劉 銳，李思宇，張新華

(1.黔南州水利水電勘測設計研究院，貴州 都勻 558000；2.四川大學水力學與山區(qū)河流開放保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

巖溶地區(qū)防滲帷幕采用不封閉及間斷式布置探討

劉 銳1，李思宇2，張新華2

(1.黔南州水利水電勘測設計研究院，貴州 都勻 558000；2.四川大學水力學與山區(qū)河流開放保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

防滲帷幕在巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式布置已有成功的案例，但因缺乏理論支撐，在實施過程中也存在爭議和風險.為此，本文在對多個工程案例進行分析和研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有較成熟的理論，通過簡化模型，以水力學為基礎(chǔ)，論證了這種布置方式與Lane統(tǒng)計法具有較高的吻合度.因此，在實際工作中，結(jié)合工程具體情況，在獲得詳實的地勘資料基礎(chǔ)上，就可以在巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式防滲帷幕布置，從而有利于加快工程建設進度和節(jié)省投資.

防滲帷幕；巖溶；不封閉及間斷式布置；水力學；Lane統(tǒng)計法

從1970年開始，以烏江渡大壩為里程碑，我國開始在巖溶地區(qū)修建高壩，1985年后的隔河巖、東風、觀音閣、1992年的五里沖及后來的江埡、高壩洲、洪家渡及烏江梯級等眾多水利水電工程的開工建設，使我國在巖溶發(fā)育地區(qū)修建高壩的壩基防滲處理取得了豐富經(jīng)驗，并形成了以下共識[1]:(1)注重巖溶地區(qū)防滲處理的重要性與建壩的地質(zhì)勘測工作；(2)認真分析巖溶地區(qū)防滲帷幕灌漿特點；(3)重視巖溶地區(qū)設置防滲帷幕應遵循的原則；(4)重視并研究施工技術(shù)與特殊地段的處理.

由于巖溶地區(qū)帷幕灌漿在工程投資中所占比重較大，一般會在工程直接投資中占到15%～40%.為了降低工程造價和縮短建設工期，工程實踐中采用不封閉及間斷式布置成為了解決該問題的關(guān)鍵.但是，由于缺乏相關(guān)理論支撐，使得該壩基處理方式在巖溶地區(qū)的實際應用中會受到一定限制.為此，本文以近年來在巖溶地區(qū)修建的不同工程實例為研究對象，經(jīng)過系統(tǒng)分析與總結(jié)，結(jié)合較成熟的理論，以水力學為基礎(chǔ)，通過簡化模型，論證在巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式防滲帷幕處理壩基的可行性和實用性.

1 巖溶地區(qū)防滲帷幕采用不封閉及間斷式布置的由來

巖溶地區(qū)防滲帷幕的布置在原則上多采取平面端點和剖面深度上與相對隔水層連接的布置方式.如兩岸在平面上不能與相對隔水層搭接或相對隔水層分布較遠，在勘察時也會通過布置于兩岸坡的水文地質(zhì)長觀測孔來確定地下水位高于水庫正常蓄水位的地段，保證防滲帷幕的端點置于該地段.若剖面上不能與相對隔水層搭接，則根據(jù)大壩壩高、勘探孔呂榮值、兩岸坡地下水位分布等綜合確定大壩防滲帷幕的深度.從我國在巖溶地區(qū)多年以來的實踐經(jīng)驗來看，這些原則為保證巖溶地區(qū)水庫正常蓄水起到了至關(guān)重要的作用.

不封閉及間斷式防滲帷幕布置，顧名思義，就是沒有按照上述原則，在防滲帷幕的平面端點上未形成封閉、總體布置上呈分段式布置的一種大壩防滲帷幕.這種布置形式，在上世紀60年代的南斯拉夫、80年代左右我國的中小型水利工程中已有應用.在這期間采用這種布置形式，主要是受制于經(jīng)濟和技術(shù)兩方面，在前期經(jīng)費不足、勘察工作不到位，后期工程經(jīng)費緊張的情況下不得已而為之.在這種情況下實施的工程項目，其結(jié)果是有的滲漏嚴重、有的少量滲漏、有的能正常蓄水.

