马岩洞水电站防渗帷幕工程设计

    刘小龙，王兆括

    摘 要：马岩洞水电站坝址水文地质条件复杂，为降低坝基的渗透压力，有效控制坝基及绕坝渗漏，确保大坝及其他水工建筑物的安全运行，在大坝坝基基础及坝肩两岸设计了总长为360.80m、总防渗面积为21.10万m2的防渗帷幕。文章重点介绍该水电站大坝防渗帷幕工程的结构、设计原则、灌浆参数等。

    关键词：水电站；防渗帷幕；设计

    1 工程概况

    马岩洞水电站位于重庆市彭水县境内郁江中游河段，与湖北省毗邻，公路里程距重庆市340km，距彭水县城58km，是一座以发电为主的水利水电枢纽；水库正常蓄水位350m，总库容0.296亿m3；电站装机容量66MW。

    防渗帷幕线贯穿重力坝，并向两岸延伸布置。防渗帷幕线总长360.80m，工程总防渗面积21.10万m2。

    2 地质概况

    马岩洞水电站坝址区出露地层从右岸至左岸依次为：泥盆系上统水车坪组（D3s）灰白色中厚层至厚层细粒石英砂岩；二叠系下统梁山组（P1l）含炭质页岩、铝土质页岩夹泥质粉砂岩；栖霞组第一段（P1q1）深灰色中厚层至厚层含泥（炭）质灰岩；栖霞组第二段（P1q1）深灰色中厚层灰岩、泥灰岩互层，夹薄层至中厚层含炭质钙质泥岩；栖霞组第三段（P1q3）深灰色中厚层至厚层灰岩；茅口组第一段（P1m1）深灰色中厚层夹薄层瘤状泥质灰岩、灰岩夹泥岩，常含绢云母条带；茅口组第二段（P1m2）灰色厚层至巨厚层状灰岩夹燧石团块及强硅化灰岩。河床主要以裂隙、溶蚀裂隙的分散渗漏为主。左坝肩330m高程以下基岩裸露，岩体较完整。340m高程以上P1m1、P1m2岩体由于构造挤压呈碎裂结构，近岸坡段有卸荷松弛现象。由于地下水的长期活动，P1m2岩块间基本无胶结物，似散体状；P1m1岩体内的泥岩夹层软化、泥化严重，强度及变模均低，为防止库水绕渗及P1m1碎裂岩体抗渗稳定的需要，坝肩需设置防渗帷幕，帷幕接地下水位。右坝肩基岩裸露，P1q1厚层含泥质灰岩，下卧P1l泥岩。为防止库水绕渗及J1夹层的抗渗稳定要求，坝肩需设置防渗帷幕，帷幕接梁山组泥岩。

    防渗帷幕线主要通过茅口组下段（P1m1）中厚层灰岩及薄层至中厚层瘤状泥灰岩及泥质灰岩互存地层；茅口组上段（P1m2）厚层块状灰岩，其岩溶裂隙发育、管道含水丰富，透水强烈。帷幕线主要穿过的地质构造有J1 、J2 、J3 、J4、J5 夹层。

    3 设计原则

    原则一：为保大坝、其他建筑物安全运行，需要减少大坝根基的渗透压和绕坝渗漏。

    原则二：为让渗漏量不会影响到水电站的正常工作，需要有效对岩溶管道性的渗漏通道进行拦截。

    原则三：本区域的岩溶发育不一致，利用这一特点防渗内幕线应该尽可能选择在发育程度弱且位置明确的地段，同时地质结构不复杂，最大限度减少防渗工程量和施工的难度。

    4 防渗帷幕的设计分析

    4.1 关于防渗线路的有效设计

    在综合考虑到岩层趋势及地层分析的开发部下，左、右岸防渗内幕线端点分别接地下水位线、隔水层（P1l）地层，同时是以把头最近距离进行连接。简单来说，左岸从坝头起，以N65.5°W，往山体伸长30m后和P1l进行连接，右岸从坝头起，以N65.5°W，往山体伸长175m后和地下水相接，全长360.80m。

