苏布雷水电站坝基渗漏及渗透变形稳定研究与处理

苏 星， 李 忠 爽

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

苏布雷水电站装机容量为27万kW，采用混合式开发，主要水工建筑物包括大坝和引水发电系统，有“科特迪瓦三峡”之称。其中大坝由土石坝与进水口和溢洪道的混凝土结构段组成，坝线长达4.5 km，最大坝高20.5 m。由于工程位于平原地区，因而大坝具有坝线超长、坝高不高的特征。土石坝坝基主要为残积土层，部分段为全强风化层；混凝土结构段的坝基为弱风化-微新岩体，岩体较完整、缓倾角结构面不发育，抗滑稳定问题不突出。大坝工程的主要地质问题为岩体坝基和覆盖层坝基渗漏、覆盖层坝基渗漏及渗透变形稳定等。由于大坝超长，且大部分坝基为覆盖层，如何对坝基进行防渗处理，成为工程关键技术问题。如果对坝基全面进行系统防渗处理，则处理工程量巨大，也增加电站资金投入；如不进行处理则可能产生渗漏及渗透变形，严重者则可能导致大坝失稳。本文对坝基岩土体物理力学特性特别是岩土体渗透特性进行了充分研究，查明了坝基岩土体的渗透特性，针对不同岩土体采取不同的防渗处理措施，充分利用占坝基绝大多数的残积土层作天然铺盖，仅对占坝基中较少部分的全强风化层及弱风化岩体进行防渗处理，大大节约了防渗处理的工程量，大幅节约工期及电站造价。

2 单一地层的渗透及抗渗性

坝址基岩为前寒武系的花岗岩、花岗片麻岩，属坚硬岩类。根据岩体的风化程度可分为全-强风化层、弱风化及微新层。坝址覆盖层广泛分布，可分为两层(即上部的冲积砂层和下部的残积土层)。

坝址区的地下水按赋存条件可分为基岩裂隙水和第四系孔隙潜水两种类型。基岩裂隙水主要受岩体节理裂隙控制，张性裂隙水，局部可见裂隙具地下水潜蚀形成的张开现象。此外，岩体浅表层的缓倾角卸荷裂隙也有利于地下水的活动。第四系孔隙潜水，主要赋存于坝区两岸的残积土层、冲积层及全强风化层内。根据各层的成因、风化程度及透水性等特征的不同，坝基岩土体可分为5个层，各单一地层的透水性见表1。

表1 坝基各层岩土体透水性及允许坡降建议参数

冲积层以中细砂、粉土为主，厚度多小于3 m，多分布于两岸岸坡及河心岛。该层土体结构松散，透水性较强，根据各阶段试验成果，其渗透系数建议值取为1×10-4cm/s～1×10-5cm/s，呈弱透水层，允许坡降为0.22～0.25。

残积土层以褐色、红褐色的黏土、粉质砂质黏土为主，层厚度一般2～5m，广泛分布于两岸岸坡。该层土体结构中密～密实，透水性相对较弱，渗透系数建议值为1×10-5cm/s～1×10-6cm/s，呈微透水，允许坡降为0.35～0.55。

全强风化层主要由中粗砂、风化团块及破碎岩块组成，残留了部分原岩的结构痕迹，除石英外大部分矿物已蚀变，总体已崩解为砂土状，具土层的工程性状。该层结构密实，但由于分化不均透水性较强，渗透系数建议值为1×10-2cm/s～1×10-4cm/s，呈中等透水，允许坡降为0.10～0.18。

弱风化岩体厚度一般小于8 m，次块状～镶嵌结构，以各阶段压水试验的成果为基础提出该层岩体的透水率建议值为3～20 Lu，呈弱偏中等透水。

微新岩体完整新鲜，块状结构为主，压水试验成果主要集中在0.5～0.01 Lu之间，透水率建议值小于1 Lu，呈微～极微透水。

3 土石坝的坝基渗漏及渗透变形稳定问题

苏布雷水电站两岸的土石坝(土石混合坝、均质土坝)的建基面大部分为残积土层，部分段如3+900 m段建基面为全强风化层。土石坝坝基的渗漏及渗透变形稳定问题涉及到多套渗透性不同的地层，条件较复杂。

3.1 残积土层坝基的渗漏及渗透变形稳定问题

图1为苏布雷水电站土石坝残积土层坝基的典型断面图。坝基范围内的冲积砂层不满足大坝建基要求，工程建设过程中采取挖除处理。残积土层为微透水，可视为相对隔水层；全强风化层为中等透水、弱风化岩体为弱偏中等透水，两层岩土体可视为透水层。微新岩体为微～极微透，可视为相对隔水层。综合以上分析可知苏布雷土石坝残积土层坝基存在两个相对隔水层，坝基岩土体为“隔-透-隔”式的非均质透水性结构。

