深厚覆盖层上闸坝基础防渗设计与基础处理

2011-04-23杨光伟胡永胜

水电站设计 2011年1期

杨光伟,马耀,胡永胜

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)

1 前言

2008年5月12日14时28分四川汶川发生Ms=8.0级地震,位于震中或震中附近的一些水电站主体结构受损轻微,次要结构和附属结构受到了一定程度的破坏和局部严重震损,经修复后能恢复正常发电。这些电站经受了这次特大地震考验,没有因电站受损增加损害和带来次生灾害,部分电站设施和电站水库在抗震救灾中发挥了较大作用。

我国西南地区水能资源十分丰富,水电资源的开发,有很多工程采用低闸引水式开发方式,大多涉及到在深厚覆盖层上修建闸坝的问题。河谷深厚覆盖层,一般指堆积于河谷之中,厚度大于 30m的第四系松散沉积物。岷江、大渡河等河流的上游及一些支流河床覆盖层较为深厚,一般深达 40～70m,有的甚至深达百米以上,而且河谷深厚覆盖层成因类型复杂,地质性质复杂,分布规律性差,结构和级配变化大,物理力学性质呈现较大的不均匀性。深厚覆盖层这种复杂的不良地基条件给水利水电工程设计和施工带来了一定的困难。根据建闸地区实际情况,各工程防渗设计及基础处理的方案均有各自的特点。表1列出了四川省内已(在)建在深厚覆盖层上的部分闸坝的情况。

从表1可以看出,由于覆盖层深度较大,四川省内大多数建在深厚覆盖层上的闸坝大多采用以垂直防渗为主、水平铺盖防渗为辅的防渗方案,在基础软弱层的处理方案上则采用了混凝土置换、固结灌浆、振冲处理等多种手段。本文类比了岷江、瓦斯河、南桠河上的已建电站设计和运行情况,重点对这次离震中较近且震损轻微的福堂水电站的闸基处理设计和运行情况进行介绍。

表1 四川省内建在深厚覆盖层上的部分闸坝

2 已建类似工程的实施情况

2.1 映秀湾水电站

映秀湾水电站位于岷江上游阿坝藏族羌族自治州汶川县映秀镇,为迳流引水式,引水河段长约6.0km,拦河闸长 156m,宽 25m,高 19.9m,总装机容量 135MW,额定水头 54m。河床底部(第四系)堆积物属多种成因,组成上叠式结构。自下而上可分 7层,与建筑物关系密切的是第②、④层细粉砂层和第③、⑦层漂卵石层,其中①、③、⑤、⑦层为漂卵石,②、④层主要为粉、细沙,⑥层为右岸台地的耕作土。闸基覆盖层最大深度 45m,基础防渗采用钢筋混凝土铺盖加悬挂式混凝土防渗墙。

闸坝建成 30多年来,一直运行良好。根据《安全检查综合报告》,对映秀湾水电站的观测资料系列采用“灰色—回归—AP(P)模型”进行计算分析,结果表明,映秀湾拦河闸的垂直位移的 V值在 -1.60～0.25mm之间,水平位移的后排 V值在 -1.60～0.10mm之间,前排 V值较后排略大,但都在3～4mm以下,考虑到建在软基上闸坝的沉降是可以接受的,而且绝对值很小,拦河闸的垂直位移、水平位移已基本稳定;4个测孔的最大实测扬压力测压管水头值分别为 939.60m、939.54m、939.55m和939.64m,计算表明,其系列趋势都不明显,趋势线已近水平,扬压力值在设计的允许范围内;防渗墙上游距河床较近的测孔与河水位接近且低于河水位,而防渗墙两测的两个测孔,一个距河床较远,一个距河床较近,近者接近并低于河水位,较远者低得更多,两孔相距 72m,V值极差仅 3.5m,平均坡降仅0.0486,说明绕坝渗流基本稳定且不会发生渗透破坏;在防渗墙下游的各个测孔水位趋势量在 935.72～936.50m之间,均远低于闸前水位,仅比护坦板面略高,测压管水位均缓倾向下,倾角很小,防渗措施效果一直良好,没有发生渗透破坏,说明在压重情况下地基土中的渗透允许坡降大大提高。

