莲花台水电站工程坝基帷幕灌浆设计

刘兴华，白朝伟，乔 白

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 工程概况

丹江是汉江的一级支流，莲花台水电站为丹江干流在陕西省商南县境内的第二个梯级水电站。工程开发任务以发电为主。水库总库容为9 985万 m3，电站装机容量40 MW。本工程等别为中型Ⅲ等工程。枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、泄洪坝段、泄洪排沙孔、右岸坝后厂房组成。坝顶高程297.20 m，最大坝高70.20 m。

坝体上游侧设置234 m、262 m、297.2 m高程三层帷幕灌浆廊道(兼交通排水廊道)。灌浆平洞为城门型断面，廊道断面为3.0 m×3.5 m；262.00 m高程廊道左端灌浆平洞长17.3 m，右端灌浆平洞长63.5 m；297.20 m高程廊道左坝肩灌浆平洞长为35 m，右坝顶灌浆平洞长为80 m。

2 地质条件

工程区地质构造单元属华北准地台秦岭元台隆褶带南侧元古拱褶束，库区属礼县—柞水华里西褶皱带，坝址区属白水江—白河褶皱带。库区内发育一系列走向NWW—EW向的区域性断裂。坝址河床中部发育次级区域断裂F31，破碎带宽5～6 m，破碎带由灰黑色糜棱岩、碎裂岩组成，带内强风化，中等透水性，透水率q=30～70 Lu。上盘影响带宽10～15 m，下盘6～8 m，受断裂影响，两侧岩体完整性差或较差。河床基岩透水性差异较大：强风化、卸荷带、断层破碎带及影响带以中等透水为主(q=10～100 Lu)，微风化片岩和弱～微风化白云质灰岩及灰岩以弱透水为主(溶洞除外)。透水率q<3 Lu的岩体顶板一般埋深60～70 m，但断层F31破碎带及影响带q<3 Lu的岩体顶板埋深大于100 m。断层F31两侧及右半部岩溶较发育，以溶隙、溶孔和少量溶洞为主，在高程189～221 m间，岩溶较发育，洞高1.7～7.8 m，最大10.6 m，多数充填褐红色粘土夹碎石，较密实，透水率10.2～61.5 Lu，为中等透水性。

左岸及F31断层上盘岩性(Zayl-Is)为钠长石绿泥石正片岩，片岩岩层走向为NE15°～30°，倾向SE(倾向左岸偏下游)，倾角35°～70°，表层倾角较缓。左岸发育三条层间断层F1～F3，其中F1、F3宽10～40 cm，F2宽2～3 cm，破碎带以碎裂岩为主，上下盘面连续分布2～3 mm厚的灰黑色断层泥，断层附近层面及裂隙面普遍渗水，且夹泥膜。左岸坝基以钠长石绿泥石正片岩为主，岩体强～弱风化，层间断层较发育。左岸坝肩岩体以弱透水(q=1～10 Lu)为主，透水率q<3 Lu的岩体顶板埋深为55～60 m。由于层间断层较发育，岩体较破碎，透水性中等(q=10～100 Lu)。

右岸及F31断层下盘岩性(Zbdn)为白云质灰岩及灰岩，白云质灰岩及灰岩走向NW345°～NE10°，倾向NE或SE(总体倾向左岸偏下游)，倾角60°～65°。总体，地形上陡下缓。地下水埋深34～52 m，为裂隙性潜水，水力坡降为13%～16%。局部在溶隙和溶孔有少量岩溶水渗出。右岸边坡发育2条层间断层(F4、F5)和三条层间挤压带(J1～J3)。断层破碎带宽8～20 cm，破碎带由碎裂岩夹断层泥组成，走向NW345°～350°NE∠70°～80°。

图1 帷幕轴线水文地质剖面图

3 坝基帷幕设计

3.1 防渗帷幕设计要求

减小坝基和绕坝渗漏；防止在坝基软弱结构面、断层破碎带、岩体裂隙充填物以及抗渗性能差的岩层中产生渗透破坏；防止惨漏水流对坝基及两岸边坡稳定产生不利影响；在帷幕和坝基排水的共同作用下，使坝基扬压力和坝基渗漏量控制至允许值以内；具有连续性和足够的耐久性[1]。

3.2 防渗帷幕设计标准

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2018)规定要求[1]：

(1)坝基下存在可靠的相对隔水层，且埋深较浅的，防惨帷幕应伸入到该岩层内3～5 m，形成封闭式帷幕。坝高在50～100 m之间，透水率q为3～5 Lu。

(2)坝基下相对隔水层埋藏较深或分布无规律的，可设置悬挂式帷幕。帷幕深度应符合3.1条的规定，并参照渗流计算，考虑工程地质条件和坝基扬压力等因素，结合工程经验研究确定，非岩溶地区可在0.3～0.7倍水头范围内选择。