隨著我國在巖溶地區(qū)興建的高壩大庫蓄水相繼成功，在巖溶發(fā)育地區(qū)修建高壩的壩基防滲處理方面也取得了豐富經(jīng)驗.然而，據(jù)統(tǒng)計:從上世紀末到本世紀初，隨著發(fā)電集團及民間資本進入中小型水電開發(fā)領(lǐng)域以來，巖溶區(qū)大壩防滲處理費用在工程直接投資中已占到15%～40%.因此，若不加分析地全面布設并加密防滲帷幕灌漿孔，對于業(yè)主來說是難以接受的.于是在實踐中就出現(xiàn)了優(yōu)化設計、分段實施帷幕灌漿等情況.

針對以上問題，本文在總結(jié)所掌握的大量設計項目、參與驗收項目及其他相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析在巖溶區(qū)實施不封閉及間斷式防滲帷幕布置的可能性，為今后類似工程的壩基處理提供有關(guān)經(jīng)驗與借鑒.

2 工程實例

河灣水電站的兩壩肩由平面可靠端點改為不封閉布置形式，左右兩岸均由設計的向下游反接三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)砂頁巖相對隔水層改為僅各實施200m，由此帶來的帷幕灌漿工程量較設計的減少了近20，000 m3；灰洞水電站右岸不封閉防滲帷幕布置形式，右岸設計為855m長的硐內(nèi)灌漿，實施時改為200m，優(yōu)化了7100多米的有效進尺；茶園水庫右岸埡口未封閉(屬間斷式帷幕布置)，右岸帷幕平面設計長度為441 m，實施了366 m，右岸埡口未封閉[2].

3 采用不封閉及間斷式布置的研究和探討

以上三個項目中河灣和灰洞蓄水近5年、茶園水庫蓄水14年，工程均運行正常，屬于強巖溶地區(qū)采用了不封閉及間斷式防滲帷幕布置方案較為成功的案例.在我國及貴州省類似情況也不少，如貓?zhí)右患夒娬居野堵┧?.2m3/s，原采用直孔灌漿，與陡傾角裂隙平行，未起作用，后改變?yōu)閮H打一個斜孔，斜穿裂隙，灌漿后即止漏.穿矸水庫采用間斷式布置，原設計69孔，總進尺3933 m，實際只實施了21孔，總進尺1051 m，也收到了較好的效果.貓?zhí)恿夒娬局幌蜃笥覂砂斗謩e實施了120 m左右，在處理完左岸巖溶管道后也取得了較好的效果[3].在與烏江渡設總李森溝通交流中，李總也認為在巖溶地區(qū)防滲帷幕采用不封閉及間斷式布置也是可行的，但烏江渡屬國內(nèi)第一個巖溶地區(qū)的高壩大庫，在防滲方案經(jīng)多方案比較最終采用了右岸帷幕接樂平煤組、左岸自Z117孔直接穿過長興灰?guī)r到樂平煤組[4].

3.1 不封閉及間斷式防滲帷幕布置的基本要求

重視工程區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律的研究工作是不封閉及間斷式防滲帷幕布置的基礎(chǔ).巖性和地質(zhì)構(gòu)造是巖溶地貌發(fā)育的地質(zhì)背景，防滲帷幕的布置應首先重視巖溶發(fā)育規(guī)律，從巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶地貌三方面入手.

3.1.1 巖性

巖溶發(fā)育于碳酸鹽巖，按可溶性巖石可分為石灰?guī)r類、白云巖類及硅質(zhì)結(jié)核灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r類.