2.2 太平驿水电站

太平驿水电站位于四川省汶川县境内,系岷江上游河段第二个梯级电站,距成都市约 97km。电站装机容量260MW。电站闸坝建于双层地基上,深部Ⅰ、Ⅱ层为强透水层,上部ⅢI、Ⅳ层主要为弱透水地基,闸基渗漏主要是通过Ⅰ、Ⅱ层的渗漏。闸坝设计渗压水头 39m,采用水平铺盖防渗。

经过多次论证和咨询,以及现场大型原状土渗透试验,得出相对隔水层(第Ⅲ层)内允许坡降值可大幅提高到 1.1～1.3。

根据《安全检查综合报告》,分析近几年的运行情况和运行后地下水位跟踪的监测成果,以及对该电站运行后的定期复核、检查和论证的结果表明:闸坝安全系数和基础应力与设计成果基本相当,闸体变形量在设计允许范围内,变化规律正常,均满足现行规范要求;据监测成果分析,没有发现防渗措施失效,闸基下的渗透压力变化在正常范围内;观测数据分析得出上游铺盖、闸室底板、下游护坦的渗透坡降分别为 0.7、0.06、和 0.16,均小于设计允许坡降;三维渗流反演计算分析表明,通过闸轴线剖面的总渗透流量约 0.1m3/s,铺盖前第Ⅲ层内最大坡降值为0.52,渗透量、渗透坡降均在修正允许值范围内;闸基渗压系数一般小于 0.1,最大处为 0.24,低于 0.4的设计值,说明闸基扬压力值小于设计值;铺盖测缝计测值稳定,一般开度小于 2mm,个别缝隙达到4.73mm,但不足以破坏止水,表明上游铺盖运行正常。

2.3 南桠河三级电站

南桠河三级电站拦河闸最大高度 21m,闸底宽25m,闸顶高程为 1370.00m,闸轴线长 162.89m,电站装机容量 120MW。闸基础右岸为灰白色中粗花岗岩,河床左岸阶地均为漂卵石、碎石夹沙的覆盖层,厚度在 15～28m之间。拦河闸基础防渗处理主要采用了全封闭式的垂直防渗方案,即用混凝土防渗墙切穿第四纪冲积层直至基岩。

经运行后的原型观测分析,各实测扬压力均小于设计工况时扬压力,且 20年来的测值不变,说明防渗墙防渗效果好,防渗设施运行一直正常。所有测压孔的实测渗透压力都低于设计值,闸基的渗流渗压正常。绕坝渗流测压孔的水位正常,绕坝渗流在正常范围内。

闸体的水平位移符合一般规律,河床闸段位移大,靠近两岸的闸段位移小,最大位移为 3～4mm。闸体的水平位移受空气温度和时效共同影响,库水位是次要因素。闸顶垂直位移符合一般规律,呈周期变化,夏季向上位移,冬季向下位移。从统计值看,垂直位移的分布规律是闸体中间大,两岸附近小,冬季坝体中间沉降一般为 3～4mm,两端为 1～2mm,夏季坝体中间沉降量为 1～2mm,两端为 0～1mm。总体上垂直位移分布较均匀,符合垂直变形的一般规律,没有异常现象。

2.4 小天都电站

小天都电站于瓦斯河龙洞村建闸,右岸引水至日地建厂发电,下游尾水与已建冷竹关电站水库水位相接,电站装机容量 240MW。闸址区河床覆盖层最大厚度 96m,结构复杂,闸址覆盖层主要为③、⑤层冰水堆积层、④层湖相堆积层和⑥层冲积堆积层,③、⑤、⑥层透水性中～强,④层透水性中～微,可视为天然相对隔水层,厚 6.8～31m。闸基防渗措施采用了混凝土防渗墙垂直防渗与水平铺盖防渗相结合的措施。

