水利水电工程中防渗帷幕布置原则与方法

2010-02-26王汉辉邹德兵夏传星兰荣蓉

水利与建筑工程学报 2010年6期

王汉辉,邹德兵,夏传星,兰荣蓉

(长江勘测规划设计研究院,湖北武汉430010)

1 概述

防渗帷幕一般定义[1]为:在大坝基岩中通过灌浆建造一道连续、完整、小于基岩渗透性、平面上呈条带状、立面上形似舞台上帷幕的防渗结构。

水利水电工程中,防渗工程成败往往决定着工程是否能发挥预期效益。一方面取决于防渗工程的施工质量,另一方面取决于防渗工程设计是否合理。由于防渗工程属于隐蔽工程,质量难于控制,一旦蓄水后出现大规模渗漏问题很难补救或补救代价巨大,进而使防渗工程成为制约蓄水发电的关键工程,同时在实际工程中,参建各方往往更关注大坝、厂房等主体建筑物的设计施工,而忽视了防渗工程。

笔者在总结以往工程经验的基础上,重点讨论了防渗帷幕布置的原则与方法,供同行参考。

2 防渗帷幕布置原则

2.1 以水文地质条件为前提

2.1.1 水文地质条件勘察

查明坝址区工程水文条件是合理布置防渗帷幕的前提。防渗帷幕设计最基本最重要的地质资料是帷幕线上的工程地质和水文地质渗透剖面。前期地质工作应尽量全面、透彻,不仅应查明影响大坝渗透稳定的主要地质缺陷和水文地质条件,对于规模大的岩溶系统、断层、破碎带及裂隙还应详述其特性。此外,还应查明坝址区隔水层、相对隔水层及含水层分布。合理的防渗帷幕线路布置方案应尽量避开重大地质缺陷,特别是大规模岩溶管道、顺河向断层等。

2.1.2 水库封闭性论证

在查明坝址区水文地质条件后,应该对水库封闭性进行论证。结合水库地形条件、地下分水岭、相邻河谷、顺河向断层及岩溶系统分布、正常蓄水位等,对蓄水后各种可能渗漏通道和方式进行分析论证。合理的防渗线路必须确保蓄水后上游为封闭水库,不会向下游或邻谷渗漏。

2.1.3 隔水层选择

从强度方面考虑[2],要求基岩坚硬完整,但坚硬完整岩体一般断裂或岩溶发育,对防渗不利。从防渗方面考虑,页岩、粘土岩为等隔水岩体较为有利,但岩石强度难于满足建坝要求。因此,在建基岩体选定后,往往需要在坝轴线附近选择合适的隔水层或相对隔水层作为防渗依托。

隔水层就是自身不透水的岩层,常见隔水岩层有粘土岩、页岩、千枚岩、岩溶弱发育的灰岩等。相对隔水层就是相对其它含水层而言不透水的岩层,一般与防渗设计标准有关,通常将透水率q不大于设计标准的岩层称为相对隔水层。值得注意的是,选择隔水或相对隔水层作为防渗依托,还要结合地质构造、隔水层厚度等综合考虑,被断裂构造错断或厚度太薄的隔水层不宜作为防渗依托。表1给出了国内部分工程的防渗标准与隔水层选择情况[3～7]。

表1 国内部分大型水利水电工程的防渗标准与隔水层选择

2.2 服从主体建筑物布置

防渗帷幕布置是坝址选择的重要影响因素之一。坝址和坝轴线选择时,应重点考虑防渗方案的可行性和可靠性。一般情况下,防渗线路布置应服从于主体建筑物布置。

2.2.1 大坝防渗要求

防渗帷幕在坝基的位置,应依据大坝形式及基础应力状况而定[1]。合理的防渗帷幕位置,既要防止因受拉而使帷幕断裂失效,又应使尽量多的坝基岩石及坝肩岩体都受到帷幕的保护。

重力坝设计一般遵循无拉应力原则,坝基帷幕一般不会因受拉破坏,防渗帷幕应尽可能靠近坝踵,以最大限度降低扬压力,保护尽可能多坝基岩体。通常,帷幕中心线多设在距上游坝踵0.06～0.1倍坝前最大水深或0.1倍坝底宽度部位。

拱坝基础底宽一般较小,上游坝踵允许出现一定拉应力,帷幕应设置在压应力区之内,以防帷幕受拉破坏。帷幕轴线尽量折向上游,以使大部分坝肩岩体处于帷幕保护下,有利于坝肩稳定。

土坝和堆石坝帷幕位置主要根据坝内防渗体位置而定,即帷幕必须与坝内防渗体紧密相连。对于面板堆石坝,帷幕一般沿趾板中心线布置。

2.2.2 厂房防渗要求

厂房防渗要求与厂房布置型式有关,当采用河床式时,厂房上游侧帷幕布置要求同大坝主帷幕;当采用岸边式或地下式时,主帷幕应布置于厂房上游。当下游水位高于厂房底板高程时,应布置防渗帷幕防止江水倒灌厂房;对于河床式,厂房下游应设置封闭帷幕,对于岸边式或地下式,应沿岸边设置临江侧帷幕。当山体内地下水位较高时,地下厂房还应设置靠山侧帷幕。封闭帷幕、临江侧及靠山侧帷幕均应与主帷幕衔接形成防渗整体。

