汪 洋,焦 阳,乔 玲

(新疆水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐830000)

1 工程概况

库什塔依水电站工程位于新疆特克斯县境内的特克斯河最大支流库克苏河上,是库克苏河水力发电规划中“三库六级”中的第五个梯级电站,坝址位于库克苏河与特克斯河汇合口上游18.36 km处,距特克斯县20 km,距伊宁市139 km。坝址以上集水面积5 336 km2,多年平均流量68.51 m3/s,多年平均径流量21.62×108m3。

库什塔依碾压式沥青混凝土心墙坝最大坝高91.6 m,坝顶高程 1 307.60 m,水库正常蓄水位1 305.00 m,水库总库容1.59×108m3,电站装机100 MW,为Ⅱ等大(2)型工程,工程由拦河坝、溢洪洞、导流兼泄洪洞、发电引水洞和厂房等建筑物组成。

2 左岸边坡工程地质

2.1 左坝肩地质条件

坝区河谷呈“U”形,左岸山体坡高202 m,高程1 270 m以下岸坡坡度为30°～40°,1 270m 以上岸坡坡度 60°～ 70°,局部 80°甚至直立 ,基岩裸露。高程1 280 m以上岩性为灰岩,高程1 280 m以下基岩岩性为红褐色凝灰岩、安山岩、玄武岩,岩体呈块状—次块状结构。

通过平硐与钻孔揭露[1-3],左岸坝肩1 260 m～1 430m高程范围存在强卸荷倾倒岩体,高差170 m,边坡中上部(高程1 270 m以上)的灰岩卸荷强烈,裂隙非常发育,中下部(高程1 270 m以下)的凝灰岩卸荷不明显。边坡岩体可划分为强卸荷带与弱卸荷带,强卸荷带水平宽度5 m～37 m,弱卸荷带水平宽度15 m～30 m。卸荷带延伸长度约1 000 m,基岩强风化带厚3 m～5 m,受卸荷带影响,局部可达10 m,弱风化带厚10 m～15 m。

卸荷带岩体在结构面切割组合及重力作用下,发生卸荷及倾倒变形,岩层呈现“点头哈腰”现象,岩层倾倒过程中,发生相对位移和脱开,强卸荷带岩体裂隙非常密集且多具有较大的张开度。卸荷裂隙超过75%为陡倾角,缓倾角裂隙很少。在39条较大的卸荷裂隙中,宽度一般在10 cm以上,最大为1.5 m,充填次生黄土或碎石土,局部存在架空现象。弱卸荷带卸荷裂隙密度较小,拉开宽度一般在10 cm以下,仅局部存在较大裂隙。

2.2 左坝肩PD2平硐(高程1 300 m,坝顶高程以下7.0 m)地质条件

PD2平硐内0～29 m岩体卸荷强烈,裂隙多张开,发育9条较大的卸荷裂隙,裂隙间距3.0 m左右,裂隙张开10 cm～70 cm,充填粉土或碎石。29 m～63 m岩体卸荷相对较弱,裂隙多闭合,63 m以后未卸荷或微卸荷。

2.3 左坝肩PD14平硐(高程1 260 m,坝顶高程以下47.0 m)地质条件

0～7.5 m段为弱卸荷带,卸荷张开1 mm～2 mm,个别可达5 mm。7.5 m～67.4 m段岩性为凝灰岩,岩体结构较完整,多为块状构造。

根据平硐与钻孔揭露,左岸岸坡坝顶高程以下约40 m范围有卸荷裂隙带分布。

2.4 左坝肩开挖后地质条件

坝顶高程1 307.6 m(桩号0-005～0+44.764)以下清除心墙基座范围内卸荷岩体,在坝顶高程深入岩体水平挖深15.0 m,在1 276 m高程深入岩体水平挖深24.0 m,通过对左岸坝坡开挖处理,已将大部分发育较大的卸荷裂隙清除,心墙基座坐在相对较完整的基岩上,见图1。

图1 左坝肩开挖示意图

3 左坝肩防渗处理原则

(1)库什塔依水电站工程已于2009-10开工建设,按施工进度安排,2010-10截流,2011-10第1台机组发电,施工期非常紧,所以对左坝肩卸荷及倾倒变形体,防渗处理方案必须具有可操作性,在确保工程安全的条件下要求施工快速、方便。

