乌东德水电站大坝防渗帷幕成幕影响地质因素分析及处理措施

2018-10-09向家菠王团乐倪凯军宛良朋

吉林大学学报（地球科学版） 2018年5期

关键词：角砾岩亚段落雪

向家菠，王团乐，倪凯军，宛良朋，施炎，胡巍

1.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，武汉 430074 2.中国三峡建设管理有限公司，成都 610041

0 引言

随着我国西南地区水电工程高坝建设的不断发展，防渗帷幕作为解决水库渗漏问题的主要工程手段得到了广的泛应用，并呈现出规模大、水头高、地质条件复杂等特点。

大坝防渗帷幕为地下隐蔽工程，其有效成幕将直接关系到水库蓄水后工程的安全运行；而岩石作为帷幕灌浆浆液的载体，其属性将对帷幕的灌浆效果产生很大影响。此外，史顺华等[1]指出地质条件分析不足也将给整个灌浆工程施工带来很多不确定性情况。

目前，对防渗帷幕地质条件的关注一般主要集中于勘测设计阶段帷幕线路的选择上。在帷幕施工过程中，如何结合施工情况及地质条件分析影响成幕的地质因素，从而对帷幕的成幕质量进行可靠的控制、对施工过程中的异常情况进行有效的处理，这是目前防渗帷幕施工过程中面临的难题之一[2]。

乌东德水电站枢纽工程主体建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成。挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝顶高程988 m，最大坝高270 m；电站总装机容量10 200 MW[3]。

大坝左右岸防渗帷幕起点接大坝拱肩，沿大坝基础廊道向两岸平行主厂房展布，底高程630 m，顶高程988 m，主帷幕防渗线路全长约1 865 m，总面积约39.6万m2(图1)[3]。

1.黑山组；2.落雪组第十段；3.落雪组第九段；4.落雪组第八段；5.落雪组第七段；6.落雪组第六段；7.落雪组第五段；8.落雪组第四段；9.落雪组第三段第五亚段；10.落雪组第三段第四亚段；11.落雪组第三段第三亚段；12.落雪组第三段第二亚段；13.落雪组第三段第一亚段；14.落雪组第二段第三亚段；15.落雪组第二段第二亚段；16.落雪组第二段第一亚段；17.落雪组第一段第三亚段；18.落雪组第一段第二亚段；19.落雪组第一段第一亚段；20.因民组上段第一亚段；21.地层界线；22.断层及编号；23.主要建筑物轮廓；24.主帷幕线。图1 乌东德水电站大坝防渗帷幕布置图Fig.1 Layout of dams anti-seepage grouting curtain of Wudongde hydropower station

左岸大坝防渗帷幕端点接落雪组第二段第一亚段(Pt2l2-1)相对隔水层，右岸大坝防渗帷幕端点接因民组上段第一亚段(Pt2y2-1)相对隔水层，防渗帷幕下限近岸段按岩体透水率<1 Lu控制，地下厂房山内侧远岩体按透水率<3 Lu控制。两岸防渗帷幕采用分层搭接的形式连接，利用两岸沿帷幕线各布置6层灌浆平洞进行灌浆，总长6 726.73 m。

1 基本地质条件

乌东德水电站大坝所处河段属中山峡谷地貌，两岸地形陡峻，河谷呈狭窄的“V”型，两岸谷坡基本对称。高程1 050～1 200 m，谷坡相对开阔，岸坡陡缓相间；高程1 050～1 200 m，河谷狭窄，岸坡陡峻。金沙江河床高程800～805 m，枯水期水面高程815～820 m。

坝址区地层主要由中元古界会理群褶皱基底浅变质岩及震旦系和上古生界二叠系盖层沉积岩构成，褶皱基底与上覆盖层呈角度不整合接触。大坝防渗帷幕穿越地层为因民组上段第一亚段至落雪组第三段第二亚段(Pt2y2-1—Pt2l3-2)，岩性为极薄—中厚层大理岩化白云岩，薄层、中厚层夹厚层灰岩，互层—中厚层大理岩，薄层—中厚层白云岩等。岩层总体倾向下游，倾向一般160°～180°，局部反倾，岩体整体呈微风化—新鲜状。

断层总体不发育，防渗帷幕段主要发育3条断层：F15(雷家湾沟断层)、F14(白沟断层)及F42。断层带宽0.15～2.00 m，构造岩为角砾岩或碎裂岩，局部为断层泥。

岩体裂隙总体不发育。因民组上段第一亚段、落雪组第一段第三亚段、落雪组第二段(Pt2l2)的灰岩及大理岩化白云岩地层中长大裂隙不发育，但微裂隙较发育；落雪组第三段(Pt2l3)的灰岩地层中裂隙亦不甚发育，长大裂隙以层面为主，微裂隙不发育。