巖石的化學成分、礦物成分是巖溶發(fā)育的首要因素，控制著巖溶發(fā)育速度和發(fā)育強度，不同成分碳酸鹽巖地表、地下巖溶發(fā)育情況及室內(nèi)不同成分碳酸鹽巖溶蝕試驗的成果表明純灰?guī)r至純白云巖、純灰?guī)r至泥灰?guī)r(包括它們之間過渡類巖石)的比溶蝕度是逐漸減小的，地貌形態(tài)亦由溶蝕地貌向溶蝕ˉ侵蝕剝蝕地貌過渡，巖溶發(fā)育強度也由強至弱.孔隙及微裂隙是巖溶發(fā)育的微觀空間基礎(chǔ).就巖性條件而言，巖溶是在巖石化學成分及礦物成分主導因素控制下，水介質(zhì)通過構(gòu)造裂隙及與之連通的層間裂隙、縫合線、微裂隙及各種原生孔隙運動，同時在水循環(huán)過程中對上述孔隙系統(tǒng)不斷溶蝕擴大的過程.

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

斷裂對巖溶發(fā)育的控制體現(xiàn)在影響可溶性巖組的展布格局和為溶蝕作用提供地下水活動空間兩個方面.巖層中的大型構(gòu)造節(jié)理和層間節(jié)理(包括橫張節(jié)理)在控制地表巖溶地貌和地下巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育方面起到制約作用.

3.1.3 巖溶地貌

我國巖溶地貌發(fā)育特征各不相同，陳祖安等認為典型的長江流域和珠江流域各有特點，在進行前期工作時應區(qū)分[5].同時，注重對地表水系的研究，認真分析巖溶發(fā)育的水文網(wǎng)因素也是重要前提，水文網(wǎng)對地下水補、徑、排條件的影響，主要表現(xiàn)在對地表的切割程度和密度方面，水系對地表的分割和切割程度影響了地下水及其運移方式，導致巖溶沿著不同的作用方式發(fā)育.

3.2 不封閉及間斷式防滲帷幕布置的理論基礎(chǔ)及其實用性探討

在工程實踐中，采用不封閉或間斷式防滲帷幕布置主要是采用先導孔實施后的主動分期(業(yè)主基于經(jīng)濟考慮，對帷幕實施分期)和被動分期(早期水利工程因投資不夠的被動分期)，在方案確定上多以專家經(jīng)驗及試驗性蓄水運行等主觀判斷為主，因而缺乏理論支撐且存在一定風險.

3.2.1 理論基礎(chǔ)

巖溶區(qū)碳酸鹽巖類大多屬中硬巖至堅硬巖，巖石堅硬，在地質(zhì)構(gòu)造切割不強烈的情況下，由于巖溶發(fā)育的不均一性及各向異性，巖溶發(fā)育主要沿巖層面順層走向發(fā)育，多形成個體式巖溶洞穴，壩基多構(gòu)成管道式滲流帶.而在管道式滲漏通道之外，巖層透水性很小，可以起到相對隔水作用，所以防滲帷幕不必進行全面整體布置，即可采用不封閉式布置.但要進行這種布置，必須通過詳盡的地質(zhì)勘查工作，查明工程區(qū)巖溶發(fā)育的基本特征.

采用不封閉或間斷式防滲帷幕布置的工程在壩區(qū)和近壩兩端的防滲帷幕都須嚴格執(zhí)行相關(guān)的設計標準，如何建立工程模型是理論基礎(chǔ)所在.據(jù)剡公瑞、楊若瓊、周維垣等(1993)的相關(guān)研究，在采用高壓灌漿后，大壩帷幕巖體中裂隙面水泥結(jié)石的充填和膠結(jié)性能良好，通過電鏡下巖芯切片試樣的抗拉和抗壓試驗得到巖體膠結(jié)面的抗壓強度σc＝40～70 MPa；結(jié)構(gòu)面的抗剪參數(shù)f＝0.55、c＝0.2MPa；抗拉強度σt＝0.27～2.18 MPa，均值σt＝1.3 MPa.通過掃描電鏡的觀察，在高壓灌漿下，水泥結(jié)石和裂隙面膠結(jié)緊密，膠結(jié)面上微裂隙張開度僅為0.1～10μm，大小和完整巖石中的原生裂隙屬同一量級，該試驗表明:巖體試樣的破壞均不是沿此膠結(jié)面微裂隙開成，而是沿微裂隙附近的方解石脈或水化、風化質(zhì)擴展形成.掃描電鏡觀察表明，微裂隙廣泛分布于巖體之中，在荷載作用下擴展成簇狀網(wǎng)絡，表現(xiàn)為張拉型，在原生裂隙發(fā)育的部位形成主導裂隙；試件宏觀破壞表現(xiàn)為拉斷、剪斷及壓剪滑動等形式[6].試驗說明，經(jīng)過高壓灌漿處理后，巖體中受漿液充填的裂隙面強度有相當大的改善.

