向家坝软弱破碎岩体渗控处理措施及实施效果评价

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向家坝水电站是金沙江中下游梯级电站的最后一级，上距溪洛渡电站坝址157 km，下距云南省水富县城区1.5 km、四川省宜宾市区33 km。坝址位于云南省水富县(右岸)和四川省宜宾县(左岸)的金沙江下游河段上，左右岸分别安装4台80万kW机组，装机规模仅次于三峡、溪洛渡水电站，为中国第三大水电站。

水电站坝址区地质条件复杂，坝基从左岸到右岸不同程度分布有以挤压带和挠曲核部破碎带为代表的不良地质体，因此其坝基渗控问题成为该工程的关键技术问题之一。

1 坝基挠曲核部破碎带及挤压带性状

1.1 坝基挠曲核部破碎带

坝址区主干地质构造为NW向的立煤湾膝状挠曲，从西北角的左岸立煤湾沟进入坝址区，延伸到东南角，斜贯坝址，长约2 km。该构造空间形态复杂，岩层向三面倾斜，且倾角变化较大，其剖面形态类似膝盖弯曲，轴面产状大致走向NW、倾向SW、倾角30°～40°。膝状挠曲核部的岩层陡倾带上游窄、下游宽。二期工程的泄水坝段座落在膝状挠曲核部的岩层陡倾带及其两侧的岩体上，右岸非溢流坝段位于膝状挠曲的SW翼，坝后厂房坝段和升船机坝段以及坝后厂房均位于膝状挠曲的NE翼。

由于受强烈挤压，在变形过程中挠曲核部岩层完整性遭到破坏，岩体破碎，形成“挠曲核部破碎带”。该破碎岩带的顶、底界面不规则且起伏大，致使其厚度变化很大，铅直厚度多在10～60 m，一般在30 m左右。

1.2 挤压带

挤压带主要是经构造挤压和地下水的作用而形成。该挤压带首先在一期基坑揭露，呈缓倾角带状分布于左岸上游引航道坡脚、一期基坑侧坡上，其走向20°～30°，倾向SE，即缓倾下游偏右岸，倾角15°～30°。向左延伸，分布在岸坡坝段下部，埋深逐步增大，在左非18坝段的坝基埋深达90 m。向右延伸至泄水坝段交于挠曲核部破碎带底面，越往右下游方向埋深越大。其在交汇部位的产状有所变化，走向45°～60°、倾向SE、倾角增大至30°～45°，挤压带中心的碎屑结构岩体厚度在2 m左右，局部有所增厚。左岸厚度变化大，最大厚度近10 m，最小厚度0.3 m，平均在1～4 m。主要由灰白色或浅灰色碎屑状结构砂岩组成，局部夹不规则的灰黑色炭泥质条带，以及疏松状的砂岩碎块，天然有围压条件下较密实。

表1 挠曲核部破碎带各类结构岩体的渗透变形试验成果

表2 挤压带原状样渗透变形试验成果

1.3 水文地质条件

坝址区基岩地下水属孔隙-裂隙水，坝址岩体透水率主要介于3～30 Lu之间，个别孔段透水率在60 Lu以上，属弱至中等透水，透水性受埋深、岩性、构造、风化卸荷等因素影响。岩体透水率随埋深逐步减小，但衰减较慢，坝基相对隔水层埋深大，坝基深度下200 m范围内无稳定的相对隔水层分布。

破碎夹层带渗透系数介于1.63×10-4～1.44×10-6cm/s，属于中等至微透水，随着组成物质中碎屑成分的增加，其渗透系数逐渐减小，但其水力破坏坡降也在随之降低。现场原状样的挠曲核部破碎带渗透变形试验成果见表1。

挤压带中心碎屑岩带的渗透系数为1.50×10-4～4.69×10-6cm/s，属于弱至微透水，与挠曲核部破碎带渗透性相似。现场原状样的挤压带渗透变形试验成果见表2。

2 渗控处理措施

2.1 基本原则及要求

根据向家坝坝基200 m深度无相对隔水层、岩体透水性较强的水文地质特性，以及尾水水位高、浮托力大的特点，防渗帷幕采用较深的悬挂式帷幕，设置主副排水孔，堵排结合的渗流控制措施，以减小渗流量、降低坝基扬压力，同时保证渗透稳定。

