探析盘石头水库鸡冠山防渗帷幕设计要点

于 军

(河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450000)



探析盘石头水库鸡冠山防渗帷幕设计要点

于 军

(河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450000)

盘石头水库以防洪、工业及城市生活供水为主，兼顾农田灌溉、结合发电、养殖等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。由于在右岸鸡冠山单薄山体中存在多条与泄洪洞大角度相交的断层，渗透/排泄条件发育，泄洪洞排水孔水流部分呈射流状态，流速高，冲击洞壁发出巨大声响，渗漏问题严重。文章结合盘石头水库工程项目案例，针对水库坝区的防渗处理进行阐述，介绍了防渗帷幕设计要点，以期为类似工程设计提供参考借鉴。

盘石头水库；防渗设计；生产性灌浆试验；防渗；设计

1 工程基本情况

盘石头水库位于鹤壁市西南约15km的卫河支流淇河中游盘石头村附近。该水库《海河流域综合规划》选定的以防洪、工业及城市生活供水为主，兼顾农田灌溉、结合发电、养殖等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。

2 工程现状及存在问题

盘石头水库工程于1999年底开工兴建，目前主体工程已经完成，水库于2004年2月完成蓄水安全鉴定，并于2007年6月底下闸蓄水。水库下闸蓄水8年多来的工程观测资料分析成果表明，坝基及左岸渗漏情况基本正常，而由于在右岸鸡冠山单薄山体中存在多条与泄洪洞大角度相交的断层，渗透/排泄条件发育，泄洪洞排水孔水流部分呈射流状态，流速高，冲击洞壁发出巨大声响，渗漏问题严重。

根据实测渗流量资料，当库水位为239.03m时，水库地表渗流量达到0.403m3/s，考虑地下潜流后及临谷渗流等因素，水库总渗流量可达0.806m3/s，水库年渗漏量为2541.8万m3；若库水位达到设计正常蓄水位254.0m，推测水库年渗漏量将为3216.67万m3，水库达到中等渗漏程度。如不处理，随着蓄水位抬高，将导致右岸单薄山体及泄洪洞渗流量加大，并造成右岸泄洪洞所承受的外水压力超过设计值。经检测，两条泄洪洞衬砌已出现裂缝千余条，部分裂缝钢筋截面积锈蚀率达22.56%～27.75%，结构安全性降低。

为保证水库的安全运行和防洪、供水等正常功能的发挥，对右岸鸡冠山进行渗漏处理及对泄洪洞进行加固是十分必要和迫切的。

3 本工程地质条件

1)鸡冠山山形单薄陡峭，位于坝址区右坝肩。出露地层为寒武系中、下统地层，上第三系地层及第四系冲积、冲洪积、坡崩积层，其中∈2地层分布在高程270～300m以上；∈1地层多分布在高程46～300m之间，其中下部地层埋藏于地下；第三系仅零星出露；第四系分布于河谷及两岸冲沟、山坡。

2)鸡冠山位于马鞍山背斜东翼。区内构造形态以断裂为主，一般为NE向高倾角正断层，同时节理及风化卸荷裂隙较发育。岩层产状平缓。

3)场区属区域构造稳定性较好的地段，地震动峰加速度值为0.15g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

4)场区的灰岩、泥质灰岩和泥灰岩不同程度的发育有溶蚀现象，多表现为溶缝、溶孔，岩溶发育受构造和岩性控制作用明显。

5)场区地下水可分为基岩层间岩溶裂隙潜水及第四系潜水两种类型。基岩裂隙潜水、河水、第四系孔隙潜水对混凝土无侵蚀性，对混凝土中钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

4 鸡冠山防渗帷幕设计

4.1 防渗帷幕布置

右岸鸡冠山单薄分水岭渗漏处理采用封闭式防渗帷幕，幕底伸入基岩相对隔水层，以截断渗流通道。帷幕起点桩号为0+000，位于盘石头水库右坝头，大坝桩号0+633.53，起点和右岸岸幕相接；为加强新老帷幕连接，确保岸幕防渗效果，本次帷幕起点沿右岸岸幕大坝方向延伸幕线，增加布置双排帷幕，共计15个灌浆孔，幕底深度按本次设计伸入相对隔水层。