坝址区岩溶总体不发育，岩溶主要发育于灰岩地层中，岩溶形态主要为溶洞(孔)和溶缝。

金沙江为最低排泄基准面，两岸山体侧向补给的远程地下水以裂隙水的形式向金沙江排泄，近岸大气降水入渗形成地下水在包气带段主要表现为垂直运移，当到达潜水带时表现为近水平向金沙江排泄[4]。

2 大坝帷幕成幕影响主要地质因素

2.1 岩溶现象发育特征及规律

1)可溶岩与非可溶岩分布

根据坝址区地层中岩石的可溶性、岩体结构特征(含层间充填物特征)及岩组厚度等，可将坝址区岩组可溶性分为4类：中等岩溶化岩组、弱岩溶化岩组、微岩溶化岩组及非可溶岩组。

防渗帷幕区地层主要为浅变质碳酸盐岩，中等岩溶化岩组为Pt2l1-1、Pt2l1-3、Pt2l3-1；弱岩溶化岩组为Pt2l3-2；微岩溶化岩组为Pt2l2、Pt2y2-1；不涉及非可溶岩组(图2)。

1.落雪组第二段；2.因民组上段第二亚段；3.因民组上段第三亚段；4.地层界线；5.断层及编号和倾角；6.中等岩溶化岩组；7.弱岩溶化岩组；8.微岩溶化岩组；9.非可溶岩组；10.主帷幕线。图中其余地层代号同图1图例。图2 乌东德水电站坝址区可溶岩与非可溶岩分布图Fig.2 Distribution of soluble and non-soluble rocks in dam site area of Wudongde hydropower station

2)防渗帷幕区岩溶发育特征及规律

岩溶主要发育层位为中等岩溶化岩组Pt2l1-1、Pt2l3-1灰岩地层中，岩溶形态主要为小溶洞(孔)和溶缝，表现为垂直顺层溶蚀与局部溶洞(缝)集中发育的特征。溶蚀发育规律为高程800 m以上局部发育顺层垂向溶洞(孔)及溶缝，高程780～800 m局部见近水平向展布的溶孔及溶缝，高程780 m以下岩溶不发育。

2.2 帷幕区揭示断层分布及性状

左岸帷幕线穿越的断层为F15。右岸帷幕线穿越的断层为F14及F42。在不同高程其性状存在一定差异，总体上表现为高高程较低高程处性状差，且断面多附泥质或充填碎屑夹泥(表1)。

2.3 角砾岩的分布特征及性状

坝址区角砾岩分布较少，主要受地层及岩性影响，其主要分布在前震旦系会理群落雪组第三段第一亚段—落雪组第三段第三亚段(Pt2l3-1—Pt2l3-3)灰岩地层中且多沿岩性界线发育。角砾成分与围岩

表1 研究区帷幕区断层分布及性状

相同，主要为灰岩、大理岩化白云岩或白云岩，方解石胶结为主，部分钙质胶结；角砾大小不等，直径一般几cm，大者可达1 m左右，多呈棱角状—次棱角状，多混杂排列，无定向痕迹(图3)。

1.落雪组第二段；2.地层界线；3.断层及编号；4.溶洞及编号；5.角砾岩及类型和倾角；6.主帷幕线。图中其余地层代号同图1图例。图3 研究区850 m高程角砾岩分布图Fig.3 Distribution of breccia on 850 m elevation at the dam site area in the study area

角砾岩根据性状可分为两类，A类角砾岩和B类角砾岩。A类角砾岩：角砾多呈微风化—新鲜状，多呈块石状或大块石状，角砾体积分数一般达60%以上，其间多呈接触式胶结，方解石充填于块石之间，胶结紧密；B类角砾岩：角砾呈弱风化—微风化状，多呈碎石状或块石状，方解石多呈基底式胶结，包裹角砾，胶结一般紧密—较紧密，方解石中局部可见溶蚀小孔洞。

大坝帷幕范围内角砾岩主要分布于Pt2l3-1与Pt2l3-2分界处及Pt2l3-1与Pt2l2-3分界处临Pt2l3-1灰岩地层中。角砾岩多呈囊状形态嵌于围岩内，与周边正常岩体一般没有明显的接触面，接触关系似“熔融接触”。

2.4 长大结构面分布及特征

防渗帷幕区揭示长大结构面主要分布于Pt2l3灰岩地层中，Pt2l1-3灰岩及Pt2l2大理岩化白云岩地层中次之，Pt2y2-1大理岩化白云岩地层未揭示。整体陡倾，少量缓倾，主要分为溶蚀裂隙及裂隙性断层两类。

