壩基帷幕灌漿工程中增設(shè)排水孔設(shè)計(jì)與效果分析

2013-08-06 03:27張曉光徐永江王海方

黑龍江水利科技 2013年6期

張曉光，徐永江，王海方，劉洋，賈犇

(1.葫蘆島市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧葫蘆島 125000;2.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006 3.葫蘆島市凌河局，遼寧葫蘆島125000;4.葫蘆島市烏金塘水庫(kù)管理局，遼寧葫蘆島 125000)

1 工程總體概述

包括工程概況及補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿和排水設(shè)計(jì):

1.1 工程概況

主要包括:水庫(kù)及大壩基本情況，帷幕灌漿原設(shè)計(jì)和以往施工情況、本次灌漿前壩基防滲帷幕狀況。

1.1.1 水庫(kù)、大壩基本情況

葠窩水庫(kù)是太子河上的骨干水利樞紐工程之一，壩址上游流域面積6 175 km2，水庫(kù)任務(wù)是以防洪、灌溉、工業(yè)供水為主，并進(jìn)行綜合發(fā)電［1］。

葠窩水庫(kù)是大(2)型水利樞紐工程，大壩樞紐主要建筑物為Ⅱ級(jí)。水庫(kù)按100 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000 a一遇洪水校核(上游觀音閣水庫(kù)建成后，在規(guī)模，最高水位不變的前提下，校核標(biāo)準(zhǔn)可提高到萬(wàn)年)。

設(shè)計(jì)洪水位100.5 m，校核洪水位102.0 m，正常高水位96.6 m，防洪限制水位86.2 m，總庫(kù)容7.9 ×108m3，防洪庫(kù)容5.78 ×108m3，興利庫(kù)容5.08 ×108m3。保護(hù)下游農(nóng)田10.93萬(wàn)hm2，水庫(kù)灌溉面積4.67萬(wàn)hm2，年供給工業(yè)用水1.12億m3，年平均發(fā)電量8 000萬(wàn)kW·h［2］。

樞紐主要建筑物有攔河壩、溢流壩(在閘墩下分別設(shè)有6個(gè)底孔)、電站(裝機(jī):17 200 kW)3 部分。壩總長(zhǎng)532 m共分31個(gè)壩段，其中溢流壩段15個(gè)，長(zhǎng)274.2 m;電站壩段3個(gè)，長(zhǎng)40.5 m;兩岸擋水壩段13個(gè)，長(zhǎng)217.3 m。攔河壩段為混凝土重力壩，壩頂高程103.5 m，最大壩高50.3 m，壩頂寬6.0 m。

1.1.2 帷幕灌漿原設(shè)計(jì)和以往施工情況

葠窩水庫(kù)從1971年11月—2001年8月先后完成了1#～31#壩段的基礎(chǔ)處理帷幕灌漿及其加固的工作，設(shè)計(jì)參數(shù)為:

1)防滲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):單位吸水量ω ＜0.01 L/(min·m·m)。

2)揚(yáng)壓力系數(shù):≤0.3。

3)帷幕孔排數(shù):單排孔(位于壩軸線下游4.8 m處)。

4)孔距:2 m。

5)孔深:1#壩段，巖面下10 m;2～30#壩段，巖面下15 m;31#壩段，巖面下8 m。

6)基巖與混凝土接觸面做了接觸灌漿。

1.1.3 本次灌漿前壩基防滲帷幕狀況

從葠窩壩區(qū)工程地質(zhì)可知，壩址區(qū)為古老變質(zhì)巖，壩基主要由含團(tuán)塊變粒巖、石英變粒巖及黑云母變粒巖組成。壩基開挖到弱風(fēng)化巖層面，發(fā)現(xiàn)斷層35 條，可見斷層寬度5～180 cm，延伸長(zhǎng)度10～200 m不等。

為減小壩基揚(yáng)壓力，使壩基面滲透壓力和壩基滲漏量降至允許值以內(nèi)，采用了灌漿帷幕和壩基排水相結(jié)合的方式。在樁號(hào)0 +04.8 m處設(shè)深15 m的垂直防滲帷幕一道。

在灌漿廊道內(nèi)樁號(hào)為0’+05.1 m處共設(shè)98個(gè)深12 m、向下游傾斜15°角的主排水孔;在排水廊道內(nèi)樁號(hào)為0 +024.2m處共設(shè)51個(gè)深9 m的副排水孔;在壩基與基巖接觸面水平間隔9 m左右用三角槽設(shè)壩基排水管。壩體及壩基內(nèi)滲水最終匯集到4個(gè)集水井中，用水泵抽排到下游壩外［3－5］。

