祝海霞，李瑞青

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

大坝地基需要具有可靠的防渗性、足够的耐久性和一定程度的均质性，但一般天然地基很少具备这些条件，常会遇到软弱、破碎、多裂隙、节理发育、渗透性大等地质条件较差的基岩。因此，需要进行处理以改善它的各项性能，使之适应筑坝工程需要。

孟底沟水电站是雅砻江中游七级开发方案中的第五个梯级，电站以发电为主，兼有防洪﹑拦沙等作用。坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高198 m。水库正常蓄水位2 254.00 m，正常蓄水位以下库容8.535亿m3，具有日调节性能。电站装机240万kW，安装4台混流式水轮发电机组，单机容量60万kW。本工程为一等大(Ⅰ)型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为一级建筑物，永久性次要建筑物为三级建筑物，临时性水工建筑物为四级建筑物。

本工程规模巨大，地处深山峡谷，坝址区地质条件较为复杂，处理技术难度大，质量要求高。大坝基础发育多条软弱结构面和蚀变岩带，拱坝基础渗控处理是本工程需要解决的重大技术问题之一。

1 工程及水文地质条件

孟底沟工程坝址区河谷呈基本对称“V”型谷，两岸谷坡陡峻，右岸山体雄厚，左岸稍差。坝区河床及两岸基岩岩性为燕山早期中细粒花岗闪长岩(γδ52)、少量黑云母花岗岩。分布有后期热气液蚀变的花岗岩化和黏土岩化蚀变岩带，规模较大的蚀变岩带发育规律性较强，部分蚀变岩发育较为密集与坝区构造关系密切，同时发育较多不规则小蚀变岩带，分布随机。

坝区内断层出露较多，规模较大、延伸较长的断层，可见25条，即f1～f20及fm1～fm5等，其中F4、F5断层规模较大，为Ⅱ级结构面。此外，还发育规模相对较大、延伸较短的断层，右岸坝基发育5条，左岸坝基发育2条，厂房发育12条。断层以陡倾为主，走向主要为NWW向和NEE向。优势产状主要为两组：①N50°～90°W/NE∠60°～80°，②N60°～90°E/NW∠65°～75°，裂隙以陡倾角为主，少量中缓倾角断层发育，左岸中倾角裂隙较发育，右岸缓倾角裂隙长大，一般延伸较短、分布、随机。坝区主要断层工程地质特征见表1。

表1 坝区主要断层工程地质特征

坝区河谷深切，谷坡陡峻，两岸岩体向河谷临空方向卸荷较为强烈，总体以集中卸荷特征为主。左右岸低高程2 110 m卸荷水平深度25～40 m；中高程2 180 m卸荷水平深度60～80 m；坝肩高程卸荷水平深度80～110 m。

由于左岸被孟底沟深切割，与雅砻江之间形成三面临空山脊，左岸地下水埋藏较深，地下水较贫乏。坝区右岸山体较雄厚，地下水较丰富，出露地层岩性除花岗闪长岩外，还出露三叠系砂板岩，受断层F4、F5及蚀变岩切割及相互影响，水文地质条件较复杂。

坝厂区岩体渗透性与岩体风化卸荷、蚀变岩带、部分蚀变花岗闪长岩带以及断层关系密切，岩体中结构面发育程度、张开性和透水率直接影响岩体渗透性，坝区可分为四个透水区。

(1)坝区强透水区：强卸荷带岩体和右岸、河床F5断层及影响带岩体裂隙张开明显，局部呈空缝，延伸长，贯通性强，地下水呈股状流水。

(2)中等透水区：主要为弱卸荷岩体、蚀变岩带及断层、部分蚀变的花岗闪长岩带，该区岩体张性裂隙发育明显，可见空缝，延伸较长，贯通性较强，地下水呈线状流水。

(3)弱透水区：主要为裂隙中等发育无卸荷微新岩体、张性裂隙发育带、F4断层影响带及左岸F5断层破碎带及影响带，该区岩体裂隙较为发育，裂隙张开不明显，延伸3～5 m，具一定的贯通性，地下水主要为渗水～滴水；左右两岸主要分布于弱卸荷带下限至以里60～180 m不等和河床主要分布于弱卸荷带下限至以下90～100 m，少部分呈透镜状分布于微透水区。