溶蚀裂隙主要为原生结构面受风化作用而形成，表现为沿结构面的溶蚀，并常见沿结构面的溶蚀次生充填现象，多见岩屑夹泥或沿裂面附泥钙质。裂隙性断层构造岩为碎裂岩或角砾岩，局部沿断面见溶蚀现象，断层周侧岩体完整性较差。

2.5 岩层走向与帷幕走向大角度相交

左岸防渗帷幕厂房上游侧垂直岸坡布置，走向30°～60°，山内侧顺江向布置，走向124°；右岸主帷幕线方向为大致以319°方向延伸60 m后，折转250°方向，向山里延伸232 m后向上游以310°方向延伸。岩层总体倾向下游，倾向一般160°～180°，局部反倾，倾向340°～20°，倾角65°～85°。层面走面与帷幕走向整体呈小角度相交，局部段呈大角度相交，主要分布于右岸(表2)[5]。

3 防渗帷幕成幕影响地质因素分析及处理措施

3.1 岩溶对成幕影响

根据沿帷幕线在两岸各布置6层灌浆平洞揭示岩溶发育情况，帷幕段发育溶洞(孔)、溶缝共21处，规模均较小。溶洞多无充填，部分充填岩屑、粉土及泥质，洞壁见酸不溶物；溶孔孔径较小，孔壁多附方解石；溶缝多无充填，缝壁局部见泥钙质，两侧岩体溶蚀风化，完整性较差[6-7]。

表2研究区右岸岩层走向与帷幕走向大角度相交分布

Table2Rightbankdistributionoflargeintersectionanglebetweenthecurtainandterranestrikeinthestudyarea

高程/m帷幕桩号夹角9880—0+97.5065°～85°0+260.09—0+471.4055°～70°9450+36.63—0+115.2349°～82°0+385.23—0+485.2375°0+648.23—0+816.2355°～68°8950+46.70—0+126.0059°～72°0+396.00—0+496.0060°～75°0+659.00—0+774.0052°～58°8500+62.15—0+108.4054°～90°0+418.60—0+518.6065°～90°0+681.60—0+713.8250°～75°7800+101.79—0+173.0156°～82°0+451.09—0+510.545°～75°

岩溶发育部位进行灌浆时，由于溶洞(孔)、溶缝的形状、大小、充填物以及其连通性存在差异，从而影响成幕效果及帷幕幕体的堵水性能。为此，对已揭示和施工过程中揭示的溶洞(孔)、溶缝，应进一步查明岩溶类型、规模、渗流以及充填情况。当无充填物时，根据溶洞和溶缝的大小和地下水的活动程度，采取高压、待凝等处理措施；当充填物为岩屑等可灌性较好的物质，可采用分级升压灌注；当充填粉土及泥质，应进行高压冲洗后，采用高压灌浆处理；此外，如溶洞及溶缝内涌水时，根据涌水量的大小、方向，应采用排水、引流措施。

3.2 断层对成幕影响

断层分布段岩体透水性相对较好，在帷幕灌浆过程中，裂隙一般能得到较好的充填；但帷幕段穿越断层断面多附泥质或充填碎屑夹泥，充填物对浆液存在一定的阻隔作用，从而可能出现局部成幕效果差的情况。

防渗帷幕灌浆过程中，应针对性地布置试验区或先导孔，辅以物探手段，进一步查明断层的性状，对灌浆参数进行优化，采取专门的处理措施[8]。同时由于断层及其影响带具有一定的透水性和连通性，在断层附近相邻钻孔同时施工的情况下，两孔间易发生串浆事故，因此在灌浆过程中应制定并严格遵守相关操作规程，避免事故的发生。

3.3 角砾岩对成幕影响

角砾岩分布段：A类角砾岩岩体性状较好，对大坝防渗帷幕成幕基本无影响；B类角砾岩多呈囊状形态嵌于围岩内，多见溶蚀风化。帷幕灌浆过程中可能存在灌浆不充分而在帷幕运行时形成小的渗漏通道，存在安全隐患。因此，在帷幕灌浆中，对已揭示或帷幕灌浆施工过程中遇到的B类角砾岩，利用先导孔，辅以物探、压水试验等手段进一步查明其分布范围及特征，采取针对性处理措施，并在灌浆完成后加强灌浆检查。

3.4 长大结构面对成幕影响

长大结构面发育部位在防渗帷幕注浆施工过程中，浆液在机械压力及自身重力的作用下，沿裂隙运移，逐渐充填导浆性较好的部位，形成幕体。根据大坝防渗帷幕各层灌浆平洞揭示，帷幕区揭示长大结构面98条，大部分与大坝防渗帷幕线呈中—大角度相交，部分小角度相交，结构面性状差别较大(表3)。