图1 土石坝残积土层坝基典型断面图

库水为坝基渗漏的主要补给水源，土石坝上下游分布的残积土层为相对隔水层，由于其广泛、连续分布于两岸且具有一定的厚度，相当于在整个坝址两岸的上下游及库区两岸设置了一道天然的防渗铺盖，有效地减少了库区水源对坝基的渗漏量，有利于坝基防渗。施工图设计阶段采取严格管理措施，禁止对两岸土石坝上下游500 m范围内的残积土层进行开挖，防止天然防渗铺盖被破坏。通过水力学计算，坝基 “隔-透-隔”式的非均质透水性结构(见图2)，其综合渗透系数呈弱偏中等透水，满足坝基渗漏要求。

图2 “隔-透-隔”式透水结构

残积土层的允许坡降为0.35～0.55，全强风化层允许坡降为0.10～0.18，残积土层的相对隔水性提高了坝基的有效允许坡降。由于坝前雍水高度较小、坝基宽度较大，因此，残积土层土石坝坝基的渗透变形稳定问题不突出。

综合以上分析，残积土层土石坝坝基可满足渗漏及渗透变形稳定的要求，施工过程中未采取特殊的渗控处理措施，加快了工程进度、减少了工程造价，提高了经济效益。苏布雷电站自蓄水发电以来，土石坝残积土层坝基在渗漏量及渗透变形方面均达到设计要求，运行正常。

3.2 全强风化层坝基的渗漏及渗透变形稳定问题

苏布雷右岸土石坝3+900 m段坝基为全强风化层，主要原因为坝段横跨冲沟，残积土层多被降雨或洪水冲走。全强风化层和下伏的弱风化岩体总体呈中等偏弱透水，可视为透水层；微新岩体呈微-极微透水，可视为相对隔水层。土石坝全强风化层坝基岩土体表现为“透-隔”式的非均质透水性结构(见图3)，由于全强风化层、弱风化岩体的透水性不能满足大坝防渗抗渗要求，且全强风化层由于允许坡降较低为0.10～0.18，渗透变形稳定问题较突出，需采取工程处理措施。

图3 “透-隔”式透水结构

针对该坝段的坝基渗漏及渗透变形稳定问题，为保证工程质量安全，技施阶段经分析研究制定了相应的工程处理方案，主要措施如下：

(1)在该坝段上游坝踵附近按设计坡比开挖防渗齿槽，挖除全强风化层，齿槽底板开挖至弱风化岩体，底宽2 m、最大开挖深度15 m；

(2)对齿槽底板的弱风化岩体及两侧的覆盖层进行帷幕灌浆；

(3)开挖部位进行黏土回填、碾压，设置黏土防渗心墙，心墙与大坝防渗体衔接、并与冲沟两侧的残积土层连接，保证防渗心墙的封闭性(见图4～7)。通过以上处理措施，有效地减少了坝基渗漏量、降低了坝基渗透变形破坏的可能，达到了设计要求，蓄水发电以来该部位运行正常。

图4 全强风化层坝基处理范围平面图

3.3 混凝土坝段的坝基渗漏问题

苏布雷水电站混凝土结构段(溢洪道、进水口)及两侧心墙坝的建基面为弱风化-微新岩体。坝基浅表层的弱风化岩体节理裂隙较发育、贯通性较好，加之爆破松弛的影响，透水率建议值为3～20 Lu，呈弱偏中等透水，不满足大坝防渗要求(5 Lu)；微新岩体透水率建议值小于1 Lu，呈微～极微透水。

图5 坝基防渗处理典型剖面图

图6 防渗齿槽开挖照片

图7 防渗齿槽完工后照片

混凝土结构段及两侧心墙坝的坝基渗漏问题涉及到弱风化、微新两个渗透性有差异的岩层，弱风化岩体透水率偏大，微新岩体可视为相对隔水层，坝基渗漏条件相对简单。由于弱风化岩体厚度较小，苏布雷工程采用了坝基封闭式帷幕灌浆的处理方案，灌浆孔深入相对微新岩体2 m。通过帷幕灌浆处理，坝基渗漏问题得到有效控制，蓄水发电以来该部位运行正常。

4 结 语

苏布雷电站坝线超长，土石坝坝基充分利用了表面连续分布的残积土层作天然防渗铺盖，充分利用了坝基天然土体的“隔-透-隔”式非均质透水性结构，大大节省了坝基防渗处理工程量，提高了工程施工进度并有效的降低了大坝工程的防渗处理成本。大坝局部段的全强风化层坝基，通过封闭的黏土防渗心墙来进行抗渗处理，施工便利、工程效果良好，渗漏量及渗透变形得到有效控制。混凝土结构段及两侧心墙段的岩体坝基渗漏条件相对简单，采用封闭式防渗帷幕的措施进行处理。苏布雷电站大坝充分利用了天然地基，工程蓄水以来渗控效果较好，工程运行正常，其经验值得非洲同类工程借鉴。