(4)微透水区：主要裂隙轻度发育无卸荷微新岩体及F4断层破碎带，该区岩体裂隙不发育-轻度发育，紧密闭合，延伸短，贯通性差，少量渗水，F4断层破碎带挤压紧密，沿断面连续分布2～10 mm泥状碎粉岩；左右两岸主要分布于弱卸荷带下限以里(180～300 m以里)，河床主要分布于弱卸荷带下限以下(90～100 m以下)。

2 拱坝基础防渗排水设计

高坝渗流控制是坝基处理的重要内容，实践表明，大坝的失事多数都是由于渗流控制不当造成的。如法国的Malpasset拱坝，由于坝肩渗透压力增大导致失事；美国高97 m的Teton土坝也是由于基岩渗流冲蚀心墙而失事。因此，坝基渗流控制事关大坝的安全与经济效益，对拱坝来说尤其重要。帷幕灌浆，可以充填封堵大的裂隙通道，大大降低产生冲刷破坏作用的渗透流速和流量，同时压入水泥浆液使一些断层等软弱岩带松软充填物受到挤压和水泥充填，更加密实，从而使其抗冲刷破坏的能力大大提高。

孟底沟工程为有效降低拱坝两岸及坝基的渗透压力，改善坝体和坝肩抗力体稳定条件，在大坝和二道坝各设置一道防渗帷幕，且大坝基础帷幕与厂房帷幕连成整体，以防止库水渗入。同时，在大坝防渗帷幕的下游平行帷幕轴线设置排水幕，大坝和二道坝之间抗力体设置多排排水幕，形成空间多道纵横向立体排水系统。防渗排水设计原则为“前堵后排、防排并举”。

2.1 防渗标准

根据《混凝土拱坝设计规范》(DL/T 5346-2006)，结合工程实践经验，拱坝坝基帷幕总体防渗设计标准为：高程2 193.00 m以下q≤1 Lu，高程2 193.00 m以上q≤3 Lu。坝基排水设计控制标准为主排水幕处扬压力折减系数α2≤0.2。

2.2 防渗帷幕布置

孟底沟拱坝坝基防渗帷幕系统由拱坝坝基帷幕、左岸主厂房帷幕、二道坝帷幕共三部分组成。

平面上，坝基防渗帷幕布置近似平行拱坝轴线，坝基帷幕均位于靠上游侧压应力区域内，在左岸坝头范围帷幕线尽可能包住左岸拱端及抗力体内岩体渗透系数超出防渗标准的区域，并与左岸厂房帷幕有机联接，形成封闭的防渗整体。在右岸帷幕线尽可能与Ⅱ级结构面F4、F5断层大角度相交，因为F4断层距坝基较近，F5断层相对渗透性较强(10～100 Lu)，遇水易软化泥化，且断层上下盘伴生蚀变岩ACZ03，性状较差，抗渗能力较差，因此防渗帷幕范围延伸穿过F5断层及伴生的蚀变岩集中带ACZ03，以确保防渗效果。

立面上，防渗帷幕设计在2 259 m、2 193 m、2 131 m、2 073 m高程左右岸分别设置4层帷幕灌浆平洞，各层平洞高差分别为58 m、62 m、66 m。由于左岸厂房位置部分处于左岸拱推力传力范围内，综合考虑岩体渗透系数和厂房防渗要求，左岸坝基各层帷幕洞与厂房帷幕洞连接，形成左岸封闭的防渗整体。右岸各层帷幕洞延伸穿过F5断层及伴生蚀变岩ACZ03。考虑F4、F5断层在右岸下部高程2 030 m附近相交，交叉范围岩体性状差，且该范围承受水头高，在长期高压水渗透作用下断层及蚀变岩性状有可能进一步弱化，力学参数进一步降低，带来防渗隐患，因此防渗帷幕范围包住右岸下部2 030～1 952 m高程之间断层交叉范围，以封闭右岸防渗薄弱部位。