表3研究区帷幕区长大结构面统计表

Table3Statisticaltableoflargestructuralplaneatthecurtainareainthestudyarea

与帷幕轴线夹角裂隙条数频率/%0°～10°77.1411°～20°99.1821°～30°1616.3331°～40°1414.2941°～50°1212.2451°～60°1010.2061°～70°1616.3371°～80°55.1081°～90°99.18

灌浆过程中，受与帷幕夹角及结构面性状等因素影响，成幕效果存在一定差异，主要表现为：

1)当裂隙面基本无充填，局部张开，裂隙走向与帷幕线小角度相交时，此类裂隙在灌浆高压力情况下，裂隙进一步张开，灌浆过程中裂隙得到了较好的充填，扩散范围大，成幕效果好。

2)当裂隙面基本无充填，局部张开，裂隙走向与帷幕线中—大角度相交时，由于该类裂隙连通性较好，部分浆液可能沿裂隙绕过注浆段充填该段下部未施工灌浆段，造成下部裂隙先期被充填，从而影响下一段灌浆时浆液的扩散范围，对幕体成幕不利。

3)当裂隙充填软弱阻浆物质时，由于充填物对浆液的阻隔，可能造成浆液扩散范围有限，裂隙面充填不充分，从而导致成幕效果差[9]。

基于以上3种情况，建议对已揭示或帷幕灌浆施工过程中遇到的长大结构面，在灌浆过程中予以关注。如存在灌浆异常，应进一步查明其性状，并结合长大结构面与帷幕线的夹角，采取相应的处理措施。

3.5 岩层走向与帷幕走向大角度相交对成幕影响

研究区防渗帷幕区岩层走向与帷幕走向整体呈小角度相交、大角度相交段共13段，主要分布于右岸。

大坝防渗帷幕走向与岩层走向小角度相交时，在帷幕灌浆高压力作用下，层面微张开，浆液顺层面扩散，形成帷幕幕体，降低岩体透水率(图4a，b)；大坝防渗帷幕走向与岩层走向大角度斜交时(图4c，d)，浆液可能主要沿层面扩散，出现未完全成幕的情况，从而成为后期帷幕运行过程中的重大安全隐患[10]。为此，在右岸帷幕走向与岩层走向大角度相交的部位，应对灌浆孔适当加密，并在灌浆完成后加强检测。

4 实例分析

根据目前帷幕灌浆施工进程，对施工过程中揭露影响成幕的地质因素，结合实际灌浆成果进行分析。

1)右岸895 m搭接帷幕顺层溶蚀

右岸895 m灌浆平洞搭接帷幕施工至R3X-1-Ⅰ-82(桩号0+196.5)孔第2段(3.4～10.4 m)时，出现灌浆量突然增大的异常情况，单位注灰量达到4 031.3 kg/m。出现异常情况后，立即停止灌浆，利用勘探孔，辅以物探手段，查明该处为顺层发育小型溶洞，溶洞规模不大。利用高压对溶洞进行冲洗，采用0.5∶1浓浆进行回填处理，经两次复灌，累计注灰量达66 302.6 kg。回填完成后，进行扫孔，采用5∶1浆液再次进行灌浆。采取措施处理后压水值为0.4 Lu，灌浆单位注灰率0.07 kg/m。根据灌后压水检查，透水率<1 Lu，满足合格标准。

a.层面走向与帷幕走向呈小角度垂向剖面示意图；b.层面走向与帷幕走向呈小角度平面示意图；c.层面走向与帷幕走向呈大角度垂向剖面示意图；d.层面走向与帷幕走向呈大角度平面示意图。图4 研究区帷幕灌浆过程中浆液扩散叠加情况垂向剖面和平面示意图Fig.4 Vertical profile diagram and the plan sketch of slurry diffusion overlay in the curtain grouting process in the study area

2)右岸850 m平洞角砾岩分布区

右岸850 m灌浆平洞在开挖过程中揭露B类角砾岩，利用灌浆孔进行地质精细化编录及物探彩电，查明角砾岩分布区沿850 m灌浆平洞(桩号0+227-0+247)展布长13.5～20.5 m，垂直灌浆平洞轴线水平延伸长度15.8～28.2 m，垂向高一般为10 m左右。角砾岩溶蚀不发育，岩溶现象主要为溶蚀裂隙和溶孔。

在850 m搭接帷幕灌浆过程中，灌浆成果显示：灌前平均透水率为25 Lu，灌浆过程中平均单位注灰量为36.8 kg/m，透水率及注灰量均大于一般值。对该区域灌浆孔进行加密，并在灌浆过程中加强冲洗。灌后检查透水率<1 Lu，满足合格标准。