各层平均层内比降值小于相应的允许比降值,最大比降发生在第②层中靠近防渗墙底部位置。闸底扬压力较小,接触渗透比降也比较小,不会对闸室的安全运行产生影响。第④层的渗透系数相对较小、埋深较深、层厚较厚,是一道天然的水平相对隔水层,因此闸坝基础在各种工况下的渗透量都很小,不到枯水期多年平均来流量的 0.1%。主要原因是悬挂式防渗墙底部穿过第④层深入第③层,截断了闸基覆盖层中相对隔水层以上的主要渗流通道。经运行后的原型观测分析,各实测扬压力均小于设计工况时扬压力,防渗墙防渗效果好。

3 福堂水电站设计与运行情况

3.1 工程概况

2008年 5月 12日 14时 28分四川汶川发生 Ms=8.0级地震,导致岷江上游河段山体垮塌,交通中断,但挡水坝无一溃决,整体稳定,福堂水电站位于岷江上游河段,闸首距离本次汶川大地震震中仅 30余公里,属于本次地震烈度 X度的范围。

福堂水电站位于四川省阿坝藏族、羌族自治州汶川县境内,系岷江上游引水式电站,电站装机容量360MW,首部枢纽分别由左右岸挡水坝、进水闸、4孔泄洪闸、冲沙闸、溢流坝、排沙闸等建筑物组成,闸顶高程 1270.5m,闸底建基高程 1239.5m,正常蓄水位 1268.0m,坝高 31.0m。电站枢纽为Ⅱ等大(2)型工程,闸坝等主要建筑物为 2级,地震设防烈度Ⅷ度。首部枢纽布置图见图1、图 2。

闸址处覆盖层深厚,结构层次较复杂。河床覆盖层厚34～92.5m,按其结构、成因和组成,可划分为 6层,各层岩性见表2。

闸址区地下水按贮存介质的不同分为基岩裂隙水和河床松散堆积层孔隙水两种类型,前者主要分布贮存于谷坡两岸及谷底花岗岩风化卸荷带及裂隙、断层破碎带内,后者贮存于河床覆盖层的①～⑤层中。

闸区河床覆盖层是具有统一水力联系的、非均质的、各向异性的潜水含水层,②、④层具有相对抗渗作用,①、③、⑤层具有良好的透水性,谷底完整花岗岩是隔水底板。闸基属多层地基,河床覆盖层依次呈上叠结构,各层渗透性不均一,但仍显示出⑤≥③≥①≥④≥②层的总体特征。闸基渗漏主要沿中～强渗透层①、③、⑤层和基岩表部风化卸荷带渗漏;闸基②、④层透水性较弱,库水沿②、④层向下游的渗漏量较小。

闸基①、③、⑤层抗渗强度较低,渗透变形破坏形式以管涌为主。②、④层细粒土与①、③、⑤层粗粒土的渗透系数相差100倍以上,其接触面上可能存在接触冲刷、接触流土及接触管涌等问题。由于基础覆盖层深厚,如采用全封闭式防渗墙,造价高昂,施工难度也相当大,而在基础中下部存在一层相对隔水层,在一般工程处理措施中应优先考虑利用将其作为防渗的依托层,以降低工程造价。

3.2 闸基处理及防渗设计

岷江为长江的一级支流,流量大、泥沙多、覆盖层深厚是其特点。从20世纪70年代起,在其干流及支流上先后建成和设计了一批大中型电站,借鉴性强的是岷江干流上的映秀湾和太平驿水电站,本电站与它们是彼此相接的梯级,均为低闸引水式开发,三级电站中,映秀湾在最下游,福堂在最上游,两闸址相距约36km。三个梯级电站首部枢纽设计、引水防沙、泄洪消能布置等具有较大的相似性;从枢纽布置看,福堂与太平驿类同;从闸基地层结构看,福堂更类似于映秀湾,但福堂闸址覆盖层厚度为映秀湾的两倍多,其基础处理及防渗设计难度更大。映秀湾闸址采用水平铺盖加悬挂式防渗墙(墙穿过第②层砂层伸入第①层卵砾石层1～2m)为主的防渗型式,太平驿闸址采用水平铺盖加深齿槽的防渗型式。

