贵州乌江东风水电站岩溶处理技术

2013-07-31范华伟朱家好

中国水能及电气化 2013年4期

范华伟朱家好

(贵州乌江水电开发有限责任公司东风发电厂，贵州清镇 551408)

1 工程概况

东风水电站位于贵州省清镇市和黔西县交界的乌江干流鸭池河段上，是乌江水电梯级开发的第二级，距贵阳市88km。工程以发电为主，原设计总装机容量为510MW。1987 年主体工程开工，1994 年4 月下闸蓄水，1995 年底整个工程全面竣工。2003 年汛后至2005 年汛前对原机组改造增容60MW，2004 ～2005年扩机一台125MW，现装机容量为695MW。

东风水电站枢纽主要由拦河大坝、泄洪系统、防渗系统、引水发电系统四大部分组成。拦河大坝为抛物线双曲率薄拱坝，最大坝高162m，坝顶宽6m，底宽25m，厚高比为0.163。泄洪系统由坝身三个表孔、三个中孔、左岸一条泄洪洞和一条溢洪道组成。在大坝左右岸及河床布置了较长的防渗帷幕线，两岸各设三层灌浆隧洞，灌浆主隧洞总长8.57km，帷幕灌浆总量32.15 万m，防渗总面积55 万m2，防渗面积与钻灌量之比1.71，为当时全国之首。引水发电系统位于右岸山体内，岸塔式进水口位于右岸拱坝上游60 ～120m 处。

2 工程地质

东风水电站坝址区地形为略不对称的“U”形河谷。坝址区断层较多，规模大小不一，主要正断层有F6、F7、F33、F34、F35、F37、F38、F42、F45、F46和逆断层F18。坝址区无大的顺河断层，所有通过河床的断层均与河床呈较大角度斜交。河段流向S60°E，河床狭窄，两岸由多级平台与陡壁相间组成。

左岸地形比较完整，略呈NNW 走向，分水岭海拔在1250m 左右。左岸地质条件较好，构造较简单，岩溶不甚发育，洞体自稳定条件好，不存在大范围的渗漏及暗河间的渗漏。

右岸地形比较复杂，冲沟分割较剧烈，地形有所解体。分水岭海拔1300 ～1350m。右岸地质条件较复杂，断裂较多、较大，岩溶发育，大型岩溶洞穴及管道都集中在右岸。库首右岸出露地层属古生界二叠系与中生界三叠系，总厚度1232m，可溶岩类占76%，非可溶岩类占24%，面积岩溶率为5.2 个/km2。不存在大范围的渗漏，但小范围的渗漏仍然存在。库首右岸的小范围渗漏地带是指从鱼洞至凉风洞一弦长2.5km、绕渗长4.8km 的河湾地带，河道距离3.5km，河水面库水位838 ～835m，水力比降0.86‰。

3 防渗工程设计

3.1 防渗线路选择

防渗帷幕线路的布置原则是确保大坝、地下厂房及其他主要水工建筑物的运行安全，有效地拦截岩溶管道式的渗漏通道，变岩溶渗漏为裂隙性渗流，以使渗漏量减少到不影响水电站的正常运行。防渗帷幕线路选择充分利用本区域岩溶发育不均一的特点，尽量选择在岩溶发育程度相对较弱、发育深度相对较浅、岩溶管道空间位置比较明确、构造单一的地段通过，以减少防渗工程量、降低工程施工处理难度和减少工程投资。

厂坝区不存在较大的岩溶管道式渗漏通道，防渗线路的布置主要依据水工建筑物的布置和地质构造。厂坝区防渗线路划分为左岸段、河床及坝肩段和右岸地下厂房段，全长1323m。

右岸库区存在着坝上游的鱼洞暗河系统和坝下游的凉风洞暗河系统，能否切断其间的水力联系，关系到东风水电站水库的形成与否。经大量地勘资料分析，证明在鱼洞暗河系统与凉风洞暗河系统之间有一地下分水岭，当库水位超过900m 以后，库水位将倒灌鱼洞暗河，超过两暗河系统间的地下分水岭地带，经凉风洞暗河向下游渗漏。封堵该渗漏通道是水库防渗的主要任务。防渗线路选择通过该分水岭地带做一防渗帷幕，截断两暗河系统间的水力联系。右岸库区防渗线路在包围地下厂房后，通过两暗河系统间的地下分水岭至帷幕端点，全长2340m。