為觀測(cè)壩基揚(yáng)壓力，在3#、5#、17#、23#、25#、壩段的5個(gè)橫向廊道內(nèi)各布置了1個(gè)觀測(cè)斷面。經(jīng)對(duì)觀測(cè)資料的分析，3#壩段和25#壩段的觀測(cè)點(diǎn)的水位與上游庫(kù)水位同步，且揚(yáng)壓力數(shù)值大，揚(yáng)壓力折減系數(shù)值α ＞0.3，說(shuō)明這兩個(gè)壩段的灌漿帷幕效果大部分失效;5#、17#、23#壩段揚(yáng)壓力觀測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)的水位變化比庫(kù)水位變化滯后25～28 d，且這些部位的揚(yáng)壓力數(shù)值小，揚(yáng)壓力折減系數(shù)α ＜0.3，說(shuō)明這些壩段的基礎(chǔ)灌漿帷幕還在起一定的作用。

1.2 本次補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿和排水設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)揚(yáng)壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)分析和揚(yáng)壓力系數(shù)及壩體穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果，并借鑒原有的帷幕灌漿設(shè)計(jì)及其產(chǎn)生的效果，考慮灌漿帷幕及排水的共同作用，對(duì)葠窩水庫(kù)壩基帷幕灌漿做如下設(shè)計(jì):

1)防滲標(biāo)準(zhǔn):透水率q ≤3 Lu;

2)揚(yáng)壓力折減系數(shù)α ≤0.3;

3)灌漿范圍:整個(gè)壩基。原因是:

距上次帷幕灌漿已有20 a的時(shí)間，帷幕中的氧化鈣可能析出，導(dǎo)致帷幕效果減弱。

4)葠窩水庫(kù)管理局對(duì)河床段設(shè)有揚(yáng)壓力觀測(cè)面的其余壩段進(jìn)行了人工觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)水位值高，揚(yáng)壓力值大。

5)帷幕中心線:壩軸線下游4.8 m(即原帷幕中心線)。

6)帷幕孔排數(shù):單排孔。

7)孔距:岸坡壩段2#、3#、4#、24#、25#、26#、共6個(gè)壩段孔距為1.5 m;(考慮到設(shè)置了觀測(cè)斷面的3#和25#壩段出現(xiàn)了揚(yáng)壓力折減系數(shù)大于設(shè)計(jì)值0.3的情況，并且此兩個(gè)壩段出現(xiàn)了拉應(yīng)力，所以對(duì)這兩個(gè)壩段的布孔加密，以加強(qiáng)帷幕灌漿的效果。

而2#、4#、24#、26#壩段雖然沒有設(shè)置觀測(cè)斷面，但他們都是岸坡壩段，并且分別和3#、25#壩段相鄰，所以不能確定這4個(gè)壩段的揚(yáng)壓力折減系數(shù)在允許范圍內(nèi)，而不出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此需要對(duì)這4個(gè)壩段的灌漿帷幕一并進(jìn)行加強(qiáng))。

8)其余壩段孔距設(shè)置為2 m。

9)孔深:1#壩段孔深為基巖下10 m;2#～30#壩段孔深為基巖下15 m;31#壩段孔深為基巖下8 m。

水庫(kù)經(jīng)過(guò)30 a以上的運(yùn)行，排水孔孔內(nèi)有泥沙沉淀，而且重新灌漿會(huì)堵塞原有的排水孔，使其不能達(dá)到正常的排水效果，因此需要對(duì)原有的排水孔進(jìn)行重新鉆孔沖洗工作。

葠窩水庫(kù)布置了5個(gè)橫向揚(yáng)壓力觀測(cè)斷面，無(wú)縱向觀測(cè)項(xiàng)目，考慮葠窩水庫(kù)是一大型的的病險(xiǎn)水庫(kù)，因此為全面監(jiān)測(cè)大壩的壩體安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壩基帷幕出現(xiàn)的問(wèn)題，需要對(duì)壩基設(shè)置一縱向揚(yáng)壓力觀測(cè)斷面，每個(gè)壩段設(shè)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共增加18個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

2 對(duì)3#、25#壩段揚(yáng)壓力值偏高的原因分析

2011年葠窩水庫(kù)進(jìn)行了壩基帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿工程，帷幕線設(shè)置于壩軸線下游4.8 m處，帷幕灌漿施工結(jié)束后，經(jīng)檢查質(zhì)量全部合格，效果良好，有效的降低了壩基巖體的透水性，河床段揚(yáng)壓力全部符合設(shè)計(jì)要求(揚(yáng)壓力系數(shù)＜0.3)，但壩肩第3 壩段和第25 壩段經(jīng)過(guò)灌漿前后揚(yáng)壓力觀測(cè)，揚(yáng)壓力降低不明顯，且灌漿后揚(yáng)壓力系數(shù)仍大于設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)進(jìn)行:①帷幕灌漿效果對(duì)3#、25#壩段揚(yáng)壓力值的影響分析;②壩基排水系統(tǒng)對(duì)對(duì)3#、25#壩段揚(yáng)壓力值的影響分析后，認(rèn)為3#、25#壩段揚(yáng)壓力值偏高的主要影響因素不是壩基帷幕灌漿的效果和現(xiàn)有排水孔的減壓排水效果，其主要影響因素之一應(yīng)為左右岸壩肩的工程地質(zhì)條件。