(2)对卸荷裂隙内充填的黄土原则上不进行置换处理,在天然条件下对卸荷裂隙进行充填灌浆,通过灌浆提高卸荷裂隙内冲填物的密实度。原因如下:

①左岸卸荷带岩体已发生倾倒变形,卸荷裂隙倾向坡内 ,产状为 10°～ 20°NW 或 SE ∠75°～ 85°,岩体在重力作用下发生卸荷张开形成卸荷带并产生倾倒变形,先期充填进入裂隙内的黄土,后期已挤压密实,天然密度1.55 g/cm3～1.74 g/cm3,平均天然密度1.65 g/cm3,击实试验黄土的最大干密度1.86 g/cm3,裂隙内的黄土天然压实度平均0.89,已经充填密实,如要清除卸荷裂隙缝内填充的黄土,不但施工困难,而且施工期坝肩山体的稳定性也难以保证。

②卸荷裂隙内充填的黄土,已挤压密实,再通过灌浆进一步提高裂隙内冲填物的密实度,没有必要对卸荷裂隙内充填的黄土进行置换处理。

(3)防渗处理措施分4个层次进行。

第1层次:加强防渗处理。

对左坝肩坝顶高程以下约40 m范围内的卸荷带岩体,进行加强灌浆处理(深孔固结灌浆和多排帷幕灌浆)。

第2层次:对坡面上出露的卸荷裂隙进行封闭处理和反滤保护。

对左坝肩坝顶高程以下约40.0 m范围内,在坡面上出露的充填有黄土的卸荷裂隙采用混凝土板进行封闭处理,在沥青混凝土基座下游侧设置混凝土防护板,并对防渗线下游卸荷带岩体渗流出口进行反滤保护,在坡面上铺设混合反滤层。

第3层次:运行期监测设施。

加强左坝肩绕坝渗流监测,在左坝肩坝轴线下游侧布置渗流监测孔,在沥青混凝土心墙下游侧布置渗压计。

第4层次:后期防渗补强措施。

左坝肩坝顶高程处的灌浆平洞按永久洞设计,长期保留,必要时可对左坝肩进行二次灌浆。

4 左岸防渗处理方案

4.1 防渗措施

为防止库水沿卸荷裂隙渗漏,在坝顶灌浆平洞内及心墙基座上对卸荷裂隙带进行深孔固结和帷幕灌浆处理[4],将左岸卸荷带防渗帷幕与坝基防渗帷幕连成一个整体。一般工程常规做法是在心墙基座设2排固结灌浆及1排帷幕灌浆,在坝顶高程设1排帷幕灌浆。而本工程在左岸卸荷带处心墙基座加宽至8 m,设2排深孔固结灌浆孔及4排帷幕灌浆孔,在坝顶灌浆平洞内设2排深孔固结灌浆(同帷幕深度)及2排帷幕灌浆。具体做法如下:

(1)在卸荷带处将心墙基座宽度由4.0 m加宽至8 m,为增大卸荷带范围内的混凝土基座与基岩面的接触面的灌浆压力,提高表层基岩灌浆效果,在混凝土基座与基岩面之间增设φ 25砂浆锚杆,间、排距2 m×2 m,锚杆长2.5 m,入岩2.0 m,外露0.5m。

设2排深孔固结灌浆孔,孔深约15 m～34 m,深孔固结灌浆伸入到弱卸荷带面以下,孔距2 m。帷幕灌浆采用4排,孔距2 m、排距1.5 m,梅花形布置,帷幕灌浆孔深度伸入q≤3Lu的埋深界线以下3 m,帷幕灌浆深度同时满足该部位坝基所承受最大水头1/2的要求。

(2)在坝顶处(高程1 307.6m)沿坝轴线方向在山体内设灌浆平洞,灌浆平洞长65 m,平洞越过弱卸荷带,在灌浆平洞内对卸荷带进行深孔固结灌浆及帷幕灌浆,固结灌浆孔为2排,孔距为2 m,帷幕灌浆孔为2排,孔距为2 m,固结灌浆和帷幕灌浆深度均为20 m～28 m,深孔固结灌浆及帷幕灌浆压力均采用0.5 MPa～1MPa,与坝体心墙基座底部的防渗线连成整体。