帷幕终点设置：①根据工程地质对鸡冠山渗漏问题评价及建议，鸡冠山渗漏断层带影响范围至F7断层，“F7断层至东南雄厚山体50m范围为断层上盘影响带，多为灰岩脆性岩体，断层、节理裂隙发育，为减少水库渗漏量，需进行防渗处理”；②根据地形条件，帷幕轴线与F7断层呈150o交叉，由于该断层最大宽度达20m，帷幕范围如需完全覆盖断层，终点需向南延伸60m。根据地形、地质条件综合分析，为覆盖鸡冠山F7以北断层带并切断该断层以南影响带，设计帷幕终点位于F7断层以南约60m，桩号1+026，可有效截断区间渗漏途径。

鸡冠山防渗帷幕设计为前后两排，排距1.5m，断层带及渗漏严重地段加强灌浆，帷幕加密至三排。帷幕桩号0+000～0+450沿现有通往1#、2#泄洪洞278m高程道路布置，278m道路作为灌浆平台；278m道路以南根据现有地形修建临时施工道路作为帷幕桩号0+450～1+026灌浆平台，路面高程278m～264m，后期为永久管理道路，道路净宽4.5m，终点在穿越F7断层后向南约60m结束。灌浆孔距参照右岸岸幕灌浆，并考虑坝区断层裂隙产状陡倾角特点，帷幕孔距按1.5m布置。防渗帷幕施工应按轻重缓急分段实施，首先封堵地质断层带，由施工地质确认本区渗漏途径与断层的关系，根据防渗效果进一步优化或加强防渗工程布置。

4.2 帷幕厚度、钻孔排数和深度

4.2.1 帷幕厚度及钻孔排数

1)帷幕的厚度主要是根据工程地质条件，帷幕允许的水力坡降，基岩的防渗标准和幕体本身的密实性、稳定性而决定的。

帷幕厚度可按《大坝基岩灌浆》中的下列公式进行计算：

T=(δ/Ia)H

(1)

式中：T为帷幕厚度，m；δ为通过帷幕的水头衰减系数(δ=帷幕前后的水头差/水头)，设计取值为1；Ia为幕体内(即帷幕前后)的允许水力坡降，根据幕体透水性按≤3lu控制，允许水力坡降Ia取15；H为水头，m，=正常蓄水位254m-泄洪洞进口洞口顶部高程224.3m=29.7m

经计算，帷幕厚度T为1.98m，设计取2m。

2)帷幕幕厚与孔距的关系可按下列公式进行计算：

T=D(tan300+(N-1)sin600)，

即T=(0.87N-0.29)D

(2)

式中：D为帷幕孔间距，m，设计取1.5m；N为帷幕钻孔的排数；即一排钻孔帷幕厚度T1=0.58D=0.87m，二排钻孔帷幕厚度T2=1.45D=2.175m，三排钻孔帷幕厚度T3=2.32D=3.48m。

由此可见帷幕钻孔设两排时，其幕厚2.175m大于计算厚度2m，满足要求。

3)根据以上计算分析并结合国内工程实践，盘石头水库右岸鸡冠山单薄分水岭岩石破碎、节理裂隙发育、透水性大，为保证帷幕的密实性，减少渗透性，使岩石透水率达到3lu以内，需设置二排防渗帷幕。

4.2.2 帷幕深度

1)帷幕幕底：防渗帷幕以截断横穿鸡冠山单薄分水岭主要渗漏通道为目的，帷幕深度取决于地层岩性的透水性，根据地层结构和地质勘探资料，鸡冠山围岩相对隔水层为∈页岩层及3lu线，高程170.00～214.20m，帷幕底界按接入∈111页岩层和入3lu线5m控制(取深度较大者)，断层带超出3lu线部分(如F7断层)结合相关工程经验帷幕底界按进入主河槽基岩高程以下0.3倍水头深度控制。