同时，拱坝坝基帷幕在立面上各层帷幕平洞之间进行搭接封闭，上层平洞深孔帷幕与本层平洞上游侧壁帷幕浅孔在一定范围内进行搭接，形成立面封闭帷幕，从而确保拱坝坝基防渗帷幕连续、封闭。防渗排水布置平面示意见图1，防渗帷幕布置剖面示意见图2。

图1 防渗排水布置平面示意

图2 防渗帷幕布置剖面示意

2.3 防渗帷幕灌浆孔布置

2.3.1 帷幕排数

灌浆帷幕排数应根据帷幕线上不同的地质条件和水工要求而定。综合考虑本工程水文地质条件、不同高程防渗帷幕的设计标准及承受的水头差异，大坝帷幕在2 193 m高程以上采用一排帷幕，2 193 m高程帷幕洞以下采用两排帷幕。考虑本基础软弱岩带部位渗透薄弱部位的岩体性状，在帷幕穿左岸小断层较集中区域，以及帷幕穿右岸F4、F5断层及蚀变岩ACZ03～ ACZ07等局部部位在原排数的基础上增加一排帷幕。

2.3.2 帷幕孔深

根据渗流理论和拱坝规范，坝基帷幕深度深入基岩的相对不透水岩层，基本上全部截断渗流。本工程拱坝坝基帷幕最大深度位于河床部位，帷幕底部伸入相对不透水岩层5.0 m，最大孔深约为109 m，孔底高程为1 964 m。右岸下部帷幕包住F4断层、蚀变岩ACZ03与F5断层交叉部位，帷幕低边界为1 952 m高程。

2.3.3 孔排距

两排帷幕灌浆孔的排距为1.5 m，且交错布置，每排内帷幕灌浆孔孔距为2.0 m，在帷幕穿断层、蚀变岩等局部部位孔距可适当加密为1.0 m。

2.4 灌浆参数

2.4.1 灌浆压力

帷幕灌浆采取由疏到密逐渐加密的方式，分三序孔施工，帷幕灌浆采用孔口封闭灌浆法。第一序孔间距8 m，第二序孔间距4 m，第三序孔终孔距2 m。对F4、F5断层及蚀变岩等渗透薄弱部位灌浆孔距加密为1 m。

各孔段灌浆压力应尽快达到设计值，接触段和注入率大的孔段分级升压。为防止岩石面或混凝土面抬动，帷幕灌浆原则上一泵灌一孔。帷幕灌浆最大灌浆压力为5.0 MPa，深孔帷幕灌浆压力设计参考值详见表2。浅孔搭接帷幕灌浆压力0.5～3.0 MPa。

表2 深孔帷幕灌浆压力设计参考值

2.4.2 灌浆材料及水灰比

帷幕灌浆采用P.O 42.5级的普通硅酸盐水泥。采用2:1、1:1、0.7:1、0.5:1四级水灰比。根据帷幕灌浆生产性试验分析成果，在不同地质条件采用合理的开灌比，调整灌浆水灰比参数，以达到最佳的帷幕灌浆效果。灌浆浆液应由稀到浓逐级变换。

2.5 拱坝基础排水设计

拱坝基础排水是基础处理中一项极为重要的措施，通过排除坝基地下渗水，降低帷幕后基础的渗浮力，增加两岸坝肩岩体的稳定性，防止软弱坝基或含泥物质不连续面的承载能力的降低，增加混凝土大坝的稳定性。

