(19)观音阁坝基防渗

观音阁水库坝基防渗处理设计【摘要】观音阁系在岩溶地区建坝，关键在于坝基防渗的可靠性。坝基防渗包括溶洞处理、断层处理和坝基帷幕灌浆。坝基溶洞一般进行开挖、回填或灌浆处理。F8与F26断层交会区，采取开挖防渗井、回填混凝土及高压固结灌浆进行处理。54#坝段以左坝基以“10m页岩”为隔水层，采用高压灌浆法，形成封闭式帷幕；以右采用悬挂式帷幕，防止坝基和绕坝渗漏。【关键词】坝基渗漏 岩溶 高压灌浆 帷幕灌浆 断层处理一、前言观音阁坝是我国继贵州乌江渡、东风和湖北隔河岩之后在岩溶地区修建的第四座高坝。在岩溶地区筑坝，关键在于库区及坝基防渗的可靠性。观音阁库区两岸高山连绵，地形封闭条件好，且外围为非可溶岩分水岭所包围；库区回水范围内，无通向库外的渗漏通道。因此，库区不存在永久渗漏问题；只有坝基及右岸需要采取可靠的防渗措施。本文重点阐述坝基防渗处理设计，其他措施将不涉及。二、坝址区工程地质条件坝址河床为“U”形不对称横向谷。左岸山势陡峻，山体宽厚，地形完整。右岸山势低缓，沟谷发育。坝址区为泉水向斜西翼倒转地层，出露张夏灰岩、灰页岩互层和“10m页岩”三个岩组。岩层横河展布，倾向下游，倾角55。张夏灰岩为块状结构。岩质致密坚硬，力学强度高，但系岩溶化地层，具强透水性。坝的大部分座落在张夏灰岩上。灰页岩互层组位于坝踵部位。由于灰页岩相间分布，页岩含量及灰岩单层厚度不同，相对隔水性能和岩溶发育程度也有差异。“10m页岩”由85%以上的页岩夹少量薄层灰岩和竹叶状灰岩透镜体组成。厚度10.9117.31m。产状稳定，连续展布。岩溶不发育，隔水性强。坝址右岸断裂发育，构造复杂。左岸构造简单。F1断层近东西向，横贯右坝肩，其外200余米系右岸构造复杂带，存在绕坝渗漏问题。F8断层近北西向，与坝轴线斜交，是坝基内最大的断层。该断层将“10m页岩”部分错断，尚有12m搭接。F26断层是张夏灰岩和互层岩组间的层间错动，平行坝轴线展布。三、溶洞处理 对坝基开挖揭示的、或已查明埋深浅的旱洞，一律挖深23倍洞宽，清除充填物，凿除锈蚀层，冲洗后回填混凝土。（一）涌水洞处理岩溶地区筑坝，常见涌水洞，且涌水量较大。例如，5#坝段有3个涌水洞，涌水量达600m3h。对此，首先用导管将两个小洞的水引入大洞，然后在大洞用钢板或预制混凝土管围成竖井，内置吸水龙头。浇注混凝土时，抽水以降低地下水位。待混凝土浇筑到地下水位以上时，取出吸水管，插入回填灌浆管，并向井内投入二级配骨料，封住孔口，继续浇筑混凝土。在坝基固结灌浆前，必须进行回填灌浆处理。（二）241孔溶洞处理地质勘探钻孔时发现坝下最大的溶洞是：24#1孔溶洞，位于32#坝段，埋深41m，累计洞径20m，全充填；230#孔溶洞，位于24#坝段帷幕线上，埋深51m，4个串珠状空洞，累计洞径13.78m.。经计算分析，决定230#孔溶洞结合帷幕灌浆一并处理；241孔溶洞先期进行灌浆处理。后者实质上系一陡倾角溶蚀裂隙，处理时共打17个钻孔，总进尺1251；其中10孔遇洞，共灌入水泥砂浆547。经钻孔圧水检查，均小于3Lu。（三）右岸灌浆隧洞37 #衬砌段溶洞处理在右岸灌浆隧洞37#衬砌段下游侧发现一厅堂式大溶洞，长15，宽9，高35，容积5403，见图1和图2。图1 隧洞37 #衬砌段溶洞平面（单位：）对该溶洞采用回填砂砾料和灌浆处理。该段衬砌后，于地面布置5个110钻孔。通过孔口漏斗将11的砂、砾混合料投入洞内，用水冲并下钻具搅动。通过预埋排水管将水推至隧洞。图2 隧洞37 #衬砌段溶洞剖面（单位）待水排净，关闭阀门。通过1、3号孔灌入水泥砂浆，并投入砂砾料3173，灌水泥砂浆5663。溶洞处理后，进行该衬砌段的回填灌浆和固结灌浆。4、断层处理对于坝基内的断层，一般均采用加深开挖处理。