钦寸水库左岸防渗灌浆帷幕结构设计的几个要素分析

金水源,徐 彬

(1.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002;2.浙江钦寸水库有限公司,浙江 新昌 312500)

帷幕灌浆设计内容主要包括帷幕结构和灌浆施工工艺,其中帷幕结构包括帷幕形式、帷幕厚度以及伸入坝肩帷幕长度等是设计帷幕灌浆的重点,它直接影响到工程的投资和帷幕防渗的效果,因此也是专家审查的要点。目前基岩帷幕灌浆施工工艺(如压力、段长、浆液变化等等)在灌浆规范中有详细的规定,而在砂砾石层帷幕灌浆国家还未制订统一的规程规范,因此砂砾石层帷幕灌浆施工工艺往往参照基岩帷幕灌浆工艺或通过现场试验而得。本文结合浙江钦寸水库左岸防渗帷幕灌浆试验实例重点介绍灌浆帷幕结构设计应重点考虑的几个要素,包括帷幕形式、帷幕厚度以及伸入坝肩帷幕长度等,以供参考。

1 工程概况

钦寸水库工程位于浙江省绍兴市新昌县境内,地处曹娥江主要支流黄泽江上的钦寸村附近。钦寸水库坝址以上集水面积316 km2,坝顶高程106.0m,最大坝高64.0 m,水库正常蓄水位98.00 m,校核洪水位105.10 m,总库容2.44亿m3,正常蓄水位以下库容1.766亿m3,电站装机容量2.75MW,该工程为Ⅱ等工程,工程规模属大(2)型水库,电站为小(2)型电站。

2 地质概况

钦寸水库坝址河谷呈“U”形,河床宽约150 m,右岸地势陡峭,左岸为一较平缓的平台地,平台地下游方向有一冲沟分布。坝址主要岩性为J3d侏罗系上统大爽组霏细岩,主要分布在F5断层右侧。左岸平台地上部有二次喷发玄武岩,下伏K1g白垩纪下统馆头组灰～灰白色角砾凝灰岩,玄武岩下伏处局部有alN2第三系含泥砂砾卵石层,厚度一般为7.1～20.2 m,自上而下由中密～密实,含泥量8.3%左右,渗透系数 K=1.4×10-4～4×10-5cm/s,属中等透水至弱透水。砂砾石层沿枣园方向厚度逐渐减少至尖灭。由于砂砾石层顶板高程一般为100.7～105.3 m,大部分砂砾石层在正常蓄水位以下,水库蓄水后存在渗漏问题,须进行防渗处理。

3 帷幕结构设计

3.1 帷幕型式

帷幕的型式包括悬挂式帷幕和落地式帷幕。悬挂式帷幕一般适用于砂砾石厚度大,底部渗透系数小的砂砾石地基;落地式帷幕一般适用于砂砾石厚度较小、砂砾石渗透系数大的地基,钻孔的布置可以是1排或多排。当然,在同一工程中,从经济和技术上考虑,可以采用单一的悬挂式帷幕式落地式帷幕,这2种帷幕型式在工程中最为常见,也可以采用悬挂式与落地式相结合的帷幕。

采用何种帷幕型式,也就是说如何确定帷幕的深度。在均匀地基中采用悬挂式帷幕深度一般为坝高的30%～70%,结合地基勘探地层渗透系数合理取值。落地式帷幕以控制进入相对不透水层的深度作为主要指标,一般为3～5 m,相对不透水层透水率控制标准根据工程类别大小、大坝类型等选定[1]。

钦寸水库为混凝土面板堆石坝,混凝土面板堆石坝规范要求帷幕深度:1、2级坝和高坝可按深入基岩的单位吸水率3～5 Lu以下5 m,其他的坝按 5～10 Lu控制[2]。钦寸水库经灌浆试验后确定了3排落地式的帷幕灌浆方案,其中轴线排进入基岩(为相对不透水层,透水率小于5 Lu)5 m,上下游排进入基岩0.5 m。