孟底沟拱坝排水系统由大坝基础排水系统、坝肩抗力体和水垫塘基础排水系统两部分组成。两部分排水系统各自形成独立的封闭式抽排系统。

2.5.1 大坝基础排水系统布置

大坝基础排水系统由左右岸2 072 m、2 131 m、2 193 m高程坝基排水幕组成。低高程2 072 m平洞及坝体中的渗水汇集到坝体集水井内，由深井泵抽排至下游水垫塘，其余高程排水平洞渗水由抗力体纵横向排水平洞引至2 117 m高程水垫塘边墙顶平台排水沟，排至二道坝下游。坝基排水孔孔深度约为2/3倍主帷幕深度，最大深度76 m，坝基排水布置1排孔，一般为铅直仰孔，孔距3 m。

排水孔仰孔孔径Φ110 mm，俯孔孔径Φ130 mm。断层或者软弱岩带部位的钻孔采用花管，其钻孔孔径不小于150 mm。

2.5.2 坝肩抗力体排水系统布置

坝肩抗力体和水垫塘排水系统由左右岸抗力体内的2 072 m、2 131 m、2 193 m高程的多道纵横排水幕、二道坝基础廊道排水幕、水垫塘纵横排水廊道、集水井以及水垫塘深井泵房组成。左右岸共3层排水洞洞室群，每层各布置3条横河向排水洞、1条纵向排水洞，各排间距约为50 m。

排水孔在排水平洞内通常铅直向上、沿洞顶呈辐射状布置，洞顶每排设3个或2个排水孔，相邻孔的夹角为30°，孔深一般36～70 m，考虑左岸地质条件较右岸好，左岸排水孔排距为6 m，右岸排水孔排距一般为4 m，交错布置。

排水孔孔径，仰孔均采用Φ110 mm，俯孔孔径均采用Φ130 mm。左右岸抗力体2 069 m高程排水平洞内，排水孔除了铅直向上的仰孔外，底板还设有铅直向下钻设的俯孔。跨软弱岩带有坍塌和堵塞可能的排水钻孔，孔内需采取保护措施，设置排水盲管。

3 三维渗流分析

3.1 计算模型

考虑孟底沟坝区水文地质条件比较复杂，两岸坝肩断层及蚀变带较发育，渗漏及渗透稳定问题较为突出，因此对拱坝坝基、两岸抗力体及厂区开展了三维有限元渗流分析计算，以评价厂坝区防渗排水系统设计的渗流控制效果，分析防渗排水设计方案可能存在的薄弱环节，确保混凝土拱坝和地下厂房运行稳定与安全。

模型概化模拟了坝址区地形地貌、主要地质构造，包括右岸F4、F5断层破碎带及影响带，部分蚀变花岗闪长岩ACZ01、ACZ02、ACZ03，左岸fm5(AZm03)、f1(AZ01)、f2(AZ02)、f3(AZ03)、f6(AZ06)、f7(AZ07)、f8、f9(AZ08) 断层及相应沿断层发育的蚀变岩带。模拟了拱坝、水垫塘、二道坝及引水发电系统及防渗帷幕排水系统。厂坝区整体三维有限元模型见图3，厂坝区主要断层及蚀变岩带见图4。

图3 厂坝区整体三维有限元模型

图4 厂坝区主要断层及蚀变岩带

3.2 边界条件及渗透介质参数

3.2.1 边界条件

本次渗流控制计算分析边界条件主要有以下几种：水头边界、流量边界、浸润面边界、出渗边界。

3.2.2 渗透介质参数

本工程坝基岩体渗透性分区划分如下：强卸荷带岩体为强透水区，q≥100 Lu，渗透系数一般为K>10-2cm/s；弱卸荷带岩体为中等透水区，10 Lu

各岩体分区的渗透系数取值，如表3所示。

表3 渗流计算参数取值

3.2.3 计算工况

水库正常运行工况，上游取正常蓄水位2 254 m，下游水位取2 110 m。

3.3 渗流分析主要结论

分析成果表明，防渗排水系统在正常运行工况下，左右岸边坡、坝基及抗力体及左岸地下厂房中的渗流场得到了有效控制，山体来水渗过帷幕后发生陡降，排水孔幕下游侧及两岸抗力体内部的自由面相对较低，排水孔幕发挥了较好的排水降压作用，防渗帷幕及排水孔幕的设计方案合理，防渗排水效果显著。