    4.2 防渗帷幕堤线设计

    右岸相对隔水层P1l较浅，其帷幕底线伸入相对隔水层P1l5m，形成接地式帷幕；河床及左岸由于相对隔水层P1l埋藏较深，河床考虑1/2坝高，左岸考虑地下水位线以下30～40m，形成悬挂式帷幕。

    4.3 防渗结构设计

    （1）灌浆隧洞的相关布置

    帷幕总共有120m深，这深度还是比较大的，因此，为了可以保证灌浆质量，同时降低施工难度，一般来说，灌浆隧洞需要按照二层进行布置（分别长355m、289m），总长为297m。同时，为可确保上层、下层灌浆质量采用直孔式进行连接。

    （2）隧洞结构相关设计

    由于隧洞的结构形式不是统一不变的，会随着地质条件不同而有所不同，为防止高压灌浆时隧洞地板抬动有可能会破坏，因此在隧洞地板处要设置抗抬锚杆。

    （3）灌浆隧洞回填及固结灌浆的设计

    一般而言，要运用固结灌浆加强围岩承载能力，这主要是考虑围岩与衬砌混凝土一起承担压力，要加强两者的胶结；同时，下层要采用固结灌浆来保证上层、下层的部位连接。

    灌浆隧洞回填灌浆：间距3m纯压式灌注式，在土衬砌顶拱的九十度范围内拱中心线1孔、拱座2孔间隔布置孔深入岩5～10cm。

    固结灌浆：间距3m循环式灌注。断面布设7孔，深3m；搭接固结设3孔，深分别为3，5，7m。

    4.4 防渗帷幕灌浆参数的设计

    参数的廊坊市是以现场实验和地质条件，包括岩溶发育规律等特点进行综合分析后得出的。灌浆的顺序原则：下游排-上游排；Ⅰ续孔-Ⅱ续孔-Ⅲ续孔。

    根据《混凝土重力坝设计规范》（SD5108-1999）规定，与实际的工程情况有机结合，以不同部门所承受压力的大小明确不同防渗的标准。

    5 灌浆试验

    5.1 室内浆材试验

    室内浆材主要进行水泥掺粉煤灰浆液的研究，分别进行了掺粉煤灰（25%，30%，35%，40%）和掺外加剂木钙（0.2%，0.25%）检测水泥浆的密度、强度、弹性模量、抗渗性、黏度及稳定性试验。浆液水胶比为0.5、0.6、0.7、0.8。试验结果表明：

    （1）水泥浆液中粉煤灰掺量小雨30%时，抗压强度、抗渗性均不降低；粉煤灰掺量大于30%时，抗压强度、抗渗性能随掺量的增加而降低。

    （2）水胶比大于0.8、粉煤灰掺量小于30%时，浆液析水率大于5%，为不稳定浆液，粉煤灰由于比重小而出现分离现象。

    （3）木钙的掺量为0.2%是，浆液密度、抗压强度均比掺量为0.25%时稍高，浆液析水率也比掺量为0.25%时高，浆液稳定性差；而流动性能比掺量为0.25%时也差。

    （4）灌浆浆液推荐配合比。

    5.2 现场试验

    试验地段选在帷幕线上，现场试验分2个区：第1区在左岸355m顶层灌浆隧洞桩号0+238.3～0+253.3之间茅口组下段（P1m1）及茅口组上段（P1m2）地层中；第2区在右岸355m顶层灌浆隧洞桩号0-001.695～ 0-009.695之间二叠系下统梁山组（P1l）及栖霞组第一段（P1q1）地层中。

    第1试验区布置2排7个不同孔距（2m，2.5m）的帷幕灌浆孔，3孔40m、4孔96m，其中检查孔2个，抬动孔2个、物探孔3个（中间一个兼长期压水试验）。第2试验区布置一排4个不同孔距（2m，2.5m）的帷幕灌浆孔，孔深35m，其中检查孔1个，抬动孔1个、物探孔2个（中间一个兼长期压水试验）。试验采用"自上而下、小口径钻进、孔口封闭、不待凝、孔内循环高压灌浆"工艺最大灌浆压力3.5MPa。

