 防渗墙墙厚

混凝土防渗墙厚度的确定，主要取决于墙体混凝土的抗渗比降、施工技术水平和机械设备能力。防渗墙的渗透稳定性取决于混凝土的抗渗比降。混凝土自身的抗渗比降随其强度的增大而提高，可以达到很大的值，考虑一定的安全储备，允许比降通常在100左右。考虑到混凝土防渗墙是在泥浆下浇筑而成的，且为隐蔽性工程，其质量控制较为困难，国内混凝土防渗墙的抗渗比降一般采用70～90。防渗墙厚度主要根据墙体所承担的水头，即混凝土的抗渗比降确定[2]。按照渗流分析成果，防渗墙墙体承担110m水头，以此确定墙厚为1.2m，相应抗渗比降为92。其次定墙厚时也考虑了当前国内外造孔机械设备的现状和施工难度，以加快防渗墙的建造速度，否则将会增加工程造价。

3.2.3 防渗墙强度分析方法

采用非线性有限元方法对强度分别为1.25MPa、5MPa、12.5MPa的三种防渗墙参数进行分析的成果表明，防渗墙强度的变化对其变形的影响不显著，无论是水平变形还是垂直变形均只有微小的变化；随着防渗墙强度的提高，最大主应力和最小主应力极值均逐渐增大；在5MPa的防渗墙强度下，防渗墙的主压应力均不超过1.5MPa。

根据本工程防渗墙特点，并类比其他工程，经综合考虑初步拟定防渗墙指标如下：抗压强度3～5MPa、模强比500、渗透系数不大于10-8cm/s。

3.2.4 防渗墙细部设计方法

3.2.4.1 防渗墙与大坝的衔接

根据防渗墙非线性有限元分析成果，在5MPa强度防渗墙参数情况下，坝体自重工况下，大坝水平位移以倾向上游为主，防渗墙的水平位移最大值为-0.75 cm，竖向最大位移为-3.85cm，均出现在防渗墙顶部。正常蓄水位工况下，防渗墙的水平位移最大值为3.44cm，出现在JC2-9和JC2-10之间的防渗墙中部，竖向最大位移为-3.22cm，出现在防渗墙顶部。

根据有限元分析成果，结合工程类比，防渗墙与大坝连接接头初步拟定如下：防渗墙顶部伸入坝体导槽1.3m，接头顶部和上、下游侧与坝体之间均设有铜片止水，并设置闭孔泡沫板，作为弹性变形空间。防渗墙接头顶部、上游侧、下游侧闭孔泡沫板厚分别为10cm、3cm、5cm。

3.2.4.2 防渗墙与帷幕的衔接

按照坝基渗控系统总体布置，防渗帷幕采用3排同深孔，排距1.5m，孔距2m，孔底高程均为90.00m。在泄④～泄⑥坝段防渗帷幕穿过Ⅳ～Ⅴ类挠曲核部破碎带部位，采用塑性混凝土防渗墙代替第二排帷幕灌浆，防渗墙厚1.2m，墙底进入Ⅲ2类岩体至少2m。第二排帷幕孔在防渗墙内埋管施工，重点对防渗墙与基岩的接触面及以下岩体进行帷幕灌浆；第一排和第三排帷幕孔对防渗墙上下游经冲击扰动的Ⅳ～Ⅴ类挠曲核部破碎带及以下岩体进行灌浆。泄⑦～泄⑩坝段坝基高程210.00m隧洞以下防渗墙和灌浆布置同泄④～泄⑥坝段，防渗墙隧洞顶拱以上Ⅱ～Ⅲ1类岩体帷幕灌浆待坝基高程210.00m隧洞回填混凝土后，在坝体高程245.00m帷幕廊道施工[3-4]。

4 防渗墙运行效果分析

向家坝水电站于2012年10月下闸蓄水，初期蓄水位354m；2013年7月水库水位由354m抬升至死水位370m，9月蓄至正常蓄水位380m；坝基防渗系统经历了工程蓄水及初期运行的实践检验。

为了监测坝基防渗墙的运行情况及防渗效果，在基础防渗墙部位共埋设安装渗压计31支，起测时间为2012年4月—2013年4月。

首次蓄水354m期间，防渗墙渗压计折算水位随库水位上升呈增大趋势，防渗墙上游侧渗压计的折算水位比防渗墙后的折算水位高出约50m，说明防渗墙起到了一定的防渗效果。蓄水370m后，防渗墙渗压水位随着库水位上升而升高，蓄水结束后，防渗墙上游渗压水位上升近9m，下游侧渗压水位上升近5m，防渗墙基础渗流趋缓。蓄水380m后，防渗墙上游渗压水位最大上升4.46m，下游侧渗压水位最大上升3.57m。

2013年底至今，防渗墙上游测点测值比下游测点测值高约40～70m，防渗墙部位渗压基本稳定，说明防渗墙起到了良好的防渗效果。图4为截至2019年12月防渗墙监测断面渗压计监测分析图。

5 结 语

在水电工程中，混凝土防渗墙多用于土石坝深厚覆盖层的坝基防渗中，混凝土坝坝基地质条件相对较好，通常采用帷幕灌浆作为防渗体。向家坝水电站大坝虽为混凝土重力坝，但坝址地质条件极为复杂，通过综合技术经济分析，基础采用“扩大坝基+坝踵齿槽+深孔固结灌浆”综合处理方案，但河床泄水坝段坝踵部位仍保留约60m厚的Ⅳ～Ⅴ类挠曲核部破碎带岩体，其强度较低、遇水泥化、可灌性差。设计采用塑性混凝土防渗墙的防渗形式，成功地解决了工程软弱破碎岩体的防渗问题。

蓄水至今，防渗墙已在设计运行条件下正常工作7年多，充分说明了软弱破碎岩体中防渗墙良好的防渗效果。

图4 防渗墙监测断面渗压计监测分析