坝基帷幕灌浆工程中增设排水孔设计与效果分析

2013-08-06张晓光徐永江王海方

黑龙江水利科技 2013年6期

关键词：坝段坝基帷幕

张晓光，徐永江，王海方，刘洋，贾犇

(1.葫芦岛市水利工程质量监督站，辽宁葫芦岛 125000;2.辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006 3.葫芦岛市凌河局，辽宁葫芦岛125000;4.葫芦岛市乌金塘水库管理局，辽宁葫芦岛 125000)

1 工程总体概述

包括工程概况及补强帷幕灌浆和排水设计:

1.1 工程概况

主要包括:水库及大坝基本情况，帷幕灌浆原设计和以往施工情况、本次灌浆前坝基防渗帷幕状况。

1.1.1 水库、大坝基本情况

葠窝水库是太子河上的骨干水利枢纽工程之一，坝址上游流域面积6 175 km2，水库任务是以防洪、灌溉、工业供水为主，并进行综合发电［1］。

葠窝水库是大(2)型水利枢纽工程，大坝枢纽主要建筑物为Ⅱ级。水库按100 a 一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核(上游观音阁水库建成后，在规模，最高水位不变的前提下，校核标准可提高到万年)。

设计洪水位100.5 m，校核洪水位102.0 m，正常高水位96.6 m，防洪限制水位86.2 m，总库容7.9 ×108m3，防洪库容5.78 ×108m3，兴利库容5.08 ×108m3。保护下游农田10.93万hm2，水库灌溉面积4.67万hm2，年供给工业用水1.12亿m3，年平均发电量8 000万kW·h［2］。

枢纽主要建筑物有拦河坝、溢流坝(在闸墩下分别设有6个底孔)、电站(装机:17 200 kW)3 部分。坝总长532 m共分31个坝段，其中溢流坝段15个，长274.2 m;电站坝段3个，长40.5 m;两岸挡水坝段13个，长217.3 m。拦河坝段为混凝土重力坝，坝顶高程103.5 m，最大坝高50.3 m，坝顶宽6.0 m。

1.1.2 帷幕灌浆原设计和以往施工情况

葠窝水库从1971年11月—2001年8月先后完成了1#～31#坝段的基础处理帷幕灌浆及其加固的工作，设计参数为:

1)防渗设计标准:单位吸水量ω ＜0.01 L/(min·m·m)。

2)扬压力系数:≤0.3。

3)帷幕孔排数:单排孔(位于坝轴线下游4.8 m处)。

4)孔距:2 m。

5)孔深:1#坝段，岩面下10 m;2～30#坝段，岩面下15 m;31#坝段，岩面下8 m。

6)基岩与混凝土接触面做了接触灌浆。

1.1.3 本次灌浆前坝基防渗帷幕状况

从葠窝坝区工程地质可知，坝址区为古老变质岩，坝基主要由含团块变粒岩、石英变粒岩及黑云母变粒岩组成。坝基开挖到弱风化岩层面，发现断层35 条，可见断层宽度5～180 cm，延伸长度10～200 m不等。

为减小坝基扬压力，使坝基面渗透压力和坝基渗漏量降至允许值以内，采用了灌浆帷幕和坝基排水相结合的方式。在桩号0 +04.8 m处设深15 m的垂直防渗帷幕一道。

在灌浆廊道内桩号为0’+05.1 m处共设98个深12 m、向下游倾斜15°角的主排水孔;在排水廊道内桩号为0 +024.2m处共设51个深9 m的副排水孔;在坝基与基岩接触面水平间隔9 m左右用三角槽设坝基排水管。坝体及坝基内渗水最终汇集到4个集水井中，用水泵抽排到下游坝外［3－5］。

为观测坝基扬压力，在3#、5#、17#、23#、25#、坝段的5个横向廊道内各布置了1个观测断面。经对观测资料的分析，3#坝段和25#坝段的观测点的水位与上游库水位同步，且扬压力数值大，扬压力折减系数值α ＞0.3，说明这两个坝段的灌浆帷幕效果大部分失效;5#、17#、23#坝段扬压力观测断面各测点的水位变化比库水位变化滞后25～28 d，且这些部位的扬压力数值小，扬压力折减系数α ＜0.3，说明这些坝段的基础灌浆帷幕还在起一定的作用。

1.2 本次补强帷幕灌浆和排水设计

通过对扬压力观测数据分析和扬压力系数及坝体稳定计算的结果，并借鉴原有的帷幕灌浆设计及其产生的效果，考虑灌浆帷幕及排水的共同作用，对葠窝水库坝基帷幕灌浆做如下设计:

1)防渗标准:透水率q ≤3 Lu;

2)扬压力折减系数α ≤0.3;

3)灌浆范围:整个坝基。原因是:

距上次帷幕灌浆已有20 a的时间，帷幕中的氧化钙可能析出，导致帷幕效果减弱。

4)葠窝水库管理局对河床段设有扬压力观测面的其余坝段进行了人工观测，发现孔内水位值高，扬压力值大。

5)帷幕中心线:坝轴线下游4.8 m(即原帷幕中心线)。

6)帷幕孔排数:单排孔。

7)孔距:岸坡坝段2#、3#、4#、24#、25#、26#、共6个坝段孔距为1.5 m;(考虑到设置了观测断面的3#和25#坝段出现了扬压力折减系数大于设计值0.3的情况，并且此两个坝段出现了拉应力，所以对这两个坝段的布孔加密，以加强帷幕灌浆的效果。