2.2.3 溢洪道防渗要求

对于土石坝,一般设置岸边溢洪道泄洪,主帷幕在两岸的延伸应将溢洪道置于帷幕保护之下。防渗帷幕一般穿过溢洪道控制段,其在堰基位置与重力坝要求相似,应尽量靠近上游堰踵。

2.3 帷幕线路尽量短

2.3.1 垂直岩层走向布置

当坝址区存在多层隔水层时,应选择使帷幕线路较短的隔水层作为防渗依托。为缩短帷幕线路,减少帷幕工程量,帷幕线路应垂直岩层走向布置接至隔水层。

2.3.2 垂直地下洞室布置

帷幕线路可能穿越电站引水洞、导流洞、泄洪洞、放空洞等地下洞室。为确保洞室稳定,其周边一定范围(5 m～10 m)内的帷幕灌浆一般采用环向加密固结灌浆代替。但该范围内灌浆压力一般小于正常区域灌浆压力,可能影响帷幕质量,因此该范围灌浆面积应该尽量小。而帷幕轴线垂直穿越上述地下洞室,所需洞内灌浆帷幕面积最小。值得一提的是,帷幕线路与导流洞轴线应尽量垂直或大角度相交,以减少导流洞后期封堵、帷幕灌浆的工期。

2.4 方便施工

为确保隐蔽工程质量,防渗帷幕线路布置应兼顾施工方便。应使帷幕灌浆少利用压浆板,多利用平洞中施工,这一方面可减少其它工作干扰,另一方面可充分利用上覆岩体压重提高灌浆压力从而提高灌浆质量。帷幕越深,其钻孔耗费的时间增加很多,且容易造成孔斜,因此,帷幕布置应使帷幕深度尽量浅。此外,深岩溶管道可能需要反复间歇灌浆处理,应尽量回避。

上述4个主要布置原则是相辅相成,辩证统一的。一般前两者必须满足,后两者尽量满足。

3 防渗帷幕布置方法

防渗帷幕线路布置包括防渗帷幕设计标准选择、防渗帷幕平面布置及剖面布置等。

3.1 设计标准

防渗设计标准是指基岩灌浆后透水率,它不仅关系到大坝基岩的渗漏量与渗透稳定,而且决定帷幕灌浆工程造价的高低,一般根据水工建筑物类型、规模、基岩地质条件、允许渗漏量及工程重要性等因素,依据设计规范等确定。国内主要水工建筑物规范规定的防渗设计标准见表2。

此外,也可根据各部位承受水头、重要性程度的不同而采用两种或多种防渗标准,如河床段、近岸段帷幕与远岸山体段帷幕可采取不同的防渗设计标准。

3.2 平面布置

平面布置应根据两岸地形条件、工程地质条件、水文地质条件,按照可靠、经济、合理的原则对防渗线路平面布置进行比选。常见的帷幕线路平面布置可划分为以下三种类型[8,9]。

(1)全接式帷幕:帷幕向山体内延伸至隔水或相对隔水层。

(2)弱接式帷幕:帷幕向山体内延伸至弱透水性岩层。

(3)地下水位式帷幕:帷幕向山体内延伸至建坝前枯水位与水库正常蓄水位交点。

表2 不同水工建筑物的防渗标准

3.3 剖面布置

剖面布置主要是确定防渗帷幕灌浆布置型式及深度,它是指防渗帷幕与坝体周边衔接并向河床及两岸以下延伸的深度及范围。

3.3.1 布置型式

常见的帷幕剖面布置型式分为以下3类[9,10],见图1。

图1 防渗帷幕剖面布置常见型式

(1)封闭式帷幕:帷幕与隔水层(相对隔水层)相接形成整体,在垂直剖面上构成全封闭形式。

(2)悬挂式帷幕:帷幕未与隔水层(相对隔水层)相接,在垂直剖面上构成悬挂形式。

(3)混合式:部分区域为封闭式,部分区域为悬挂式。

3.3.2 型式选择与深度确定

帷幕灌浆的作用主要是封堵渗漏通道,减小渗透流量。为此,灌浆帷幕的型式及深度应使其达到坝基不再产生过大(不能容许的)渗漏量的范围及深度为止。

3.3.2.1 有隔水层

若隔水层(相对隔水层)在坝基河床下埋深较浅,应选择封闭式帷幕。帷幕应深入隔水层顶板下5 m～10 m,局部地质缺陷部位应适当加深。

3.3.2.2 无隔水层

若无隔水层或隔水层(相对不透水层)埋深高程较低,帷幕深度难以达到隔水层的,可根据工程需要,选择采用悬挂式帷幕。在确定悬挂式帷幕深度时,一般应结合地质条件参考工程经验确定。主要有以下2种情况:

(a)按坝高(或水头)的倍数确定,常用经验公式为:

式中:D为帷幕深度(m);H0为坝前最大水深(m);C为常数,一般取8 m～25 m。

(b)按岩层透水性确定:以基岩透水率等值线作为确定帷幕深度依据,一般根据坝高等因素选择一控制性透水率等值线作为帷幕底线,帷幕深入该透水率吕容线5 m～10 m。

3.3.2.3 其它复杂及岩溶地层

在岩溶地基及其它可能存在较大渗漏通道的地基上建坝,帷幕型式的选择及深度的确定需慎重考虑,专门论证。帷幕型式可选用封闭式、悬挂式或混合式。帷幕底线的确定一般应遵循“抓大放小”的原则,即对坝基较大的岩溶管道及渗漏通道进行有效封堵,对坝基埋深较深的局部裂隙性管道可适当放弃,以减小帷幕深度,降低施工难度,节约资源。

4 彭水水电站防渗帷幕布置

4.1 工程概况

彭水水电站由挡水建筑物、泄洪建筑物、右岸地下厂房及通航建筑物等组成。设计坝型为碾压混凝土重力坝,最大坝高为116.5 m。

坝基岩体主要由灰岩、页岩、白云岩等组成。坝址岩溶发育,两岸对称发育有11个岩溶系统。坝址区 O1d1-3及O1n1+2+3为可靠的(相对)隔水层,可作为防渗依托。

4.2 防渗线路布置

4.2.1 防渗帷幕设计标准

彭水水电站采用碾压混凝土重力坝,最大坝高116.5 m,根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005),结合不同工程部位、重要性程度并类比同类工程经验,确定大坝基础防渗帷幕设计防渗标准为:河床坝基、左、右岸坝肩及右岸地下电站区山体段q≤1 Lu,左岸山体及右岸地下电站以远山体q≤3 Lu。主厂房沿江侧和靠山侧防渗帷幕设计标准为:q≤1 Lu。

4.2.2 防渗帷幕平面布置

防渗线路在河床主要沿大坝基础灌浆廊道布置,故平面布置重点是两岸山体内帷幕线路走向及端点选择。由前述可知,坝轴线附近可作为防渗依托的主要是O1d1-3页岩隔水层及O1n1+2+3层相对隔水层,左右岸均可以其为防渗依托,可采用全接式平面布置。

左岸端点若以O1d1-3厚层页岩隔水层为依托,则防渗可靠性高,但线路较长,约606 m,需穿越KW17、W9两大岩溶系统,且f5断层破碎带与防渗线走向交角很小,灌浆处理难度大。若接f5断层上盘O1n1+2+3相对隔水层,则线路较短,约260 m,沿线岩溶不发育,透水性微弱,施工方便。

右岸端点若以O1d1-3厚层页岩隔水层为依托,则防渗可靠性高,但需穿越KW51岩溶系统,沿线O1n4+5层沿 C2、C4、C5夹层发育深岩溶,灌浆处理难度大,成幕后要排除幕后KW51岩溶系统地下水。若以O1n1+2+3相对隔水层为依托,则帷幕深度较浅,底部可靠,线路短,但防渗帷幕距主厂房太近,对厂房边墙稳定不利。

根据本文归纳的4条布置原则,选定的防渗帷幕线路平面布置方案为:帷幕穿过河床大坝基础廊道、左岸通航建筑物后向左岸山体延伸接至O1n1+2+3相对隔水层,右岸穿过地下电站引水隧洞后垂直岩层走向接至O1d1-3隔水层,防渗线路总长850 m。选定的防渗帷幕平面布置见图2。

图2 乌江彭水水电站防渗帷幕线路平面布置

由于大坝下游枯水位及厂房山体内地下水位均高于厂房洞室底板高程,为防止江水和地下水沿岸边岩溶通道、卸荷带及层面渗向主厂房,分别在主厂房临江侧和靠山侧设置防渗帷幕。临江侧帷幕上游与主帷幕相接,下游穿越W84接至∈3m2岩层,帷幕线路长约150 m。靠山侧帷幕设置范围为O1n1-2～O1n4之间岩层,防渗线路长约110 m。

4.2.3 防渗帷幕剖面布置

防渗线路剖面布置在其平面布置确定后进行,帷幕上限一般为正常蓄水位,剖面布置主要是确定帷幕下限。依据渗透剖面可知,河床部位帷幕可深入O1n1+2+3相对隔水层成为封闭式帷幕,两岸则采用悬挂式帷幕。帷幕下限确定主要依据防渗线路上岩溶发育高程,岩体透水性、地下水位、地层岩性、断裂等因素。

根据地勘资料综合分析后确定主防渗帷幕下限:河床部位为高程100 m;左岸f7断层及∈3m层区为高程80 m,以 120 m高程通过f5断层带至帷幕端点;右岸f8断层部位高程80 m,右岸O1n4～C5段(KW51局部深岩溶带)降至35 m,然后逐渐升至160 m高程接帷幕端点。选定线路的防渗面积约15×104m2。选定线路的剖面布置见图3。