F8断层是坝基内最大的断层，斜穿 21#28#坝段，与坝轴线成45斜交，在23#坝段坝轴线附近与F26断层交会。岩体破碎，风化宽且深，岩溶强烈发育，对坝基防渗、变形和坝体稳定均有影响。为此，经方案比较，决定采用混凝土防渗井处理。祥见图3和图4。图3 23#坝段F8防渗井横断面（单位：）图4 F8防渗井纵剖面（单位：）F8防渗井在坝基开挖前先期施工。开挖过程中，基坑大量涌水，施工难度很大。1990年挖至174.80高程，交会区内5个竖直涌水洞涌水量达0.63。继续开挖难度大，进展迟缓。经研究决定防渗井不再继续下挖。其下采取加强固结灌浆进行处理，以提高断层交会区坝基的承载和防渗能力。加强固结灌浆采用与帷幕灌浆相同的高压灌浆工艺。在防渗井范围内，垂直岩层走向布孔。排、孔距均为3，孔底达150.00高程。加强固结灌浆透水性设计标准为3Lu。防渗井部位的固结灌浆划分为近帷幕区和外围区。孔段划分及灌浆压力见表1。表1 加强固结灌浆段长及灌浆压力灌 浆 段12345近帷幕区L（m）55555P（MPa）0.50.81.22.03.0外围区L（m）5577P（MPa）0.50.81.01.2经上述处理后，布设7个检查孔，做19段圧水试验。除1段为4u外，其余均小于3Lu .且80%小于1Lu。灌浆效果明显。五、防渗帷幕设计（一）现场灌浆试验为了了解岩溶地区防渗帷幕的可行性与可靠性，并为设计提供依据，曾进行3次现场灌浆试验。前两次灌浆试验设计灌浆压力3MPa。灌后钻孔检查，洞内淤泥仍呈松散状态。圧水试验u值较灌浆前有所降低，但未达到设计标准1u。为此，第三次灌浆压力采用5MPa进行高压灌浆试验。试区岩体受构造裂隙切割，完整性差，灌前压水试验平均达15.6u。灌后圧水检查，均满足设计要求，且大部分孔段小于0.1Lu。灌后声波波速比灌前明显提高，见表2。后经坝基开挖揭示，洞内充填物已被挤压密实，中间被浆脉切割，四周为15厚的水泥结石所包裹，灌浆效果非常显著。表2 第三次试区声波测试成果孔 序波速（ms）灌 前灌 后检查孔2663271930273375323433973120为了进一步了解防渗帷幕被击穿的可能性，又在该试区进行了破坏性圧水试验。圧水曲线见图5。据此分析，该防渗帷幕在1.52.0MPa（相当于23倍库水头）作用下是稳定的。图5 破坏性圧水试验曲线（二）幕体设计幕线总长1627，包括左岸绕渗段142、坝下1036、右岸绕渗段449。防渗面积18104。灌浆孔总进尺21.6104。两岸幕顶高程为正常蓄水位255.2。幕底从左岸54#坝段均与“10页岩”连接，构成封闭式帷幕。54#坝段以右为悬挂式帷幕。最大幕深位于F8断层带，达120余米。帷幕层次视具体部位为13层，搭接方式分别采用迭瓦式或竖直式。左岸绕渗段设一排灌浆孔。F8断层带和右岸构造复杂带三排孔，其余均为两排孔。排距孔距分别为1.2和2.0。设计段长及灌浆压力见表3。表3 设计段长及灌浆压力 段 1 2 3 4 5 L（） 2 1 2 5 5P（MPa） 1 2 3 4 5幕体防渗设计标准为1u，其中1、2段合格率为100%。灌前圧水试验只在下游排做，其余排不做。其中先导孔做正规圧水试验，其余各序孔做简易圧水试验。（三）设计变更 采用自动记录仪后的设计变更观音阁是我国首次在帷幕灌浆施工中全面采用自动记录仪的工程。自动记录仪计量精确。但按照规范规定，长时间达不到结束标准。因长时间在高圧下工作，灌浆设备损坏严重，固管现象增多。经分析，产生固管的主要原因是高压、小注入率、灌浓浆。为此决定： 适当降低设计压力，灰岩4.5 MPa，灰页岩互层组4 MPa，页岩3 MPa；）屏浆浓度变稀，在设计压力下，注入率小于10Lmin时，灌浆和屏浆的浆液浓度按表4执行； 结束标准，在设计压力下，当注入率Q2Lmin时，屏浆时间120min；当注入率0.4Lmin时，屏浆时间60min。