3.2 防渗结构布置

根据东风水电站的工程地质条件及水工建筑物的布置要求，防渗体采用挖、填、堵、灌、排相结合的结构形式。厂坝区帷幕为封闭式，以水泥浆液灌注成幕为主;库区帷幕为悬挂式，右岸库区及远坝区以掺粉煤灰水泥浆液成幕为主。两岸幕底高程在770 ～820m，帷幕深度达158 ～208m。为确保帷幕质量和减少钻灌施工难度，在大坝的左右岸分别设置上、中、下三层帷幕灌浆隧洞，其中左岸三层灌浆隧洞洞长分别为0.51km、0.57km 和0.53km，高程分别为975.5m、915m 和860m;右岸三层灌浆隧洞洞长分别为2.91km、2.39km 和1.55km，高程分别为978m、915m 和851m。以使平均钻灌孔深控制在70m 左右，左右岸最大灌浆孔深97m，在右岸库区915m 灌浆隧洞内。河床坝段在坝体内设置830m 灌浆廊道，最大灌浆孔深120m。灌浆廊道全为3.0m ×3.9m (宽×高)的城门洞形断面，上层廊道只浇筑混凝土底板，中、下层廊道全周边混凝土衬砌。上下层廊道帷幕灌浆采取分层垂直搭接，上层帷幕插入下层廊道底板5.0m 搭接帷幕连接，坝肩采用斜孔相交搭接，形成了一道完整、连续的搭接式防渗幕墙。坝基、坝肩、右岸厂前区及左岸近坝部分帷幕是防渗工程的重点帷幕区，坝肩采用三排帷幕，孔距为1.0m ～2.0m;其他采用双排帷幕，孔距为2.5m。右岸库区为单排帷幕，孔距3.0m，在断层部位双排布置。

对地勘查明及灌浆隧洞开挖施工过程中揭露的集中渗漏通道、溶洞、暗河等，采用回填混凝土封堵形成截水体;对于在钻灌过程中发现的大型溶洞，采用扩孔回填混凝土或粗骨料或细骨料后，施灌水泥砂浆或大掺量粉煤灰水泥浆或纯水泥浆;对于断层破碎带或溶蚀裂隙或孤立小型溶洞采用灌浆方法处理。

4 试验研究

东风水电站防渗工程地质条件复杂，岩溶发育，灌浆量大、面广、线长，钻灌孔深，施工难度大，而且施工要求高、工期紧。为了寻求合理的灌浆控制参数、施工工艺和经济技术指标，以便指导施工，确保帷幕质量，特进行了室内试验和现场试验。

4.1 室内试验

东风水电站防渗工程灌浆隧洞总长达8.57km，隧洞断面尺寸小，衬砌厚度仅40cm，施工难度大。混凝土运输、浇筑形式、配比的确定直接关系到隧洞的衬砌进度，影响防渗工程的工期。为此，开展了高流态混凝土室内试验，结果表明隧洞衬砌采用二级配高掺粉煤灰高流态泵送混凝土，施工简单，速度快，强度能达到工期要求;其孔隙率较常态混凝土要小，骨料与浆体包裹密实，和易性好，便于混凝土运输和泵送，性能指标满足要求。

东风水电站防渗工程帷幕灌浆工程量达32.15 万m，灌浆材料的选择和浆液配比的确定直接影响到防渗帷幕质量和工程投资，为此对水泥、粉煤灰、黏土、赤泥、外加剂等进行了大量的室内试验研究，最终选出以在水泥中掺粉煤灰和外加剂为主的浆液配方，并在灌浆现场试验中验证其可灌性和灌注质量。