经过在坝顶灌浆平洞内和心墙基座上对卸荷裂隙带进行深孔固结及帷幕灌浆处理,将左岸卸荷带防渗帷幕与坝基防渗帷幕连成一个整体。在正常蓄水位情况下,卸荷裂隙带所受最大水头约为25 m。左岸灌浆平洞内的深孔固结灌浆和帷幕灌浆压力均采用0.5 MPa～1MPa,既50 m～100 m水头,灌浆压力相当于岩体所承受水头的4倍,目的就是提高灌浆效果和防渗效果。

4.2 防止左岸卸荷带渗透破坏的工程措施

4.2.1 对充填有黄土的裂隙进行置换处理

对坝顶高程以下40 m坝体范围的坡面,在坝肩削坡后,对出露的充填有黄土的裂隙进行置换处理,人工掏除裂隙内的黄土,回填细粒混凝土(大裂隙)或水泥砂浆(小裂隙),裂隙封闭处理具体要求见表1。

表1 裂隙处理情况

已建的恰甫其海水利枢纽工程[5-6],对风积黄土的允许比降做过相应的试验,在无反滤保护条件下,土料的自身抗渗比降是:允许比降为1.5～4.5,破坏比降为18～54。在有反滤保护条件下,土料允许比降为30～50,破坏比降为250～300。

钻孔压水试验结果表明,左岸卸荷带的透水率一般在12 Lu～45 Lu之间,根据试验成果和渗透变形判定,左岸卸荷带中的卸荷裂隙临界比降平均为3.1。钻孔压水试验时,通过现场观测,平硐内卸荷带两侧岩体裂隙发生渗漏滴水,卸荷带在供水压力1.0 MPa下未发生渗透破坏,在该压力下计算出卸荷带的渗透比降为24.1。

对坝顶高程以下40 m坝体填筑范围内的上、下游坡面,清坡后对有黄土的裂隙采用细粒混凝土(大裂隙)或水泥砂浆(小裂隙)进行置换处理,其最大置换处理长度为220 m,约是其承受水头的5倍,库什塔依左坝肩卸荷裂隙内充填的黄土,所承受的渗透比降约为0.2,该封闭长度与水平防渗的大坝水平铺盖长度基本一致,也就是说在没有反滤保护的情况下,坝基一般也不会产生渗透破坏。

4.2.2 在沥青混凝土基座下游侧设置混凝土防护板

在沥青混凝土基座下游侧削坡后的坡面上设置混凝土防护板,对坡面上的岩体进行封闭,以延长渗径,在坝顶高程混凝土防护板宽15.0 m,在坝顶高程以下40 m(高程1 267.6 m)处混凝土防护板宽40.0 m,混凝土防护板采用挂网喷混凝土结构,混凝土标号为C25,喷混凝土厚150 mm～200 mm,钢筋网钢筋直径采用φ 8,间排距为150 mm×150 mm。在坡面表层裸露的岩石上布置φ 25砂浆随机锚杆,入岩1.6 m,外露0.2 m,锚杆与钢筋网连成整体。

4.2.3 在沥青混凝土基座下游侧坝体范围内坡面上铺设混合反滤层

在左岸坝顶高程以下40 m坝体范围沥青混凝土基座下游侧坝体范围内坡面上,铺设3 m厚混合反滤层,对防渗线下游卸荷带岩体渗流出口进行反滤保护,以防止卸荷裂隙内黄土流失,反滤料要求与心墙两侧过滤料相同,并与心墙下游侧过滤料连成整体,以防止卸荷裂隙内黄土的流失。

为避免混合反滤料中粗颗粒在岸坡面上聚集,形成粗颗粒密集带,影响反滤效果,在混合反滤层施工时,要求混合反滤料铺筑层厚为0.4 m,人工清除混合反滤料与岸坡面间的粗颗粒。

4.3 运行期监测设施

加强左坝肩绕坝渗流监测,在左岸坝轴线下游侧岸坡上布置4个渗流监测孔,在左坝肩沥青混凝土心墙下游侧不同高程布置渗压计,监测左坝肩绕坝渗流情况,及时发现左坝肩有无异常现象。

