白鹤滩水电站上游围堰防渗墙设计与实施

黄 雷，王永明，梁现培，董联杰

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

白鹤滩水电站初期导流为50年一遇洪水标准，上游围堰为3级建筑物，堰顶设计高程为658.00m，堰前水位655.58m，采用复合土工膜斜墙土石围堰，最大堰高83.0m，堰顶宽12.0m，堰顶轴线长约208m。围堰615.0m以上采用复合土工膜斜墙防渗，防渗墙施工平台高程为615.0m，615.0m高程以下采用塑性混凝土防渗墙防渗，防渗墙轴线长110m，墙厚1.0m，最大墙深53m。白鹤滩水电站上游围堰防渗墙是整个围堰施工的关键，具有地质条件复杂、控制工序繁多、墙深大、施工强度高及工期紧等特点。

2 水文地质条件

白鹤滩坝址平均流量4170m3/s，平均降水量为715.9mm。金沙江流域实测最大洪峰流量为25800m3/s，实测第二大洪峰流量为23800m3/s。坝址为亚热带季风区，多年平均气温21.9℃，平均风速1.8m/s，平均相对湿度66%。

水电站上游围堰位于大坝上游约300m处，枯水期江水位591m。河床底面高程572～582m，覆盖层厚度4.5～14.40m不等，层间错动带C3分布于左岸595m高程左右，堰基范围无大规模断层发育。河床基岩顶板高程561～578m，基岩主要出露峨眉山组玄武岩P2β41和P2β42层隐晶质玄武岩、微晶质玄武岩、杏仁状玄武岩及角砾熔岩，强卸荷带岩体透水率一般为10Lu，为中等透水，弱卸荷带岩体透水率一般为3～10Lu，平均5Lu。覆盖层主要为漂石夹卵(砾)石，覆盖层渗透系数为10-3～10-1cm/s，属中等透水层。

3 上游围堰防渗墙设计

3.1 防渗型式选择

高喷灌浆、刚性混凝土混凝土防渗墙以及塑性混凝土防渗墙，三者在技术和应用上都比较成熟[1]，由于堰基处漂石占80%～90%，同时考虑上游围堰挡水水头高，为确保防渗效果，堰基采用全封闭混凝土防渗墙。为减少围堰的渗水量，确保渗透稳定，防渗墙下设置帷幕灌浆。

3.2 防渗墙的设计

上游围堰基础覆盖层厚4.5～14.4m，围堰设计挡水水头约95.0m[2]，如果采用高弹模的刚性混凝土防渗墙在上部荷载的作用下，周围土层的沉降比防渗墙大得多，使得墙体承受巨大的周围土体的侧面拖拽力，可能引起墙体内部产生巨大的压应力，压应力过大将造成防渗墙墙体破坏。三峡工程二期围堰的实践表明[3]，围堰防渗墙采用高强度低弹模的塑性混凝土能较好的与周围土体协调分配荷载，防渗墙的应力状态较好，因此上游围堰基础防渗选择弹模低，适应变形能力强的塑性混凝土材料。

混凝土防渗墙的渗透破坏主要取决于墙体的水力梯度[4]，须使墙体承受的最大水力梯度小于墙体的允许梯度，本次设计根据防渗墙破坏时的水力梯度确定墙厚，上游围堰防渗墙设计成果见表1。

表1 上游围堰防渗墙设计成果表

防渗墙的厚度的确定应考虑围堰堰基地质情况及机械设备因素，墙体应力、应变、耐久性、抗渗指标等均应满足要求，通过计算及参考类似成功经验，确定上游围堰塑性混凝土防渗墙厚度为1.0m，塑性混凝土防渗墙各项指标见表2。

表2 塑性混凝土防渗墙设计性能指标

3.3 墙下帷幕灌浆设计

(1)设计标准

上游围堰设计挡水水头为95m，围堰防渗墙至关重要，同时考虑上游围堰的基础水文地质条件，层间错动带C3分布于左岸595m高程左右，为解决堰肩和堰基基岩透水层防渗问题，在防渗墙下部设置防渗帷幕，防渗帷幕灌穿过3Lu线以下深度3～5m(同时保证帷幕灌穿左岸及堰基C3埋深较浅部位)，并将防渗帷幕向两岸延伸。

(2)帷幕灌浆参数选取

上游围堰防渗墙墙下灌浆界线为3Lu线，采用单排孔，帷幕灌浆防渗标准见表3。防渗墙下帷幕灌浆采用预埋灌浆管方法实施。

表3 帷幕灌浆防渗标准

4 防渗墙实施过程

4.1 施工工艺流程

上游围堰防渗墙成槽采用“钻劈法”施工工艺[5]，槽孔分为一、二期槽，其中一期槽为二个主孔一个副孔，二期槽为三个主孔二个副孔，墙段之间连接采用“接头管法”；清孔换浆采用膨润土泥浆，采用以抽筒法为主，气举法为辅的清孔方式；墙下帷幕灌浆采用预埋￠110mm钢管实施；防渗墙混凝土采用直升导管法，先浇低处后浇高处。

白鹤滩水电站上游围堰防渗墙施工流程如图1所示。

图1 防渗墙施工工艺流程图

4.2 槽段划分

上游围堰防渗墙槽段分两序施工，Ⅰ、Ⅱ序槽孔间隔布置，遵照“Ⅰ期小槽、Ⅱ期大槽”的原则[6]，在中间深槽部位Ⅰ期槽长度为4.0m，两岸孔深较浅的部位一期槽长度为7.0m；二期槽长度均为7.0m。