渗控处理措施旨在减少坝基和绕坝渗漏，防止其对坝基和两岸边坡稳定产生不利影响；防止破碎带、软弱岩带和夹层等在渗流作用下产生渗透破坏或过大渗透变形；控制坝基和下游抗力体扬压力。

2.2 开挖置换

开挖置换涉及部位和范围如下。

(1) 左非7～8坝段。左非7坝踵部位挤压带的埋深小，厚度大，对帷幕线所经区域及其上、下游影响范围(坝下0-006.3～0+017.5)采用洞挖置换混凝土进行处理，对左非8帷幕线的挤压带大部分进行洞挖置换，形成混凝土刺墙。

(2) 左岸河床坝段。包括冲沙孔～左非6共7个坝段，对该段水平建基面上出露的挤压带采取槽挖置换混凝土处理，上游沿挤压带下界面包括下盘影响带挖除破碎岩体，下游顺坝后坡按1∶0.3开挖；对分布在周边斜坡坝基的挤压带，则采取适当深度的槽挖清除浅表部已扰动或吸水松软的破碎岩体。左岸河床坝基部分挤压带基本挖除，对上游防渗帷幕没影响。

(3) 升船机坝段及厂房坝段。由于挤压带自左往右延伸至升船机坝段及厂房坝段，且厂房坝段坝踵分布的挤压带和软弱夹层性状较差，在坝基连续性好，对坝基深层抗滑稳定、防渗处理和变形不利，为此在坝踵开挖了大型齿槽，槽深25～37 m，底高程203～215 m，底宽20～25 m，上、下游侧坡坡比1∶0.6。经大齿槽开挖置换后，挤压带在该部位对上游渗控处理已基本不存在影响。

(4) 泄水坝段。将厂房坝段坝锺齿槽延伸至泄6坝段，同时沿挠曲核部破碎带轴线采取了开挖斜齿槽置换混凝土方案，齿槽贯穿泄水坝段坝基，延伸至右消力池，深37 m，底宽50 m左右。开挖后，挠曲核部破碎带大部分被挖除。泄4～泄8坝段因挠曲核部破碎带仍出露于建基面或埋藏较浅，采用坝基下防渗墙方案。

2.3 防渗墙设计

(1) 防渗墙设置范围。坝基防渗的可靠性对本工程至关重要，泄4～8坝段采用混凝土防渗墙作为坝基挠曲核部破碎带防渗处理的方案，防渗墙总长88 m，最大深度62 m，总平面面积3 430 m2。

根据开挖揭露情况，泄4以左坝段坝踵齿槽已将包括挤压带、挠曲核部破碎带为代表的地质缺陷全部挖除或截断，齿槽底部座落在Ⅲ类岩体上，其防渗处理采用常规帷幕灌浆；泄4～6坝踵齿槽底部高程为203.00 m，其下部尚存有最大深度达60 m的挠曲核部破碎带；泄7～8坝段坝踵高程抬高至240.00 m，建基岩体为Ⅱ～Ⅲ1类，其厚度基本在35 m以上，挠曲核部破碎带下伏在Ⅱ～Ⅲ1类岩体以下，且越往右岸，破碎带厚度越薄，埋藏越深；泄8中线挠曲核部破碎带埋深已达40 m，可采用常规复合灌浆进行处理。

根据坝基廊道总体布置，泄4～6坝段齿槽混凝土内高程210.00 m、桩号0-22 m设有4 m×4 m(宽×高，下同)帷幕灌浆廊道，泄7～8坝段在坝体高程245.00 m、桩号0-22 m设有4 m×4 m帷幕灌浆廊道。为方便防渗墙施工并尽量减小防渗墙穿过Ⅱ～Ⅲ1类岩体的厚度，在泄7～8坝段坝基高程210.000、桩号0-22 m设置防渗墙施工隧洞，以使泄4～8坝段坝基隧洞防渗墙与坝轴线平行。按照坝基渗控系统总体布置，在泄4～8中线防渗帷幕穿过Ⅳ～Ⅴ类挠曲核部破碎带部位，采用塑性混凝土防渗墙代替第1、2排帷幕，防渗墙厚1.2 m，墙底进入Ⅲ2类岩体至少2 m。