基于基础处理各种方案的比较、闸坝基础渗流的计算结果、闸坝基础沉降量的计算结果以及承载能力计算结果的综合分析,参考借鉴已建同流域工程实施情况的经验和监测成果、不同流域已建工程的监测成果和不同流域类似待建或在建工程大量的计算分析成果,在前阶段部分成果及各方意见基础上,在工程设计及技术研究过程中提出了综合解决闸坝基础防渗、抗液化和不均匀沉降等问题的处理方案。

3.2.1 基础处理目的

在水利水电工程中,水对工程的破坏作用是主要的,地表水流的破坏作用常会引起人的注意,也较容易发现;而地下水流的渗流冲刷不易发现,常被忽视,有时一经发现时工程已破坏或不易补救。从调查资料看,在工程发生的事故中,渗漏管涌事故所占的比例较多。所以,对渗流的控制尤为重要。

图1 福堂水电站闸首平面布置

图2 福堂水电站沿闸轴线剖面

表2 河床覆盖层地层岩性

渗流控制主要是控制闸坝地基不被渗流冲蚀破坏,或减少漏水,而渗漏水量往往是一个次要问题。降低闸坝地基中的渗压水头,减少建筑物基础下的扬压力,有利于闸坝等建筑物的稳定,从而有效地减小地基中的渗透坡降、渗透流速、渗透力、出逸坡降和接触坡降等不利因素,达到有效地防止管涌发生和减少渗透水量的目的。

3.2.2 基础处理设计

福堂水电站闸基覆盖层深厚,结构及组成复杂,层厚分布变化幅度较大,存在不均匀沉陷问题;同时,第④层砂层埋深较浅,强度指标低,在Ⅷ度地震下有可能发生液化,如采用保留④层砂层方案,因闸底板建基高程最低离砂层顶面仅 2m左右,基础软弱面的承载力将存在一定问题,且不均匀变形也会引起一些问题。

为防止施工中基坑排水时可能发生管涌破坏,在闸坝上、下游进行各 4排、上游深度 8～15m、下游深度 7.0m的固结灌浆处理,灌浆孔穿过第④层深入第③层约 1m左右;同时,沿铺盖齿槽截断第④层或作局部灌浆处理,封闭第④层,防止第④层可能产生的液化和因液化导致的局部沉降等问题。对取水口和闸基底板基础范围下卧的第④层,采取了挖除回填处理,开挖深度至高程 1242.5m和 1239.5m,深入第③层约 0.5m,采用低标号混凝土回填。

对铺盖右岸⑤层内液化厚砂层进行了振冲碎石桩采用密实法进行置换处理,桩间距 2m×2m,桩深2～8m。

原设计防渗墙位于闸坝前缘,由于施工平台高程太低,施工降水措施不力,导向槽内大量涌水,泥浆固壁失效,槽壁垮塌严重,闸基下部土体遭到严重破坏,防渗墙位置被迫上移到铺盖处。由于原防渗墙造孔中回填了大量黏土护壁,槽孔形成不同深度,方量不等的黏土桩及黏土墙,在闸基下形成软弱夹层。为了彻底清理淤泥、浮渣,对已造孔进行固灌处理,并在灌前进行高压冲洗,而后在廊道内进行了 2次补强灌浆。

3.2.3 闸基防渗设计

闸基防渗主要解决两个关键问题:一是渗透流量控制,防止水量的过多损失;二是闸基渗透稳定控制,主要是防止闸基土层发生渗透破坏,保证建筑物的安全。同时也需考虑经济合理的原则。

设计过程中对闸坝基础进行了二维和三维渗流分析,通过分析认为:

(1)各种组合下的渗流量都很小,约为岷江枯水期多年平均流量的 3‰,渗透损失并不是闸基防渗的重点。

(2)在各层内渗透坡降均不大,一般都在允许值内,但由于水头损失绝大部分(约 80%左右)消耗在相对隔水层内,造成了其层内坡降值增大,局部超过了地质部门建议的允许值 0.25～0.30,但根据工程类比后认为仍可满足要求。基础出逸坡降为0.023,小于地质建议值 0.12～0.15,能满足要求。

(3)水平铺盖防渗长度的敏感性分析表明,大幅增加铺盖长度,对渗流成果的改善微弱。因此对有水平相对隔水层的覆盖层基础,其设置的铺盖长度不宜太长。对福堂水电站铺盖长度超过 40m以后的部分重在考虑结构布置需要及抗磨蚀要求,经分析后确定,铺盖有效长度为 35m。垂直防渗消杀水头的效果较为明显,特别是截断强透水层时能消杀 80%以上的水头。在一定程度反映出此类基础以垂直防渗为主、水平防渗为辅的特点。

(4)增加防渗墙墙深对渗透坡降在一定深度范围内有较明显的改善,但如果深入第①层内后则改善作用就不明显了,所以对于悬挂式防渗墙的深度不宜太深,但防渗墙底的坡降较为集中,为避免对相对隔水层第②层的影响,要求防渗墙深入第①层一定深度。

(5)比较敏感的是第①层与第②层的渗透系数之比:第②层系相对隔水层,防渗墙穿过第②层深入层厚较深的第①层后,第①层即作为防渗墙的依托,其与第②层渗透系数的比值较小时对渗流成果坡降值有较明显的改善。

(6)根据河床质的沉积情况,山区河流呈现多层性地基较多。对于沉积层次明显的成层地基和带有连续或不连续的多层隔水或不隔水夹层,其水平透水性远大于垂直向的透水性,故宜优先采用垂直防渗截断靠近地面的强透水层。这种方式远胜于水平防渗的效果,同时可采用一定的水平防渗作为辅助性防渗措施,在下游采取一些排水、反滤措施。这种以垂直防渗为主,与水平防渗和排水、反滤措施相结合的综合防渗方式,对呈多层性地基的防渗效果是显著的。

通过分析比较,福堂电站闸坝最终采用以下防渗方案:针对福堂电站渗流计算中反映出基础地层内的坡降较大,尽可能以不液化的相对隔水层作为防渗依托层,采用防渗墙深入第①层内上部的方案,墙底高程在 1205m左右,铺盖有效长度确定为35m。同时,为避免水流入渗淘蚀,在铺盖上游端增设浅齿槽防护;在护坦底部,铺设级配良好的反滤料,结合防冲要求及解决浅埋深的第④层砂层液化问题,在护坦末端设置防冲深齿槽,齿槽深度 9m。

3.2.4 闸基沉降变形计算

福堂电站闸基深厚砂卵石覆盖层中分布有②、④两层粉砂土,砂土厚薄差异大,弹性模量值低,而且覆盖层沿闸基纵横向分布变化较大,建闸后基础可能产生较大沉陷量及沉降差,造成闸室之间、闸室与挡水坝间、闸室与铺盖及护坦之间的错动,进而危及闸坝的安全。

在覆盖层厚度变化较大及在边块基岩分界处、建筑物分缝处存在沉降差,幅值一般小于 1.5cm;沿闸轴线剖面,冲沙闸、表孔溢流坝和泄洪闸对应位置覆盖层较深、基岩分界坡度较陡,每个闸室段自身沉降差为 0.3～1.5cm,而右岸挡水坝与泄洪闸间,由于受陡峭基岩变化影响,不均匀沉降差为 2.9～3.8cm。块体沉降差和块间沉降差均在规范建议值范围内。

沿河床纵剖面,完建期主要受结构自重不同的影响,各建筑物沉降值在 2.8～5.02cm,相互间的沉降差 1.25～3.8cm;蓄水期主要受水荷载影响,块体结构沉降值为 1.2～5.26cm,相互之间的沉降差为0.28～1.5cm。沉降差都在规范建议值范围内。