4.2 现场试验

试验结果表明:①第一试区永宁镇组灰岩具有良好的可灌性，布置双排孔，孔距2.5m，不论采用普通水泥浆液还是掺风选粉煤灰的水泥混合稳定性浆液灌注，均能达到渗流控制标准;②第二试区在玉龙山灰岩中选取不同孔距，高压灌注稳定性浆液，可灌性好，在右岸库区帷幕采用孔距3.0m 的单排孔，高压灌注稳定性浆液能达到防渗标准;③高压灌浆对隧洞衬砌底板的抬动较显著，灌浆过程中应根据灌浆孔所在位置的地质条件、建筑物布置和要求，严格控制灌浆压力和注入率，以免发生破坏性抬动变形;④灌浆压力应随孔深逐步加大，直至孔深20m 达最大灌浆压力(P=4.0 ～5.0MPa)，岩体和衬砌是安全的;⑤采用低水胶比浆液高压灌浆有利于提高防渗帷幕的耐久性，并可以改善浆液的可灌性，有利于浆液的长距离输送，减少弃浆量，提高施工效率;⑥集中制浆长距离输送切实可行，并有利于降低劳动强度和减少洞室内粉尘污染。

5 防渗工程施工

5.1 灌浆隧洞施工

灌浆隧洞开挖过程中，常发生洞顶塌方、涌水等情况，溶洞成群，风化严重，难以成洞。遇见的大小溶洞不少于100 个，主要大型溶洞有9 个。其中，厂坝区3 个，右岸库区6 个。溶洞中充填物较复杂，主要有砂、卵砾石、黏土等。施工中采用了喷、锚、锚喷、型钢支撑、超前锚杆法、超前固结法及全断面钢筋混凝土衬砌等工程措施。灌浆隧洞及施工支洞开挖采用光面爆破技术，全断面一次开挖成型。对Ⅱ类围岩，只对底板进行钢筋混凝土衬砌，周边不做任何支护;对Ⅲ类围岩，底板进行钢筋混凝土衬砌，边顶拱还需做锚喷支护;对不良地质洞段分别做型钢临时支护和全断面混凝土衬砌。

隧洞施工中揭露的靠近帷幕线的溶洞，要先用混凝土回填，变岩溶管道透水岩体为裂隙性岩体，再进行高压灌浆。对于规模不大的溶洞，在浇筑边墙和顶拱时就进行溶洞回填。方法为采用混凝土泵输送管由溶洞处送混凝土入仓，边墙和顶拱浇筑成型后，再用同等级混凝土回填溶洞。对于规模较大的溶洞，先浇边顶拱混凝土，预留150cm ×150cm 的回填孔口，待边顶拱混凝土达到设计强度后，再开始溶洞回填。施工过程中考虑到溶洞顶部距隧洞顶拱较高，最高达5.4m，在最后封拱时，模板受力较大，支撑困难。因此，在回填过程中，每隔20 ～30cm 高便内缩30cm，即孔口四周各扩大约30cm，形成台阶状孔口，孔口四周回填满后即进行封拱。封拱措施为:打毛台阶状孔口四周壁，利用台阶在孔口架设钢筋网格两层，架设混凝土输送管，距洞顶约20cm，控制混凝土的和易性和坍落度，连续浇筑。

5.2 帷幕灌浆施工

根据防渗工程的布置和进度要求，帷幕灌浆分两期施工。其中一期工程要求在第一台机组发电前完成，即大坝下闸蓄水前要完成厂坝区的防渗帷幕灌浆及库区915m 高程以下的帷幕灌浆和库区978m 高程以下的堵漏，帷幕总量为25 万m;二期帷幕在第一台机组发电后施工。帷幕灌浆采用小口径无塞高压灌浆法，孔口封闭，孔内循环，不待凝连续灌浆。厂坝区帷幕灌浆采用普通硅酸盐水泥，灌注纯水泥浆液2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1 五个比级;右岸库区帷幕灌浆采用普通硅酸盐水泥，并掺30% ～40%清镇电厂风选优质Ⅱ级粉煤灰，灌注稳定性浆液0.7∶1、0.6∶1、0.5∶1 三个比级。在浆液中掺入一定量的木钙以增加浆液的和易性和可灌性。