(2) 混凝土防渗墙设计指标。抗压强度3～5 MPa、模强比500、渗透系数不大于10～8 cm/s。

(3) 防渗墙与大坝接头型式。防渗墙顶部伸入坝体导槽1.3 m，接头顶部和上、下游侧与坝体之间均设有铜片止水，并设置闭孔泡沫板作为弹性变形空间。防渗墙接头顶部、上游侧、下游侧闭孔泡沫板厚分别为10，3，5 cm。

(4) 防渗墙与帷幕的衔接。防渗帷幕采用3排同深孔，排距1.5 m，孔距2 m，孔底高程均为90.00 m。在泄4～泄8坝段防渗帷幕穿过Ⅳ～Ⅴ类挠曲核部破碎带部位，采用塑性混凝土防渗墙代替第1、2排帷幕灌浆，防渗墙厚1.2 m，墙底进入Ⅲ2类岩体至少2 m。第1、2排帷幕孔在防渗墙内埋管施工，重点对防渗墙与基岩的接触面及以下岩体进行帷幕灌浆；第3排帷幕孔对防渗墙下游经冲击扰动的Ⅳ～Ⅴ类挠曲核部破碎带及以下岩体进行灌浆。

2.4 防渗帷幕

(1) 坝基上游帷幕。坝基相对隔水层埋藏较深且变化较大，采用悬挂式帷幕进行防渗。厂房坝段和左泄水坝段的坝基上游开挖了坝踵深齿槽，帷幕廊道下至齿槽底部，廊道底板高程210.00 m，向左逐渐爬升至高程227.00 m与左岸一期工程上游帷幕廊道衔接，向右通过竖井与右泄水坝段高程245.00 m的上游帷幕廊道连接。坝左岸山体防渗帷幕长度根据三维渗流分析成果确定，从左岸坝头延伸至山体内330 m。防渗线路考虑到避开左岸T33岩体存在煤层采空区，防渗帷幕向上游折转。对于坝右岸山体，综合考虑钻孔深度、坝基开挖形状和便于与右岸地下厂房帷幕相衔接，设置搭接帷幕分别与右岸地下厂房防渗帷幕连接。

根据帷幕所承受的水头，河床坝段上游主帷幕采用3排孔布置，两岸常规防渗主帷幕采用2排孔布置，即一期大坝左非9坝段～冲沙孔坝段，二期大坝航运～右非7坝段的所有坝段坝基均平行布置3排帷幕孔。一期大坝上游帷幕中间排为主帷幕孔，孔深为0.7倍上游水深，前排孔约为0.7倍主帷幕孔深，后排孔约为0.5倍主帷幕孔深；二期大坝考虑到坝基存在尚未完全挖除的挠曲破碎带，上游帷幕上游排和中间排均为主帷幕孔，孔深均至设计幕底，下游排作为副帷幕孔，孔深约为主帷幕孔深的0.5倍。一期大坝左非10坝段～左坝头高程384 m灌浆平洞、二期大坝右非8坝段～右坝头灌浆平洞平行布置2排帷幕孔，上游排为主帷幕孔，下游排为副帷幕孔，孔深约为主帷幕孔深的0.7倍。另外，考虑对分布在上游防渗线路的左岸岸坡坝段下覆的挤压带、右泄水坝段下覆的挠曲核部破碎带进行加强处理，适当加深左岸岸坡坝段左非13～左坝头高程384 m灌浆平洞深150 m范围内的上游帷幕副帷幕孔的深度，以确保有2排帷幕孔穿过挤压带；对于右泄水坝段下覆的挠曲核部破碎带，则加深了泄7～13坝段上游帷幕第3排孔的深度，以确保有3排帷幕孔穿过挠曲核部破碎带。