厂坝区各断层及蚀变岩带整体渗透坡降较小，满足渗透稳定性要求，局部断层(蚀变岩带或蚀变密集带)与排水孔幕相交处，渗透坡降较大，最大值为10～18。对F5断层(右岸)和部分蚀变花岗闪长岩ACZ03渗透系数敏感性分析得到，F5断层(右岸)及ACZ03渗透系数增大后，断层及ACZ03通过区域自由面均有所抬升，说明断层及部分蚀变花岗闪长岩渗透性的恶化(或发生渗透破坏)，将直接导致排水廊道的涌水量剧增，同时引起帷幕附近的渗透坡降增大，是渗透薄弱部位。

总体而言，在防渗帷幕排水体系作用下，坝区流入各层坝基及抗力体排水廊道的流量为75.33 L/s，坝址区两岸的渗流量得到了有效控制。

4 渗透薄弱部位处理措施

孟底沟拱坝坝基存在多条断层和蚀变岩等软弱层带，如F4、F5断层、蚀变岩AZR03、AZR07等，上述软弱岩带除F5断层外均与上游库水相连，且岩体破碎、组成物质性状差、遇水易软化泥化，其岩体抗变形和抗渗能力差。考虑后期运行期间，在长期较高拱推力和基础高水头渗透压力作用下，存在发生渗透破坏成为渗漏通道的可能；组成物质遇水软化、泥化后可能随时间推移，其结构面的力学参数进一步降低，使得坝体应力恶化、坝肩抗力体发生变形和滑动，最终导致坝体开裂。三维渗流分析和工程经验也表明，坝基软弱岩体这些缺点会降低帷幕的耐久性，形成坝基渗透薄弱部位，影响工程安全。因此对帷幕穿断层和蚀变岩等部位，需要进一步采取特殊防渗处理措施，以提高帷幕的抗渗性能和耐久性能，最终达到工程安全可靠运行的目的。

4.1 F4断层及蚀变岩带防渗帷幕部位的置换处理

坝基F4断层主要由碎粉碎粒岩、碎斑岩组成，岩体破碎、性状差，遇水易软化；蚀变岩AZR03、AZR07等基本为黏土化蚀变，易软化，工程性质类型为S4。这些软弱岩带与上游库水相连，且位于拱坝中下部高程建基面，属于拱坝主要持力区，是坝基渗透薄弱部位，对拱坝变形稳定和渗透稳定影响较大。因此对帷幕穿F4断层和AZR03、AZR07蚀变岩部位，结合软弱岩带置深部换网格处理措施，在防渗帷幕与软弱岩带相交部位设置混凝土防渗斜井，从而确保坝基渗透薄弱部位的防渗效果。

4.2 F5断层及伴生蚀变岩ACZ03的加密灌浆处理

坝基F5断层及伴生蚀变岩ACZ03，虽不与上游库水相连，但F5断层岩体破碎、组成物质性状差、遇水易软化泥化，渗透性强。部分蚀变的花岗闪长岩ACZ03，伴生在F5断层两侧，为多条蚀变岩带较为密集发育，带宽较大，单条间距0.5～2 m，多较破碎，属中等透水。上述软弱岩带其岩体抗变形和抗渗能力差，运行期间，在长期较高拱推力和基础高水头渗透压力作用下，存在发生渗透破坏成为渗漏通道的可能。因此，右岸防渗帷幕延伸穿过F5断层及伴生蚀变岩ACZ03，综合考虑其渗透性较强的地质特性及距坝基相对较远的情况，对该范围在原帷幕排数基础上增加一排常规水泥帷幕灌浆孔，以加强防渗效果。孔深、孔距同原帷幕灌浆孔布置。