(3)岩溶地区灌浆帷幕深度应根据相对隔水层的埋深、坝高、坝基及两岸允许的渗漏量及幕后扬压力等因素在保证大坝安全的前提下，通过技术经济比较选定。

根据坝区工程地质、水文地质和灌浆试验资料，结合水库功能和坝高,综合考虑防渗和排水的相互作用，进行帷幕灌浆孔和排水孔的布设。

本工程坝基下相对隔水层埋藏较深、分布无规律。坝址河床中部断层F31顺河展布，两侧岩溶较发育，透水中等。经综合分析采用悬挂式帷幕。帷幕深度按1.5倍坝高控制。防渗帷幕的轴线方向和延伸长度标准：左岸坝顶廊道深度及帷幕轴线延伸长度按正常蓄水位与地下水位相交处控制；右岸坝顶廊道深度及帷幕轴线延伸长度按一倍坝高进行控制。

3.3 防渗帷幕及排水孔布置

坝基灌浆帷幕中心线距坝上游面6.50 m，钻孔倾向上游2°～3°，沿帷幕灌浆廊道布置。防渗帷幕采用主副两排布置，排距0.8 m，孔距2.0 m。在断层部位局部加强设置3排。最大孔深(深入基岩)约100.00 m。

排水孔布设在帷幕中心线下游侧1.5 m处，钻孔倾向下游5°，沿帷幕灌浆廊道布置。排水孔布置一排，孔距3.0 m，孔深为帷幕深度的0.4倍。在F31断层范围内孔内设反滤层。渗水经排水孔排入廊道，再通过廊道汇集到坝内渗漏集水井排至下游。

图2 坝基防渗帷幕布置图

3.4 灌浆方法及次序

灌浆方法：主、副帷幕灌浆采用孔口封闭、自上而下分段灌浆；搭接帷幕采用自上而下(自孔口至孔底)分段卡塞灌浆法[2]。

灌浆次序：帷幕灌浆孔应先施工下游排，后施工上游排，各排孔分三个灌浆次序逐渐加密的原则施工。搭接帷幕按环间分序、环内加密的原则进行，环间分三个次序、环内分两个次序施工[2]。

3.5 浆段长及压力

主、副帷幕水泥灌浆分段长度及压力见表1。

3.6 灌注材料及水灰比

(1)3.5.1 非岩溶区：采用普通水泥浆液或水泥砂浆

(2)岩溶区：当灌前压水试验透水率大于200 Lu时，灌注可控自密实水泥浆液或自密实砂浆，必要时也可灌注自密实细石混凝土(最大骨料粒径小于10 mm)。

表1 主、副帷幕灌浆灌浆压力表

3.7 灌浆结束标准

在设计规定的最大灌浆压力下，必须同时满足：

(1)在最大设计压力下持续灌注历时不小于60 min；

(2)在设计最大压力下，当注入率小于1.0 L/min后，再继续灌注60 min结束。

3.8 质量检查评定标准

帷幕合格标准为：检查孔透水率小于5 Lu。

经检查孔压水试验检查，坝体混凝土与岩石接触段的透水率的合格率为100%；其余孔段的合格率不小于90%，不合格试段的透水率不超过7.5 Lu，且分布不集中，灌浆质量可评为合格。

4 施工过程及效果评价

帷幕灌浆施工过程中基本按设计要求施工。在对岩溶区灌浆吃浆量相对较大的坝段，现场结合实际情况等，未采用自密实水泥砂浆或自密实砂浆，采取了常规的水泥砂浆(水泥)加速凝剂及灌浆过程工艺控制等措施减少灌浆吃浆量，也取得了较好的成效。

本工程常规帷幕灌浆分21个单元工程。根据灌浆量数据成果分析，最大单位耗灰量1 278 kg/m，平均单位耗灰量202.2 kg/m[3]。帷幕灌浆灌后压水试验检查透水率均小于5 Lu。帷幕灌浆灌后检查孔压水试验检查结果全部满足设计要求，灌浆质量合格。

5 结语

针对莲花台水电站工程岩溶较发育的实际情况，对坝基以下岩溶结合帷幕灌浆过程同步处理。该措施大大减小了岩溶渗漏几率，节省了施工成本上，是针对弱岩溶地层防渗处理的有效工程措施，可为其他类似岩溶化地层防渗帷幕设计、施工提供借鉴。