3.2 帷幕的厚度

帷幕的厚度主要是根据地质条件,帷幕允许的水力坡降,大坝基础的防渗标准和幕体本身的密实性、稳定性而决定的。对砂砾石地基进行防渗帷幕处理必须满足工程的抗渗要求,并对抵抗渗透水的侵蚀有足够的能力和有效年限,设计时对此类帷幕必须进行强度复核和耐溶蚀年限复核。

3.2.1 帷幕的抗渗要求

帷幕的防渗主要指标是水力坡降,根据实际的幕厚与水头差计算的结果应小于经地质勘察而得的允许水头坡降。

帷幕的厚度按下式[3]进行复核:

式中:

j为水力坡降;

L为帷幕厚度,m;

H1为幕前水位,m;

H2为帷幕下游面浸润线高度,m。

钦寸水库正常蓄水位为98.0 m,左岸砂砾石以下基岩相对不透水层高程为87.0 m,灌浆试验结束后,平均幕厚为6.7 m。实际水力坡降为1.64,小于设计允许最大水力坡降值2,因此证明设计设置3排帷幕灌浆是合理的。此外,水库正常蓄水位为98.0 m,实际幕前水位小于98.0 m,因此布置3排帷幕灌浆是相当安全的。

3.2.2 帷幕耐溶蚀年限复核

灌浆帷幕验收时通常通过检查孔压水试验检验帷幕是否满足工程设计防渗指标,对设置坝基测压管的可通过观测测压管水位来检验灌浆帷幕质量。但往往会忽略帷幕的耐溶蚀年限 (即帷幕寿命)。由于帷幕经地下水的作用,其水泥结石中的氧化钙会被析出随水流被带走,从而使其防渗性逐步降低,帷幕的寿命取决于帷幕的厚度、单位帷幕体积的水泥用量和帷幕的质量(灌浆帷幕渗透系数),而A◦H阿达莫维奇建议,以灌浆帷幕受滤时,水泥结石中全部氧化钙的25%被溶出所经历的时间 (T)作为耐溶蚀年限。可按下式[3]计算:

式中:C为单位帷幕体积的水泥用量,N/m3;

l为帷幕灌浆厚度,m;

Kn为帷幕灌浆渗透系数,m/a;

J为水力梯度;

C1为水化铝酸四钙的极限氧化钙浓度,为10.8 N/m3;

C2为水化铝酸三钙的极限氧化钙浓度,为5.6N/m3。

从上式中可以看出,帷幕寿命的长短受人为因素影响最大的是单位体积的水泥用量,即通常所说的水泥单耗。因此,设计方案确定后,要求施工单位严格按设计要求进行,最大限度地灌入水泥浆量,扩大浆液扩散半径,提高帷幕寿命。

钦寸水库左岸帷幕灌浆采用3排方案,排距、孔距均为2.0 m,经试验段试验,根据灌浆情况,通过计算,其帷幕寿命为22 a。

3.3 伸入两岸的防渗帷幕长度

帷幕灌浆防渗包括河床基础(又称坝基帷幕)和坝肩帷幕2部分。坝肩伸入长度一般要求达到水库正常高水位与不透水层或相对不透水层相交处,或两岸地下水位与水库正常高水位相交处,以形成封闭的防渗线。

有时达到这2个条件,将使帷幕延长很长。由于延伸一段距离后,渗径变长,水力梯度减少,绕流量也相应减少,再延长帷幕长度没有附加防渗作用,表明该范围为经济有效灌浆范围[3]。

钦寸水库左侧库岸由于砂砾石层厚度沿左岸方向呈逐渐减少至尖灭分布,因此设计帷幕灌浆伸入长度以经勘探透水层(砂砾石层)尖灭点为界点,从而形成封闭的防渗。

4 结 语

设计帷幕灌浆工程时,不仅要充分认识帷幕结构的重

要性,还要对帷幕结构进行逐项审核计算,才能确保帷幕

灌浆的合理性、经济性和有效性。

[1]李茂方,孙钊.大坝基础灌浆 [M].北京:水利电力出版社,1992:40.

[2]国家电力公司水利水电规划设计总院.混凝土面板堆石坝设计规范 (DL/T 5016—1999)[S].北京:电力出版社,2000:21.

[3]杨光煦.砂砾石地基防渗工程[M].北京:电力出版社,1994:316-320.