而2#、4#、24#、26#坝段虽然没有设置观测断面，但他们都是岸坡坝段，并且分别和3#、25#坝段相邻，所以不能确定这4个坝段的扬压力折减系数在允许范围内，而不出现拉应力，因此需要对这4个坝段的灌浆帷幕一并进行加强)。

8)其余坝段孔距设置为2 m。

9)孔深:1#坝段孔深为基岩下10 m;2#～30#坝段孔深为基岩下15 m;31#坝段孔深为基岩下8 m。

水库经过30 a以上的运行，排水孔孔内有泥沙沉淀，而且重新灌浆会堵塞原有的排水孔，使其不能达到正常的排水效果，因此需要对原有的排水孔进行重新钻孔冲洗工作。

葠窝水库布置了5个横向扬压力观测断面，无纵向观测项目，考虑葠窝水库是一大型的的病险水库，因此为全面监测大坝的坝体安全，及时发现坝基帷幕出现的问题，需要对坝基设置一纵向扬压力观测断面，每个坝段设一个观测点，共增加18个观测点。

2 对3#、25#坝段扬压力值偏高的原因分析

2011年葠窝水库进行了坝基帷幕补强灌浆工程，帷幕线设置于坝轴线下游4.8 m处，帷幕灌浆施工结束后，经检查质量全部合格，效果良好，有效的降低了坝基岩体的透水性，河床段扬压力全部符合设计要求(扬压力系数＜0.3)，但坝肩第3 坝段和第25 坝段经过灌浆前后扬压力观测，扬压力降低不明显，且灌浆后扬压力系数仍大于设计要求。

通过进行:①帷幕灌浆效果对3#、25#坝段扬压力值的影响分析;②坝基排水系统对对3#、25#坝段扬压力值的影响分析后，认为3#、25#坝段扬压力值偏高的主要影响因素不是坝基帷幕灌浆的效果和现有排水孔的减压排水效果，其主要影响因素之一应为左右岸坝肩的工程地质条件。

2.1 对3#坝段坝基扬压力偏高问题分析

根据已有资料绘制库水位与坝基扬压力孔观测水位历时曲线，见图1。曲线图显示出坝基扬压力观测孔水位并不随库水位的变化而变化，两者之间的相关性微弱，即说明坝基扬压力不是由库水产生，可能与右岸基岩裂隙水有一定关系。

图1 3#坝1 号扬压力孔观测水位与库水位历时曲线

在综合分析了3#坝段的渗流条件和断层导水性后，认为:

3#坝段坝基扬压力偏高与库水关系不大，主要受坝基NE 向断裂构造影响，具有导水性质的F26、F17、F6等断层将3#坝段坝基与右岸高处基岩裂隙水沟通，形成良好的渗流能道，在地下水渗流作用下，使3#坝段坝体产生了偏高的扬压力。

2.2 对25#坝段坝基扬压力偏高问题分析

25#坝段坝基扬压力偏问题与3#坝段类似。从库水位与坝基扬压力观测水位之间的关系图(图2)可见，两者之间基本没有直接的水力联系。

在综合分析后认为，造成25#坝段坝基扬压力偏高的原因是几条断层沟通了左岸山体高部位的地下水，使高部位基岩裂隙水汇集至断层带形成断层水，并沿断层破碎带向低部位渗流，受25#坝体阻水后，产生渗流压力，作用于坝体底面则产生向上的扬压力。

图2 25#坝1 号扬压力孔观测水位与库水位历时曲线

通过以上分析，初步判断:

1)单纯依靠灌浆帷幕不能有效改善3#、25#坝段不良坝基岩石地质条件下的扬压力值偏高问题。

2)在灌浆帷幕及排水的共同作用下，3#、25#坝段坝基扬压力总体呈下降趋势。排水对降低坝基扬压力起到了一定的作用。

3)3#坝段坝基扬压力偏高与库水关系不大，主要受坝基NE 向断裂构造影响，具有导水性质的F26、F17、F6等断层将3#坝段坝基与右岸高处基岩裂隙水沟通，形成良好的渗流能道，在地下水渗流作用下，使3#坝段坝体产生了偏高的扬压力。

4)造成25#坝段坝基扬压力偏高的原因是这几条断层沟通了左岸山体高部位的地下水，使高部位基岩裂隙水汇集至断层带形成断层水，并沿断层破碎带向低部位渗流，受25#坝体阻水后，产生渗流压力，作用于坝体底面则产生向上的扬压力。

3 增设排水孔设计

针对以上分析判断，设计提出用增打排水孔的方法降低两岸山体水的渗透压力。增设排水孔分别布置于第2#、第27#坝段灌浆廊道及第3#、第25#坝段观测廊道的横向廊道内。垂直孔与斜孔交替布置，根据岩层走向，斜孔与坝轴线夹角为15°，孔距2 m，孔深分别为:垂直孔入岩10 m、斜孔入岩20 m。左岸第2#坝段、第3#坝段布孔平面图及剖面图见图3、图4、图5。

第25#、27#坝段采用和2#、3#坝段同样的方法布设排水孔。