2)帷幕幕顶：盘石头水库正常蓄水位为254m，2000a一遇校核洪水位275.0m，考虑到1#、2#泄洪洞均在278m道路以北，为保证鸡冠山围岩防渗效果，拟定278m道路灌浆平台(桩号0+000～0+450)帷幕顶按高出2000a一遇设计洪水位控制，设计取275m；278m道路以南灌浆平台(桩号0+450～1+026)帷幕顶按高出正常蓄水位6m控制，设计取260m。帷幕顶至灌浆平台钻孔采用自重压力灌浆，以封堵孔周裂隙，减少跑漏浆；同时为保证灌浆效果，帷幕顶以上设≥3m厚基岩盖重，防止岩石表面漏浆，提高灌浆质量，278m道路以南灌浆平台设计高程在264m以上。

3)帷幕深度：根据防渗帷幕布置，帷幕桩号0+000～0+450灌浆平台为278m高程现有道路，帷幕灌浆深度一般为87～132m；帷幕桩号0+450～1+026灌浆平台为新修建278～264m高程施工道路，帷幕灌浆深度一般为75～117m，F7断层部位帷幕最大深度117m。

防渗帷幕实施前，需结合部分先导孔实际地质资料和压水试验结果，修正完善防渗帷幕地质剖面，增加风化分带界线和渗透性分带等内容，并以此为依据，对防渗剖面帷幕底部高程进行调整。

4.3 帷幕穿越1#、2#泄洪洞设计

鸡冠山防渗帷幕在桩号0+295.3、0+436.2分别与1#、2#泄洪洞交叉，交叉处帷幕设计底高程分别为187m、186.8m。为防止帷幕击穿泄洪洞，帷幕底边界控制在顶拱以上2m，直墙外侧帷幕距衬砌边按≥2m控制，同时灌浆压力≤1MPa。

为确保1、2#泄洪洞洞顶帷幕可靠封闭，洞内顶拱应实施加强固结灌浆处理，固接深度入基岩7m，同帷幕重合5m，同时在不影响衬砌安全前提下适当加大固结灌浆压力，确保灌浆效果。洞底以下防渗帷幕，1#洞采用洞内钻孔灌浆方法实施，若困难较大，也可采用斜孔灌浆法；2#泄洪洞，由于导流洞封堵已实施灌浆，且洞身围岩处于相对隔水层，仅需对龙抬头洞顶以上围岩灌浆。

5 生产性灌浆试验

鸡冠山防渗帷幕实施前应先进行生产性灌浆试验，根据岩石破碎程度及试验结果，确定灌浆工艺及相关参数。

5.1 防渗帷幕生产试验布置

根据工程建筑物布置及地质条件，在鸡冠山主帷幕区域附近选取非断层带和断层带作为代表性试验段。

1)二排帷幕灌浆生产试验选择在非断层地段，如F117与F148断层之间，沿现有通往1#、2#泄洪洞278m道路布置，278m道路作为灌浆平台。二排帷幕孔，单排9孔，计18个灌浆孔，排距1.5m，孔距1.5m。孔位布置见二排帷幕灌浆孔孔位布置图。

图1 二排帷幕灌浆孔孔位布置图

2)三排帷幕灌浆生产试验段，选择在断层地段，如F7断层，桩号0+931.5～0+996，沿278m道路以南修建临时施工道路，作为灌浆平台。三排帷幕孔，单排9孔，三排计27个灌浆孔。孔位布置见三排帷幕灌浆孔孔位布置图。

图2 三排帷幕灌浆孔孔位布置图

5.2 试验目的

帷幕灌浆生产性试验包括对钻孔、灌浆孔布置方式(排距、孔距)、孔深、压水、灌浆分段、灌浆压力等有关参数、材料、设备性能及施工工艺措施等内容可行性作验证性试验，取得钻孔、灌浆孔布置方式、孔深、压水、灌浆分段、灌浆压力等有关参数的可行性及检查灌浆效果，整理、分析各序孔和检查孔的单位吸水率、单位耗灰量等试验资料及经验。

[1]肖东旭.帷幕灌浆施工工艺与质量控制分析[J].黑龙江水利科技，2015(02)：13.

[2]邱一柳.中小型水库主坝帷幕灌浆施工技术探析[J].科技展望，2015(06)：49.

[3]罗崇霄.帷幕灌浆在水库中的应用[J].中国建材科技，2012(01)：68.

TV543

B

1007-7596(2016)08-0069-02

2016-06-18

范博(1983-)，男，辽宁辽阳人，工程师，从事水文测验、水文基础设施建设等工作。