图2 防渗墙槽段划分示意图

工程防渗墙轴线长110m，共划分为24个槽段，槽段划分示意见图2所示。

4.3 防渗墙造孔

(1)先导孔

上游围堰防渗墙轴线每隔10m布设一个先导孔，共计13个，对地质情况进行复勘，准确确定基础基岩面。上部采用潜孔锤跟管钻进，当预计钻进至基岩面0.5m时，更换地质钻机进行钻孔取芯，直至进入岩10m为止。

(2)预灌预爆孔

“预灌、预爆”孔间距3.0m，布置在上游围堰防渗墙轴线上。本工程共布置36个“预爆、预灌”孔。钻孔采用全液压钻机，配置高频冲击器进行跟管钻进，当钻遇有漂孤块石时，进入岩体内，下设炸药，起拔套管2.0m，启爆炸药，爆破后继续钻进，依次循环。

预灌浓浆是有效预防和处理大孤石底层强漏浆必要和有效的措施[7]，为了堵塞渗漏通道，当钻孔至设计深度后，向孔内注入一定量的水泥粘土浆，防渗墙施工结果表明，先进行过预爆和预灌浓浆的部位，在进行防渗墙造孔时，漏浆、塌孔情况大大减少，取得了较好的实施效果。

(3)一般地层造孔

本工程为深覆盖层中进行混凝土防渗墙施工，覆盖层主要为细石料、崩塌料、河床覆盖层，针对地质特点和槽孔分布情况，采用“钻劈法”成槽工艺。主孔造孔完成后，进行副孔施工，最后凿除孔间小墙，贯通成槽。

(4)陡坡段基岩造孔

上游围堰防渗墙基岩边坡局部呈陡坡状由于陡坡岩硬，钻孔极易顺坡溜钻偏斜[8]，导致防渗墙嵌入基岩困难。本工程施工中面临陡坡入岩的槽段均为边槽，并与混凝土趾板相邻，同时因陡坡槽段施工难度较大，造孔效率低，临近一期槽段已浇筑混凝土，实施爆破时可能会对左右已浇筑混凝土造成破坏性影响，陡坡段基岩造孔未采用爆破的方式，而是纯冲击钻进，实际入岩结果良好。

4.4 基岩面鉴定及终孔深度确定原则

上游围堰防渗墙要求嵌入基岩不小于1m，防渗墙孔底基岩鉴定十分重要。工程参建各方要准确的鉴定基岩面，保证混凝土防渗墙确实嵌入基岩。

本工程围堰防渗墙基岩面鉴定主要根据先导孔、抽取岩样及施工记录等综合判断。主要方法为通过前期先导孔绘制新的基覆分界线，防渗墙单孔钻进距离基覆分界线5、3、2、1m以及入岩后每隔0.3m各抽取一次岩样，经参建方现场联合鉴定。

槽段具体入岩判定标准为：①槽段主孔基覆线深度根据槽孔内抽取的岩样进行判定，加深1m为终孔深度。②判定副孔基覆线时，先进行取样判定实际基覆线，为确保副孔两侧的小墙同步深入基岩，副孔的实际终孔深度根据相邻两主孔鉴定基覆线边对边连线向下1m，并结合副孔单孔鉴定基覆线，以二者较深线位置为准。③小墙参照左右主副孔，并以主副孔边对中连续向下1m确定。④对与陡坡槽段，参照上述方法单独鉴定。

上游围堰防渗墙成型断面如图3所示。

5 防渗墙投入使用

5.1 质量检查

(1)机口、槽口取样

防渗墙混凝土浇筑过程中，在机口或槽孔随机取样，进行混凝土施工性能的检查，检测结果满足设计要求。

(2)检查孔取芯

上游围堰防渗墙共布置了2个钻孔取芯检查孔。检查孔取出的岩芯完整致密，无夹泥。同时对防渗墙墙顶进行了开挖，结果表明混凝土防渗墙浇筑质量可靠，墙段之间接缝咬合紧密，无任何缝间夹泥现象。

(3)注水试验

图3 防渗墙成型断面图

上游围堰防渗墙共布置了2个钻孔取芯检查孔进行墙体注水试验。防渗墙检查孔注水实验结果满足渗透系数K≤10-7cm/s设计要求。

(4)声波透射

超声破透射检测就是根据混凝土声学参数测量值和相对辩护、分析、判别其缺陷的位置和范围[9]。上游围堰防渗墙通过帷幕灌浆预埋管，进行了8个孔间声波层析成像测试，声波波速值范围为1.9～3.4km，局部出现零星低速区，未发现连通性低速区，表明墙体无明显缺陷，成型质量较好。

5.2 运行监测

防渗墙内共布置1套固定式测斜仪、12组两相应变计、10支渗压计用于监测运行情况。固定测斜仪最大位移为54.67mm，最小位移为27.68mm，位移均为向迎水面方向，防渗墙竖向应变为-1337.75～36.91με，水平向应变为-135.75～633.74με，各仪器变形、应力应变、渗压测值变化均无异常，说明防渗墙运行正常。

防渗墙位移深度变形曲线如图4所示。

图4 防渗墙位移深度变形曲线

6 结语

白鹤滩水电站上游围堰已经运行3年，防渗墙运行正常，经受住了洪水的考验。白鹤滩水电站上游围堰防渗墙结构安全可靠，防渗性能良好，设计与施工满足工程建设需要，可供类似工程参考、借鉴。