4.3 水泥-化学复合灌浆防渗处理

本工程坝基右岸发育F4断层、F5断层、蚀变岩AZR03～AZR07；左岸发育f1断层、f2断层、f3断层等及附近黏土化蚀变等，考虑上述软弱岩带部位经过普通水泥灌浆灌后效果难以满足设计防渗要求。水库蓄水后，帷幕穿断层及蚀变岩部位在高水头长期作用下可能会产生渗透破坏；另外在高渗压作用下，软弱层带会产生“软化效应”，进一步降低岩体的抗变形能力。因此对上述坝基帷幕穿断层和蚀变岩等部位，在常规水泥灌浆完成后考虑进一步采用水泥-化学复合灌浆处理，以保证工程安全顺利施工和长久有效运行。

(1)复合灌浆孔布置。水泥-化学复合灌浆应在帷幕水泥灌浆施工完成并取得了相应检测成果后，结合检测成果，在已施工完的水泥帷幕灌浆孔中间布置化学灌浆孔，布孔范围以超过断层或蚀变岩破碎带两侧各1 m为原则。

(2)孔向和孔深。在帷幕平洞内，化学灌浆孔与水泥灌浆孔交错布置，孔向尽量顺断层或蚀变岩倾向布置，化学灌浆钻孔孔向同该部位水泥灌浆孔。

(3)化学灌浆灌浆压力为0.8～3.5 MPa。

5 高坝防渗帷幕设计探讨

(1)为了保证帷幕设计和施工的正确性，一般要求地质工作不仅应查明影响大坝渗透稳定的主要地质缺陷和水文地质条件，还应进一步阐明其特性，特别是对于溶洞、裂隙、断层、破碎带等更应详细阐述。由于一般各工程地质条件千差万别，即便同一个工程坝基不同部位岩体也不尽相同，甚至相差较大，因此帷幕灌浆实施过程中，应根据开挖揭示的地质条件，动态调整灌浆孔的排数、孔距、孔深和范围、压力、浆材等参数。采取一个安全、经济的防渗帷幕措施，确保工程施工、运行安全可靠。

(2)关于灌浆压力，过去使用的灌浆压力较小，近些年我国拱坝帷幕最大灌浆压力已经提高到6 MPa，某些情况下更高，目前规范[3]中规定“帷幕灌浆顶段的灌浆压力不宜小于1.5倍的坝前静水头；孔底段不应小于2倍坝前静水头，但不宜大于6.0 MPa，且不得抬动岩体。”这种把灌浆压力与坝高联系起来的考虑值得注意和研究。

灌浆压力的使用与坝基地质条件、埋藏深度、灌浆设备和方法等因素有关，原则上需通过灌浆试验确定，以及在不影响上部坝体的条件下，尽量取用较大值，但也不是越大越好，过大的压力可能会劈裂岩体，产生新的裂隙。

(3)考虑备留日后帷幕补修、补强灌浆的施工条件。由于大坝基岩地质条件多变和灌浆技术的局限性、复杂性，帷幕灌浆施工、材料耐久性比较难于做到尽善尽美。即使灌浆帷幕质量很好，经过若干年运行后，也有可能出现一些问题。为此，在进行帷幕设计时，应考虑为日后补灌工作创造有利的施工条件，如：设置足够尺寸的廊道、预留补充灌浆的施工部位、必要时可以降低库水位的措施等，使后续工作不致被动。

6 结 论

孟底沟拱坝坝基地质条件较为复杂，主要发育F4、F5断层及AZR蚀变岩带、ACZ蚀变岩等，断层两侧多伴生蚀变岩，这些地质缺陷对拱坝变形稳定、渗透稳定影响较大，坝基防渗排水设计是拱坝设计和建设的关键技术问题之一。设计提出的坝基防渗帷幕和排水处理措施，经过三维渗流分析论证表明，孟底沟拱坝坝基防渗帷幕和排水孔幕设计方案满足防渗要求，能够确保工程的长期安全稳定运行。这套坝基防渗排水设计方法和处理思路，对类似大坝工程复杂地基防渗处理具有借鉴意义。

孟底沟拱坝后续实施过程中，结合开挖揭示的地质条件，实时分析、动态设计，基础防渗排水处理效果良好，大坝安全。