泸定水电站粘土心墙堆石坝基础渗控方案研究

2011-04-26姜媛媛晏国顺索慧敏王党在

水力发电 2011年5期

姜媛媛，晏国顺，金伟，索慧敏，王党在

（1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072；2.四川华电泸定水电有限公司，四川泸定 626100）

0 引言

泸定水电站坝址位于四川省泸定县城泸定桥上游2 km处，距下游泸定县城2.5 km，为大渡河干流水电梯级开发的第12级电站。泸定水电站水库正常蓄水位1 378.00 m，校核洪水位1 381.22 m，死水位1 375.00 m，总库容2.4亿m3，调节库容0.22亿m3，具有日调节性能，装机容量920 MW。工程枢纽主要由挡水建筑物、泄洪建筑物、引水发电建筑物组成。

拦河大坝为粘土心墙堆石坝，坝顶高程1 385.50 m，坝顶宽 12.0 m，长 526.70 m，最大坝高 79.5 m。上、下游坝坡均为1∶2，坝体上、下游均设弃渣压重。防渗心墙顶高程1 383.00 m，顶宽4.0 m，上、下游坡均为1∶0.25，上、下游反滤层水平厚度分别为6.0 m和8.0 m，上、下游过渡层水平厚度均为12.0 m。

1 工程地质条件

坝址区河谷断面呈不对称宽 “U”字形，坝基河床覆盖层深厚，一般为120.0～130.0 m，最大厚度148.6 m，按其物质组成、结构特征、成因和分布情况等自下而上分为4大层7个亚层。

④层、③1亚层、②1亚层、②2亚层和第①层组成物质以粗颗粒为主，漂卵砾石基本构成骨架，结构较密实，具一定承载及抗变形能力；表浅部土体局部有架空现象，但结构不均一，河床右侧下部②1亚层和②2亚层中夹有砂层透镜体，表浅部局部有架空现象，存在不均一变形问题；土体多具中等～强透水性，渗透破坏以管涌型为主，存在渗漏及抗渗稳定性问题。③2亚层砾质砂厚约4.85～8.3 m，分布于I级阶地浅表部，呈透镜状展布，分布范围小，承载及抗变形能力低。②3亚层主要分布于河床左侧坝轴线下游及上游坝基。其中，左侧坝轴线下游埋深27.0～30.0 m，厚6.52～10.5 m，上游坝基埋深33.0～39.0 m，厚32.0～35.0 m。该层为无粘性或少粘性土，属晚更新世晚期沉积物，初步分析液化可能性小，但承载力和压缩模量低，可能导致坝基不均匀沉降变形。坝址区覆盖层物理力学参数建议值见表1。

坝址区左坝肩山体雄厚，基岩裸露，岩性为闪长岩、花岗岩，边坡整体基本稳定。坝肩岩体裂隙较发育，浅表卸荷及风化岩体具强～中等透水性，相对抗水层埋藏较深，存在坝肩绕渗问题。右坝肩地形坡度较缓，主要由③1亚层含漂（块）卵（碎）砾石土、②2亚层碎（卵）砾石土层组成，具一定承载力和抗变形能力，但具中等～强透水性，存在坝肩绕渗问题。右岸坝肩接头部位，基岩垂直和水平埋深均较大，岩体浅表部风化、卸荷较强，完整性差，多具强～中等透水性。

2 坝基渗流控制方案研究

大坝深厚覆盖层最深达148.6 m，相对于坝体渗流控制措施而言，坝基的防渗处理方案更为关键。目前，坝基渗流控制的有效措施主要是混凝土防渗墙和帷幕灌浆，而根据混凝土防渗墙国内施工水平，无法采取防渗墙全封闭设计方案。同时，覆盖层帷幕灌浆存在地层可灌性差及施工难度大等问题。经过前期预可、可研及技施阶段不断深化研究，设计结合现场试验提出了防渗墙下接帷幕的联合防渗设计方案。

2.1 渗控方案拟定

本工程坝基防渗采取悬挂式防渗墙下接防渗帷幕的形式。这种墙幕结合形式的关键在于防渗墙深度与帷幕灌浆厚度的合理确定。为满足坝基覆盖层渗透稳定的要求，根据坝基工程地质及水文地质条件，结合工程实践和施工发展水平，对多种防渗方案进行了比较，从而确定了防渗墙深度、帷幕深度及厚度、水平防渗铺盖范围。

（1）可研阶段采用 “80.0 m深基础防渗墙+墙下覆盖层帷幕灌浆+水平防渗粘土铺盖”防渗方式，防渗墙封闭范围从1 300.0～1 220.0 m高程，防渗墙深80.0 m。

（2）招标阶段采用 “100.0 m深基础防渗墙+墙下覆盖层帷幕灌浆+水平复合土工膜铺盖”防渗方式，防渗墙封闭范围从1 300.0～1 200.0 m高程，防渗墙深100.0 m。根据坝坡稳定计算结果，以复合土工膜铺盖代替了粘土铺盖。

（3）技施阶段采用 “110.0 m深基础防渗墙+墙下覆盖层帷幕灌浆”防渗方式，河床坝基廊道底板高程由1 304.5 m抬高到1 310.5 m，坝基防渗墙相应加深到110.0 m。