岩溶地区防渗工程与其他地区不同，岩溶地区主要为封堵岩溶管道、洞穴及大的裂隙。东风水电站站址为典型的岩溶喀斯特地区，岩溶特性主要为受断层或裂隙溶蚀发育的竖井状或串珠状溶洞和沿岩层发育的水平管状溶洞，以右岸库区岩溶最发育，分布广、规模大、形态复杂，形成溶洞群和渗漏管道网。防渗工程施工过程中，钻孔穿过溶洞区时常遇塌孔、不返水、有风吹出或吸入等现象。岩溶充填形式有无充填、半充填、全充填三种形式，充填物又分为泥砂夹石充填、砂卵石充填。针对溶洞不同的充填形式及充填物，采用了不同的处理方式。如回填一级配高流态混凝土，回填干料(如粒径小于20mm 的小石)，回填泵送混凝土，开挖、浇筑混凝土截水墙(适用于溶洞埋深较浅的大型洞穴);灌注水泥砂浆，灌注粉煤灰水泥砂浆，灌注粉煤灰水泥混合浓浆，灌注水泥水玻璃浆(双液法);旋喷灌浆和花管灌浆等。

以下是几种不良地质洞段的灌浆施工方法:

(1)钻灌中遇黏土或流砂层时，采用扩大孔径，缩短进尺，水泥浆固壁或下花管隔离灌浆，灌浆中采用限流、限量、增加待凝次数、水泥浆中加水玻璃等反复灌注，逐步升压等综合处理方法。

(2)对于涌水、冒浆情况，灌进裂隙的浆液倒流孔口的处理，主要为增加闭浆时间防止倒流。

(3)遇大裂隙和溶洞时，采用扩大孔径进行混凝土或水泥砂浆自流式回填，填满后再扫孔进行灌浆施工。

(4)库区钻孔遇含砂溶洞时，成孔困难，施工时采用高压喷射灌浆进行固砂处理，然后再进行高压帷幕灌浆，效果较好。

(6)钻孔时发现的深层大型溶洞，采取扩大钻孔，先回填碎石、水泥砂浆，再进行灌浆的方法。

5.3 防渗效果评价

东风水电站防渗工程主要采用高压帷幕灌浆结合岩溶洞穴及管道的混凝土回填工法，具体的效果评价简述如下:

(1)由于岩溶发育的不均一，致使水泥注入量在不同孔段的差别较大。以单位注入量500kg/m 为准，部分成果统计见表1。

由表1 可以看出，＜500kg/m 的孔段长占95%以上，所注入水泥量只占30%左右;而＞500kg/m 的孔段长只占4%左右，耗水泥量占65% ～75%。充分说明在岩溶地区灌浆，主要是对岩溶管道及洞穴的封堵，构造裂隙是次要的。

表1 水泥注入量统计

(2)灌浆前对Ⅰ序孔进行了压水试验，灌浆后对检查孔再行压水，以比较其单位吸水量的变化，以验证灌浆的效果。压水压力均为1.0MPa (孔口表压)。灌浆前压水的透水率分区百分数见表2。

表2 压水试验结果

由表2 可以看出，灌浆前左岸＞1.0Lu 的孔段占24.15% (765 段)，右岸＞1.0Lu 的孔段占22.18%(1634 段)，而且左、右岸均有1.5% ～1.6%的孔段透水率＞15.0Lu (左岸及厂坝区的防渗标准≤1.0Lu，右岸库区防渗标准≤3.0 ～5.0Lu)。灌浆后经检查孔压水试验透水率几乎100%小于1.0Lu。

(3)为了检查帷幕灌浆的效果，在左右岸灌浆隧洞内断层、溶洞等重点位置，均靠下游侧布置斜孔监测水位变化与库水位的相关性。所属部位水位孔的监测数据表明:断层、溶洞等重点部位的水位测值较稳定，库水位的升降与孔内水位变化不密切，而与下游地下水径流有关。

综上所述，防渗帷幕高压灌浆及岩溶渗漏管道的回填封堵，起到了应有的防渗效果，同时也进一步验证了防渗线路的选择是合理的。