(2) 坝基防渗复合灌浆。根据渗流分析成果、结合坝基开挖揭露的地质条件并适当考虑现场帷幕灌浆施工现状，在现场常规水泥(包括湿磨细水泥)灌浆效果不理想的情况下，在以下部位设置了化学灌浆，选用CW环氧树脂灌浆材料：①左非9～12坝段坝基上游帷幕穿过挤压带范围；②泄8坝段中线～泄13坝段坝基上游帷幕穿过挠曲破碎带上分支范围；③泄6坝基防渗墙底部、泄7～8坝段中线坝基上游帷幕穿过挠曲破碎带下分支范围。

3 渗控措施效果检验

3.1 典型坝段坝基扬压力监测

2012年10月10日,导流底孔下闸,水库开始蓄水;10月16日下午,坝前水位蓄至高程353 m，10月23日,监测数据基本稳定。

冲沙孔坝段基岩面共布置有9支渗压计，以该坝段作为典型坝段,对渗压计监测的数据进行了分析。分析结果表明，冲沙孔坝段坝基面实测扬压力均小于按规范计算的扬压力，且有较大的安全裕度。

3.2 大坝及坝基应力、变形监测

(1) 坝基应力。为了监测在坝基布置了压应力计。监测分析结果表明，坝基应力均处于受压状态，蓄水后坝基应力变化较小，压应力均有不同程度增大，典型坝段最大增加值为0.25 MPa，坝基面总体应力水平较低。

(2) 深齿槽部位坝基深部软弱夹层的相对位移。泄4，6，10坝段均采用倒垂孔进行深部水平位移监测。监测成果表明，泄4、6坝段坝基深部软弱夹层可能存在相对位移情况，但位移量值不大，均在5 mm以内。各坝段垂线数据显示在蓄水至354 m高程后，变形趋于稳定。

(3) 深齿槽高程210 m廊道不均匀沉降。自蓄水以来，210 m廊道垂直位移变形量随库水位的上升而变化，总体变形幅度不大，库水位蓄至高程354 m后变形趋于稳定。至11月10日，航1～泄6坝段坝轴线附近的各测点均为沉降变形趋势，测点累计沉降量在1.01～1.61 mm之间，各相邻坝段不均匀沉降均在0.2 mm以内，未发生不均匀沉降。下游侧0+132.000廊道附近测点累计沉降量在-0.72～-0.45 mm之间，变形较小，各相邻坝段不均匀沉降均很小。坝基总体呈略向上游倾斜，但量值很小。

(4) 坝体高程243～245 m基础廊道不均匀沉降。高程243 m纵向排水廊道测点均呈现沉降趋势，其中泄12以右坝段沉降在0.5 mm以内，泄12以左至航运坝段沉降量随库水位的上升而变化，库水位蓄至高程354 m后变形趋于稳定。第2排纵向排水廊道和下游廊道垂直位移也随库水位的上升而变化，但变幅相对较小。至11月10日，高程243 m纵向排水廊道测点垂直位移累计变化在-0.14～1.17 mm之间，第2排纵向排水廊道和下游廊道垂直位移累计变化分别在0.11～0.93 mm，-0.51～0.34 mm之间，各相邻坝段不均匀沉降均在0.5 mm以内，未发生不均匀沉降。

4 实施效果综合评价

2012年10月10日，导流底孔下闸水库开始蓄水，10月16日下午坝前水位蓄至高程353 m，向家坝水电站大坝上游一线渗控工程经受住了初期蓄水考验。监测资料显示出如下结果。

(1) 坝基扬压力。河床坝段坝基扬压力水平均较低，其中左泄水坝段和厂房坝段由于深齿槽的存在形成了较强的"漏斗"效应，坝基扬压力远低于按规范计算的扬压力。

(2) 坝基应力。坝基应力均为压应力，总体应力水平较低，蓄水后坝基应力变化较小，压应力有不同程度加大，最大增加为0.25 MPa。

(3) 坝基及坝体变形。泄水坝段坝基深部软弱夹层存在相对位移的可能，但位移量值不大，均在5 mm以内；各坝段垂线数据显示，在蓄水至354 m高程后变形趋于稳定；各坝段未见不均匀沉降情况。

因此，在经过一系列针对软弱破碎岩体的渗控工程处理措施后，坝基上游一线防渗体系经受了工程蓄水及运行检验。为确保软弱破碎岩体在长期运行过程中的渗透稳定，仍需加强对监测资料的整理和分析，发现问题及时处理。