從以上研究成果及相關(guān)大壩帷幕灌漿的相應經(jīng)驗，在兩壩端的帷幕在實施后無論是在幕體強度、完整程度上都與灌漿前巖體不盡相同，按照帷幕灌漿的設計在理論上可視其為與壩體連接的刺墻.在建立了這個概念后，在進行不封閉或間斷式防滲帷幕布置時可以進一步將其簡化為壩端與刺墻的岸坡繞滲問題，從而引入壩端與兩岸帷幕的滲流水深和滲流量計算方法.當然基于水力學的計算基礎(chǔ)，大壩與兩岸帷幕或岸坡巖體位于同一高程的水平不透水層上時，或大壩與其相連的巖坡透水層位于同一高程的水平不透水層上時，都假設沿任一豎直線上的滲流是符合漸變滲流條件的(亦即假設滲流流速沿豎直線是不變的).從而可得水頭函數(shù)的平方符合接拉普拉斯方程，將復雜的空間滲流問題簡化為平面勢流問題[7].

3.2.2 實用性探討

基于以上假設和基本理論，可以得到以下計算簡圖，如圖1所示:

圖1 有刺墻的連接

如圖所示，s值可視為帷幕在平面上的長度.依據(jù)水力學中的繞滲計算公式可計算出流過1ˉ2線的總滲透量及5ˉ6線的總滲透量.在基本查清巖溶區(qū)近壩端水文地質(zhì)條件情況下，s值增大對總滲流量影響可由以下公式確定[7].

1935年美國教授萊恩(E.W.Lane)對修建在不同地基上數(shù)百座的圬土擋水建筑物地下滲流資料進行研究和分析后，提出爬路中水平(坡度小于45°)滲徑的阻滲效能只有垂直(坡度大于或等于45°)滲徑的阻滲效能的1/3.應按有效滲徑長度，即垂直滲徑與水平滲徑乘1/3的和來判斷地下滲透破壞的可能性.假定基礎(chǔ)輪廓的有效長為

L0必須比壅高水頭大C0倍，即

式中H——水頭(如圖2所示)

圖2 壩體和壩基不透水輪廓簡圖

C0——加權(quán)爬比，其值為1.6—8.5，視地基種類而定.

由圖所示輪廓

其中b＝b1＋b2，

式中b——水頭輪廓長度

s——懸掛帷幕深度.

萊恩研究認為水平和垂直方向的滲徑不應該起著相同的作用，1m垂直方向的滲徑，約相當于3m水平方向滲徑的效用.實踐中可通過統(tǒng)計的C0，求出L0，轉(zhuǎn)換(3)式后可求出s[8].該法不能反映滲流場邊界條件對滲透壓力和滲透坡降的影響.計算仍較粗略，但由于它有大量實測資料作根據(jù)，計算簡便，雖大量用于均質(zhì)地基，但對于近似均一的巖溶地基，也有一定的參照和應用基礎(chǔ).查證河灣、灰洞、茶園實施的水平方向帷幕長度均大于河床段帷幕垂直深度3倍以上(河灣最接近3倍)，故Lane統(tǒng)計法與以上工程實施具有較高吻合度.