2.2 渗流计算分析

表1 坝址区覆盖层物理力学指标地质建议值

可研阶段针对80.0 m深防渗墙墙下接不同深度、厚度的防渗帷幕以及设置水平防渗粘土铺盖进行三维渗流场分析，计算结果表明：

（1）设置水平防渗铺盖对大坝基础地层的渗流梯度总体改变较小，帷幕的渗流梯度减小约8%，渗流量没有明显减少，水平防渗铺盖效果并不十分显著。

（2）加深坝基防渗帷幕对提高渗控效果作用不明显。

（3）当墙下防渗帷幕取消时，坝基碎（卵）砾石土层②2的渗流梯度普遍超过其抗渗比降，防渗墙下接帷幕是必要的。

（4）针对墙下覆盖层帷幕自身的渗流梯度，3排覆盖层帷幕渗流梯度数值为9.2，4排帷幕渗流梯度数值不足6.9，坝基覆盖层均满足渗透稳定要求。

（5）坝肩帷幕延长20.0～40.0 m以及坝基帷幕加深20.0 m，对坝基各覆盖层渗流梯度改善并不明显。

与帷幕灌浆相比，防渗墙防渗可靠性更高。因此，招标阶段防渗墙设计深度由80.0 m加深至100.0 m。招标阶段主要是针对80.0、100.0 m深两种防渗墙墙下接不同厚度的防渗帷幕进行了分析，计算结果表明：

（1）在防渗墙下接3排覆盖层帷幕时，当防渗墙深度由80.0 m加深到100.0 m时，坝体坝基渗流量减少约24%；坝基垂直防渗体下游区域覆盖层的渗流梯度减小40%～50%，平均渗流梯度数值均小于0.1；墙下接覆盖层帷幕自身的最大渗流梯度数值由9.2增至10.7。

（2）当墙下覆盖层防渗帷幕取消时，防渗墙端部覆盖层的渗流梯度迅速增大，局部达到1.0以上；与设置覆盖层帷幕相比，取消帷幕将使覆盖层的渗流梯度增加约30%，坝基总渗流量增加约22%。

技施阶段根据防渗墙现场生产性试验验证，防渗墙施工深度可达110.0 m。考虑河床段灌浆廊道调整为3.5 m×4.5 m，两侧帷幕灌浆钻孔难度加大，上游铺设复合土工膜水平铺盖有一定困难，针对110.0 m深的防渗墙（防渗墙封闭范围从高程1 306.0～1 220.0 m），对不同防渗帷幕厚度及是否取消水平防渗土工膜方案进行了三维渗流场分析研究，计算结果表明：

（1）上游复合土工膜水平铺盖设置对整个渗流场作用不大，水平防渗效果不明显。

（2）当土工膜取消后，3排帷幕和2排帷幕渗流梯度数值总体上以紧邻防渗墙下游侧部位的差距明显些，相差约0.02～0.07不等，稍远处差距极小；在下游围堰防渗墙端部普遍差约0.02～0.05。3排帷幕下的渗流量比2排减少约800 m3/d，占总渗流量的6%。

（3）与下接3排帷幕相比，墙下接2排帷幕自身的最大渗流梯度数值由11.3增加至14.6。

对以上各阶段的计算结果进行了分析比较，加上对现场施工工艺、施工难度等因素的考虑，工程取消了上游围堰以及坝壳下部复合土工膜铺盖，保留大坝心墙底部上游土工膜。主河床段采用悬挂式防渗墙，防渗墙深110.0 m，墙下接两排帷幕灌浆，防渗墙底高程为1 200.0 m。

总之，对于深厚覆盖层地基，采用墙幕结合的垂直防渗方案是可靠有效的。在防渗墙现场试验以及施工技术条件下，防渗墙深度应尽可能加深，有利于保证坝基防渗的有效性。当防渗墙不能完全封闭时，设置墙下帷幕是必要的，施工时应注意控制帷幕灌浆质量，以提高其自身的抗渗稳定性。相比垂直防渗措施，复合土工膜水平铺盖设置对整个渗流场作用不大，水平防渗效果不明显。大坝基础存在可能发生渗透变形的地层，坝基下游渗流出口部位应尽量设置反滤层以防万一，确保坝基长期安全。

2.3 坝基防渗设计

大坝蓄水后河床覆盖层将构成坝基渗漏的主要途径，混凝土防渗墙以能承受较大的水力坡降，防渗可靠等优点成为深厚覆盖层防渗的主要措施。本工程左岸斜坡段（桩号 0＋077.0～0＋113.47）和右岸台地段（桩号0＋214.01～0＋526.33）采用全封闭式的防渗墙；主河床段（长100.54 m，桩号0＋113.47～0＋214.01）采用悬挂式防渗墙，墙下接帷幕灌浆；左坝肩（桩号 0＋000.0～0-065.5）及右坝肩（桩号 0＋526.7～0＋604.2）为浅帷幕；左坝肩（桩号0-065.5～0-096.5）及右坝肩（桩号0＋604.2～0+655.8）为深帷幕；河床段两排深帷幕底高程为1 155.0 m；覆盖层内防渗帷幕采用均厚式帷幕。深帷幕深入基岩标准为基岩渗透系数小于3 Lu，浅帷幕深入基岩标准为基岩渗透系数小于5 Lu。鉴于防渗水头为74.0 m，坝基覆盖层防渗采用一道厚1.0 m的混凝土防渗墙。