2.1 對(duì)3#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高問(wèn)題分析

根據(jù)已有資料繪制庫(kù)水位與壩基揚(yáng)壓力孔觀測(cè)水位歷時(shí)曲線，見圖1。曲線圖顯示出壩基揚(yáng)壓力觀測(cè)孔水位并不隨庫(kù)水位的變化而變化，兩者之間的相關(guān)性微弱，即說(shuō)明壩基揚(yáng)壓力不是由庫(kù)水產(chǎn)生，可能與右岸基巖裂隙水有一定關(guān)系。

圖1 3#壩1 號(hào)揚(yáng)壓力孔觀測(cè)水位與庫(kù)水位歷時(shí)曲線

在綜合分析了3#壩段的滲流條件和斷層導(dǎo)水性后，認(rèn)為:

3#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高與庫(kù)水關(guān)系不大，主要受壩基NE 向斷裂構(gòu)造影響，具有導(dǎo)水性質(zhì)的F26、F17、F6等斷層將3#壩段壩基與右岸高處基巖裂隙水溝通，形成良好的滲流能道，在地下水滲流作用下，使3#壩段壩體產(chǎn)生了偏高的揚(yáng)壓力。

2.2 對(duì)25#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高問(wèn)題分析

25#壩段壩基揚(yáng)壓力偏問(wèn)題與3#壩段類似。從庫(kù)水位與壩基揚(yáng)壓力觀測(cè)水位之間的關(guān)系圖(圖2)可見，兩者之間基本沒有直接的水力聯(lián)系。

在綜合分析后認(rèn)為，造成25#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高的原因是幾條斷層溝通了左岸山體高部位的地下水，使高部位基巖裂隙水匯集至斷層帶形成斷層水，并沿?cái)鄬悠扑閹虻筒课粷B流，受25#壩體阻水后，產(chǎn)生滲流壓力，作用于壩體底面則產(chǎn)生向上的揚(yáng)壓力。

圖2 25#壩1 號(hào)揚(yáng)壓力孔觀測(cè)水位與庫(kù)水位歷時(shí)曲線

通過(guò)以上分析，初步判斷:

1)單純依靠灌漿帷幕不能有效改善3#、25#壩段不良?jí)位鶐r石地質(zhì)條件下的揚(yáng)壓力值偏高問(wèn)題。

2)在灌漿帷幕及排水的共同作用下，3#、25#壩段壩基揚(yáng)壓力總體呈下降趨勢(shì)。排水對(duì)降低壩基揚(yáng)壓力起到了一定的作用。

3)3#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高與庫(kù)水關(guān)系不大，主要受壩基NE 向斷裂構(gòu)造影響，具有導(dǎo)水性質(zhì)的F26、F17、F6等斷層將3#壩段壩基與右岸高處基巖裂隙水溝通，形成良好的滲流能道，在地下水滲流作用下，使3#壩段壩體產(chǎn)生了偏高的揚(yáng)壓力。

4)造成25#壩段壩基揚(yáng)壓力偏高的原因是這幾條斷層溝通了左岸山體高部位的地下水，使高部位基巖裂隙水匯集至斷層帶形成斷層水，并沿?cái)鄬悠扑閹虻筒课粷B流，受25#壩體阻水后，產(chǎn)生滲流壓力，作用于壩體底面則產(chǎn)生向上的揚(yáng)壓力。

3 增設(shè)排水孔設(shè)計(jì)

針對(duì)以上分析判斷，設(shè)計(jì)提出用增打排水孔的方法降低兩岸山體水的滲透壓力。增設(shè)排水孔分別布置于第2#、第27#壩段灌漿廊道及第3#、第25#壩段觀測(cè)廊道的橫向廊道內(nèi)。垂直孔與斜孔交替布置，根據(jù)巖層走向，斜孔與壩軸線夾角為15°，孔距2 m，孔深分別為:垂直孔入巖10 m、斜孔入巖20 m。左岸第2#壩段、第3#壩段布孔平面圖及剖面圖見圖3、圖4、圖5。

第25#、27#壩段采用和2#、3#壩段同樣的方法布設(shè)排水孔。

4 增設(shè)排水孔施工效果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，增打排水孔后，第3#壩段和第25#壩段揚(yáng)壓力折減系數(shù)值α 均＜0.3，有效的降低了岸坡壩段揚(yáng)壓力，解決了葠窩水庫(kù)岸坡壩段揚(yáng)壓力長(zhǎng)期偏高的問(wèn)題，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。