4.4 后期防渗补强措施

左岸坝顶高程处的灌浆平洞按永久洞设计,长期保留,必要时可对左坝肩进行二次灌浆,对坝顶高程以下约40.0 m高度范围内的卸荷带岩体进行加固处理。

5 结 论

(1)左坝肩坝顶高程以下约40.0 m范围内,卸荷带岩体在结构面切割组合及重力作用下,发生卸荷及倾倒变形,强卸荷带岩体裂隙非常密集且多具有较大的张开度。通过对左岸坝坡开挖处理,在坝顶高程深入岩体水平挖深15.0 m,在1 276 m高程深入岩体水平挖深24.0 m,将大部分发育较大的卸荷裂隙清除,心墙基座坐在相对较完整的基岩上。

(2)左坝肩坝顶高程以下约40.0 m范围,心墙基座宽度由4.0m加宽至8 m,设2排深孔固结灌浆孔,深孔固结灌浆伸入卸荷带弱滑裂面以下,采用4排帷幕灌浆,帷幕灌浆孔深度伸入 q≤3Lu的埋深界线以下3 m。在坝顶高程设65 m深灌浆平洞,平洞越过弱卸荷带,在灌浆平洞内布置2排固结灌浆孔和2排帷幕灌浆孔,孔深均为20 m～28m,经过对卸荷裂隙带进行深孔固结和帷幕灌浆处理,将左岸卸荷带防渗帷幕与坝基防渗帷幕连成一个整体。

(3)对坝顶高程以下40 m坝体范围的坡面,对出露的充填有黄土的裂隙采用细粒混凝土(大裂隙)或水泥砂浆(小裂隙)进行置换处理,在沥青混凝土基座下游侧削坡后的坡面上设置挂网喷混凝土结构的混凝土防护板,对坡面上的岩体进行封闭,以延长渗径。

(4)在左岸坝顶高程以下40 m坝体范围,沥青混凝土基座下游侧坡面上铺设3 m厚混合反滤层,对防渗线下游卸荷带岩体渗流出口进行反滤保护。

(5)加强左坝肩绕坝渗流监测,在左岸坝轴线下游侧岸坡上布置4个渗流监测孔,在左坝肩沥青混凝土心墙下游侧不同高程布置渗压计,监测左坝肩绕坝渗流情况,可及时发现左坝肩有无异常现象。

(6)左岸坝顶高程处的灌浆平洞按永久洞设计,必要时可对坝顶高程以下约40.0 m范围内的卸荷带岩体进行加固处理。

通过对左坝肩边坡开挖处理,已将大部分发育较大的卸荷裂隙清除;并通过加强固结灌浆和帷幕灌浆;对左坝肩坝顶高程以下约40.0 m范围内坡面上出露的卸荷裂隙进行封闭处理和反滤保护;在左岸坝轴线下游侧布置渗流监测孔和在沥青混凝土心墙下游侧不同高程布置渗压计,加强运行期左坝肩绕坝渗流监测。在左岸坝顶高程设永久灌浆平洞,必要时可对左坝肩进行二次灌浆处理。通过以上多个层次的工程措施,可确保左岸坝肩坝顶高程以下约40.0 m高度范围内卸荷带岩体的渗透稳定,左岸卸荷带防渗处理方案是安全可靠的。

[1] 孙钊.大坝基岩灌浆[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[2] 库什塔依项目组.库什塔依水电站工程地质报告[R].乌鲁木齐:新疆水利水电勘测设计研究院,2010.

[3] 库什塔依项目组.库什塔依水电站工程可行性研究报告[R].乌鲁木齐:新疆水利水电勘测设计研究院,2010.

[4] 刘安荣,陈秋华,李根,等.复杂地基处理中化学灌浆及质量控制的研究[J].水利与建筑工程学报,2010,8(1):60-61.

[5] 余学明,何顺宾.冶勒水电站沥青混凝土心墙堆石坝基础防渗处理设计[C]//第一届堆石坝国际研讨会文集,四川:成都,2009.

[6] 曲 苓,宋瑞华.恰甫其海粘土心墙坝设计[C]//第一届堆石坝国际研讨会文集,四川:成都,2009.