表4 高压下注入率灌、屏浆浓度孔深（m）灌浆浓度屏浆浓度701：12：1702：13：1 断层交会区处理22#24#坝段为断层交会区。地质条件复杂，钻孔返砂、涌水、塌孔现象不断发生。原设计要求，当灌浆段单耗大于2tm、灌浆压力仍小于1.5 MPa时，改灌水泥砂浆；待凝后复钻灌水泥浆直至屏浆。由于屏浆压力高，待凝后的水泥砂浆经常被击穿，致使压力下降，注入率陡增，又需改灌水泥砂浆。周而复始，反复更换泥浆泵和砂浆泵，严重影响工期。为此，经试验研究，决定另配一套粉煤灰制浆、输浆系统，制备0.5：1的粉煤灰浆液，使其以0.51.5倍体积比与0.5：1水泥浆掺配成混合浆液，加3%促凝剂进行灌注。待达到设计压力、注入率小于10Lmin时，改灌纯水泥浆直至屏浆。下游排采取这种措施后，既解决了该部位久灌不屏的问题，又使上、下游排各序孔单耗急剧递减，灌浆效果非常明显，见表5。表5 断层交会区各排、序单耗统计孔序1（）（）（）平均值总耗灰量（t）下游排1720272819512032586.2上游排1021014372156.2中间排9.45.14.86.112.9 右岸构造复杂带处理右岸坝外4898，断层密集交错，岩溶发育，洞内充填黄泥，为右岸构造复杂带最差地段。该段灌浆的特点是低压注入率很小，压力超过2MPa，注入率急剧增大，长时间灌注无减小趋势，掺促凝剂亦无明显效果。为此，决定将该坝段下游排灌浆压力降为2MPa， 并明确规定严禁超压；上游排改为3.5MPa；中间排仍采用4.5 MPa。设计变更后，顺利地完成了该段的施工，效果明显。祥见表6。表6 右岸坝外4898段各排、序单耗统计孔序1（m）（m）（m）P（MPa）下游排218011567442上游排34.941.242.83.5中间排17.913.014.24.5 大耗浆段的处理灰岩岩溶发育不规律，在许多地质条件较好的部位，也有大耗浆段，而且分布很不集中。对于这些大耗浆段采用水泥砂浆灌注，砂浆泵移动频繁，廊道内设备多，十分不便，且磨损严重。为此，经多次试验，采用掺锯末和促凝剂的水泥浆，用高压泥浆泵灌注。当达到设计压力、注入率小于10Lmin时，改用纯水泥浆灌注直至屏浆。这一措施，对溶蚀裂隙发育部位尤为有效。 灌浆段长修改观音阁帷幕灌浆第4段以下设计段长均为5。在帷幕灌浆施工期间，我们随时将各孔段的灌浆资料输入计算机，及时分析各分部工程排、序单耗递减规律。在此基础上，对三排中的下游排和上游排单耗递减特别显著的中间排、两排中的下游排单耗不大的上游排以及单排中、序单耗不大的序孔，将原设计段长5改为7.5。修改段长前、后各排、序的实际单耗见表7。这样，既保证了灌浆帷幕的质量，又加快了施工进度，为水库下闸蓄水和工程竣工赢得了时间。表7 修改段长部位单耗统计（单位m）排（孔）序下游排单排、序上游排单排序中间排2229坝段三排81171.68.5右岸190隧洞三排391255.9二排1.579.314坝段193洞 左岸绕渗段二排527.6单排645.7六、结 语 观音阁水库于1994年8月28日下闸蓄水至今，库水位已达到220.00高程以上，从外部观察及内部观测均未见异常，说明观音阁岩溶坝基各项防渗处理措施的设计、施工是成功的。 在国内大型帷幕灌浆工程施工中，首次全面采用自动记录仪监测，对确保帷幕灌浆施工质量、满足各项设计要求和标准起到了重要的保证作用；但自动记录仪的使用，也迫使我们研究、解决出现的新问题，其中有的业已突破现行规范的标准，有待进一步实践，积累、总结经验。 对F8断层带和右岸构造复杂带帷幕灌浆，因地制宜地进行了大胆的探索，取得了成效，可供类似工程参考。 岩溶地区帷幕灌浆工程量大，排污量也大。对此，设计者应对排污出路预作安排，施工者则应进行专题设计；否则，将严重影响施工的顺利进行。载：水利水电技术.1995年地8期，P.57-61.11