    现场试验说明了以下的问题：

    （1） 高压灌浆所形成的帷幕可满足渗流控制标准及设计的要求（孔距2m、岩溶及挤压破碎带采用排距1m）。

    （2） 低水灰比浆液高压灌注具有以下优点：提升耐久度、降低弃浆、提升施工的工作效率。

    （3） 通过监测得知，高压灌浆对衬砌机构不存在很大的影响，但对于固结灌浆对衬砌结构影响还是比较大的。

    （4） 由于高压灌浆对衬砌地板抬动的幅度会比较大较大，所以要运用浓浆灌注，同时对压力进行合理的控制。

    6 帷幕灌浆施工主要技术要求分析

    第一，其工艺为自上往下、小口径钻进、孔内循环高压灌浆。

    第二，一般来说，帷幕灌浆要在隧洞回填、固结灌浆检验完成合格后才可进行，同时要注意坝基、坝肩部位的混凝土覆盖厚度要达到三十米左右。

    第三，灌浆材料包括：

    水泥：重庆产，P.O42.5普通硅酸盐水泥。细度通过80μm方孔孔筛的筛余量不大于5%；

    砂：天然或人工砂，质地清洁且硬，粒径小于等于2.5mm；

    粉煤灰：Ⅰ级灰；

    外加剂：检验合格的木钙缓凝减水剂。

    第四，钻孔。回转式及金刚石钻头进行，始孔径大于等于76mm，终为56mm。如果偏差大于10cm的要注意每钻一个灌段都要进行一次孔斜、方位角测量。最大允许偏差执行，终孔方位角的偏差要小于3°。

    第五，分段灌浆压力。

    第六，变浆标准：①当某一级水灰比的吸浆量超过300L且灌浆压力及注入率均无明显改变时，浆液可加浓一级。变浆后如压力突然增或注入率突减，应立即查明原因进行处理，并报告监理工程师。②当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。

    第七，灌浆压力和注入率关系。

    第八，特殊孔段的灌浆处理：遇岩溶管道时，采用大口径钻孔回填混凝土，后进行高压灌浆；当灰量单耗大于2t/m时灌浆无法结束，可用低压、浓浆、限量、限流、间歇灌浆。

    第九，质量方面的检查：

    灌浆质量：主要是以分析压水的试验结果为主，以灌浆资料等为辅助进行综合的评定；

    灌浆检查：孔岩心采取率大于百分之九十，同时进行地质上的描述；

    帷幕灌浆质量压水试验：单点法，压力=1.0MPa（高程灌浆隧洞），透水率=q≤5Lu，压力=2.0MPa（289m高程灌浆隧洞以下），透水率=q≤3Lu；

    孔段合格率：混凝土和基岩接触段，包括下一段为百分之百，其他的则需要保持在百分之九十以上的合格率。

    7 结束语

    岩溶地区防渗帷幕的处理，不管是由结构分布、工艺或是灌浆材料等各个方面都有一定特点。现在对岩溶地区的大坝防渗帷幕处理设计、施工提出以下几点体会、认识。

    第一，因为岩溶地区地质条件是非常复杂的，而且因为受到之前勘探工作的一些制约与影响，一般来说，两岸的防渗处理的范围是很大的，应该在招标、施工的阶段就要充分运用物探技术进一步说明岩溶的发育情况，针对性处理，控制工程的投资。

    第二，渗帷幕灌浆所运用的是小口径钻进、孔口封闭、孔内循环的技术，不单单可以最大限度满足防渗帷幕设计要求，更可在一定程度上提升钻灌效率、减少弃浆，节约施工时间与资金，加大其耐久率。

    第三，此工程属于地下的、隐蔽的工程，因此，灌浆耗灰量控制是需要大家所一起讨论的问题。不管采用何种方式与计价的形式，其关键点在于施工过程中的控制方法要尽量减少由于人为在因素所造成的影响，最大限度控制施工的质量与工程的投资。

    参考文献：

    [1]汪克广.可控帷幕灌浆在小湾水电站围堰防渗中的实践[J].中国科技博览， 2011（11）.

    [2]何光宇，钟语超， 巴光明，梁利岩，史珺，何泳生.大岗山水电站防渗帷幕科研试验区的化灌设计与选材[J].广州化学，2012，37（4）.