3.3 运行期闸坝渗流及变形监测成果

3.3.1 渗流监测

闸坝的渗流监测主要通过埋设在闸基的 19个测压管进行扬压力监测。测压管于 2003年 10月29日安装完毕开始观测,除蓄水阶段发现安装于排沙闸和冲砂闸之间的测压管出现异常和库水位相关外,其余测压管水位均和上游库水位没有明显关系,而接近或略低于下游水位。此后对有异常部位进行灌浆处理后,该部位测压管观测值也趋于正常。河床段观测扬压力水头一般在 11～13m,两岸受岸坡地下水影响扬压力水头略高达到 14～16m。

上游渗透压力通过防渗体系的折减程度一般用渗压系数 α表示:

式中 H——测压管水位;

H上——上游库水位;

文山州自动区域站前期数据质量可靠性不强，文中采用2012年以后的数据可靠性较大的站点数据进行分析，统计时段不长，统计特征代表性具有一定局限，有待随着数据增加不断完善提高其可用性。雷电特征仅从雷电次数和强度方面进行分析，未来有待进一步结合雷暴和雷击灾害等进行风险分析为防雷减灾工作提供更多参考。

H下——下游水位。

通过对近五年的观测成果分析,闸坝河床坝段的渗压系数很小,一般都小于 0.1,闸坝两岸坡坝段的渗压系数较高但一般也只有 0.2～0.3,这说明福堂电站防渗体系的防渗效果明显。闸基扬压力中的主要部分是浮托力,河床坝段的渗透压力较小。

在闸坝两侧岸坡上还设置了 8个绕坝渗流测孔,几年的观测资料反映绕坝渗流地下水位与库水位相关性不大,而与降水关系密切,说明福堂电站两岸的防渗帷幕设置是成功的。

3.3.2 变形监测

(1)水平位移。闸坝的水平位移通过设置在闸顶上的引张线上的测点进行观测。长时间的观测成果反映了以下规律:

位移随季节变化,夏季向上游位移,冬季向下游位移。2004年 8～11月测得闸坝向上游最大位移量达到 8mm,此后几年夏季向上游的位移量均未超过 4.0mm。自有监测资料起,冬季闸坝向下游的位移量最大值没有超过 4mm。

位移的分布,闸坝中部位移大,两端位移小,最大年变幅也发生在闸坝中部,2004年 12月之后最大年变幅一般不超过 6mm。

闸坝左、右岸水平位移不对称,右岸位移大于左岸位移。

通过几年的监测资料分析,闸坝水平位移及相邻坝段之间的水平位移差均在规范允许范围之内。

(2)垂直位移。闸坝的垂直位移通过设置在闸首的水准监测线进行监测。自 2004年 2月水准监测系统投入观测以来,闸坝的垂直位移测值规律性较好。从位移随时间变化的规律来看,表现为冬季沉降量增加,夏季沉降量减少;从分布来看,闸坝中部沉降大,两岸坝段小。图 3是福堂电站闸首垂直位移分布图。从图中可以看出闸坝最大沉降仅10mm左右,满足规范要求。

3.4 结论

2008年5月12日14时 28分四川汶川发生 Ms=8.0级地震,导致岷江上游河段山体垮塌,大中型水电站机组停运,交通中断,但挡水坝无一溃决,整体稳定。福堂水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内岷江上游河段,闸首距离本次汶川大地震震中仅30余公里,属于本次地震烈度 X度的范围。在汶川大地震发生后,坝体主体结构完好,仅附属结构和一些次要结构受到损害,初步评估福堂水电站闸坝仅为“轻微震损”。地震后福堂闸首所有泄洪闸均能正常开启,说明闸首变形不大,基础处理方案的实施是成功的。从目前检查情况看,基础防渗系统未受到明显破坏,局部经加强处理后能恢复至与震前情况一样。