4 結(jié)論與建議

在巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式防滲帷幕布置，以成功的案例來看，是符合水力學計算基礎(chǔ)和滲流理論的，以Lane統(tǒng)計法進行分析也有較高的吻合度.但從現(xiàn)實來說，以上理論基礎(chǔ)存在簡化較多、假設條件等限制，會存在與實際情況不符的情況.目前，多孔連續(xù)介質(zhì)的滲流理論、裂隙介質(zhì)滲流理論等在理論建設上取得了一定的成績[9]，但存在諸如用同一種代表體來表征節(jié)理和巖體、連續(xù)性方程相同、不能體現(xiàn)較大的裂隙(如導水斷層、溶蝕管道、溶洞等)，因此，在實際運用中還存在較大困難.

但是，根據(jù)作者的工程經(jīng)驗，通過在巖溶地區(qū)認真的前期勘測設計工作、注重施工期先導孔資料分析、有針對性的處理較大的裂隙(如導水斷層、溶蝕管道、溶洞等)、加強蓄水后期觀測工作等手段，以工程實例經(jīng)驗數(shù)據(jù)為支撐、并輔以簡單的經(jīng)驗公式作為簡化計算和設計、加強后期觀測并及時修正是最符合工程實際和具體要求的，使巖溶區(qū)采用不封閉及間斷式防滲帷幕布置成為可能.當然，以上結(jié)論是基于成功的案例加以分析論證的，在今后工作中應加大理論研究，建立相應的工程數(shù)學模型，通過大數(shù)據(jù)研究分析最終可以找到其客觀規(guī)律并建立起相應可靠的計算公式和數(shù)學地質(zhì)模型.

[1]孫釗.大壩基巖灌漿[M].北京:中國水利水電出版社，2004:254-256.

[2]劉銳.河灣水電站大壩防滲帷幕由平面可靠端點改為不封閉的實施和探討[J].人民珠江，2016(增刊):2.

[3]李家平.貴州治水經(jīng)驗[M].貴陽:貴州教育出版社，1993:221.

[4]李森.貴州烏江渡水電站竣工工程地質(zhì)報告[R].水利電力部中南勘測設計院，1985:155-156.

[5]陳祖安.工程地質(zhì)卷∕中國水力發(fā)電工程[M].北京:中國電力出版社，2000:378.

[6]剡公瑞，楊若瓊，周維垣，等.隔河巖大壩灌漿帷幕巖體力學強度的掃描電鏡試驗研究[J].巖石力學與工程學報，1993，12(2):151-161.

[7]李煒.水力計算手冊[M].2版.北京:中國水利水電出版社，2006: 507.

[8]王明森.高壓噴射灌漿防滲加固技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社，2010:116.

[9]楊強.高壩巖石力學[M].北京:中國電力出版社，2009:30-33.

(責任編輯:付強，張陽，李建忠，羅敏；英文編輯:周序林)

Unclosed and intermittent layout of antiˉseepage curtain in karst regions

LIU Rui1，LI Si-Yu2，ZHANG Xin-hua
(1.Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of Qiannan Prefecture，Duyun 558000，P.R.C.；2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Chengdu 610065，P.R.C.)

The unclosed and intermittent layout of the antiˉseepage curtain has been applied successfully in karst regions.However，due to the lack of theoretical support，some controversy and risks are encountered in the process of its practical implementation.Based on the investigation and analysis of existing projects，Lane statistical method and hydraulics by simplifying the related model，this paper demonstrates the applicability of this kind of seepage control curtain in the karst regions.Results indicated that there was a good agreement between anti-seepage curtain and the Lane statistical method.Namely，the unclosed and intermittent layout of antiˉseepage curtain can be applied in the karst regions with the detailed geological investigation data of the projects.Moreover，it helps accelerate the progress of project constructions and also saves project investments.

antiˉseepage curtain；karst；unclosed and intermittent layout；hydraulics；Lane statistical method

TV221

A

2095-4271(2016)05-0582-05

10.11920/xnmdzk.2016.05.019

2016-06-13

劉銳(1974—)，男，漢族，四川榮縣人，高級工程師，研究方向:水利水電勘測設計.E-mail:331576430＠qq.com

張新華(1965—)，男，四川資中人，博士(后)，研究員.E-mail:xhzhang＠scu.edu.cn

國家自然科學基金(51379137)