山体灌浆防渗技术，提高水利枢纽安全性

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：水位超过235m后左岸山体渗漏情况。小浪底水库2001年12月7日库水位超过235m，2002年3月1日，水库水位达240.87m，3月2日起开始向下游供水，库水位逐渐回落。30号排水洞位于地下厂房四周，洞底高程117m，位于天然地下水位以下约20m。根据渗水监测，30号排水洞排水底孔的渗水量约占地下厂房总渗水量的90%。

河南小浪底水库自1999年10月25 日下闸蓄水以来，随着库水位的逐渐升高，两岸坝肩渗漏量有所加大，当库水位于2001年12月2日首次超过235m后，左岸山体出现渗漏量明显超出设计估算值，经对库区水文地质条件进行分析，结合瞬变电磁法和同位素法对渗漏通道的探测结果，在1号、2号、4号、28号、30号等排水洞采取了帷幕补强灌浆、化学灌浆封堵、封堵断层等技术措施综合处理，排水量减少幅度达到25%～40%的明显效果。

（1）坝址区左岸山体地质条件。小浪底坝址区内断层、裂隙发育，出露在左岸的F236、F238、F20断层呈近东西向展布，贯穿水库上下游。主要透水岩层T14中走向285°（上、下游方向）的一组节理线连通率最高，这样裂隙与断层组合，形成了坝基以断层为主导的渗流网络。

左岸山体出露地层为三叠系下统刘家沟组（T11～T15）、和尚沟组（T16、T17），岩性为硅钙质中细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质粘土岩互层。从整体而言，岩体中夹有弱透水岩层，顺层的渗透性大于垂直的渗透性。左岸岩体风化卸荷带厚度各处不一，变化在5～50m之间，一般岸坡及山岭分布较厚，谷地较薄，带内岩体透水性增大。这类岩体组成了左岸壳状渗透结构。

因此，左岸山体为多层状非均质各向异性透水岩体。断层使岩体透水性具有带状分布规律，风化卸荷作用则增强了上部壳状岩体的渗透性，形成左岸山体层状、带状、壳状渗透结构相互组合的渗透性分布结果。

（2）水位超过235m后左岸山体渗漏情况。小浪底水库2001年12月7日库水位超过235m，2002年3月1日，水库水位达240.87m，3月2日起开始向下游供水，库水位逐渐回落。当库水位超过235m后，曾出现以下现象：

1）1号排水洞内U-028孔内有岩块被渗水带出。

2）2号排水洞位于左岸，洞底高程约170m，其上有3号排水洞，3号排水洞的排水孔与2号排水洞相通，该排水幕主要拦截通过灌浆帷幕（或由幕底绕渗）的渗水，以保证灌浆帷幕后洞群区的地下水位低于高程200m。

2号排水洞内靠近南侧的U-028～U-036排水顶孔（桩号自0+083.50～0+107.50）中有6个孔的渗水量在库水位超过235m后显著增加。2002年2月6日（库水位238.85m）在测流时发现U-028孔中有软岩岩块、岩屑被渗水带出，散落在排水孔孔口管周围。被带出岩块、岩屑称量共重达21.7kg。根据被带出岩块、岩屑的岩性分析，它们是T14中软岩夹层在造孔过程中受到扰动，当渗水在排水孔处的流速达到一定量值后被带出，不属于渗透冲刷破坏。

3）30号排水洞及地下厂房的渗水量变化较大。30号排水洞位于地下厂房四周，洞底高程117m，位于天然地下水位以下约20m。向下排水孔孔底高程为85.0m和100m，位于T13-1岩层内。

根据渗水监测，30号排水洞排水底孔的渗水量约占地下厂房总渗水量的90%。

4）当库水位超过235m后，30号排水洞、地下厂房顶拱及上游边墙的渗水呈增加趋势。典型库水位和30号排水洞的日渗水量变化情况见表8.3。

表8.3　30号排水洞渗水量变化情况

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由表8.3可以看出：库水位由234.95m上升到240.83m时，日渗水量增加2624m3/d，库水位每上升1m，渗水流量平均增加5.18L/s，而库水位由230.14m上升到235.35m时，库水位每上升1m，渗水流量平均增加3.7L/s。根据库水位变化与渗水量变化滞后约4天推算，并结合8号交通洞渗水量变化情况，约在库水位237～239m时渗水量出现陡增。

（3）原因分析。

1）岸边岩体的风化卸荷带与岩体破碎带组合形成渗漏通道。2号排水洞南侧并无构造发育，集中渗漏通道可能由岸坡岩体受风化卸荷影响，形成走向270°～290°连通性很好的裂隙与随机出现的剪切破碎带组合而成。2号排水洞南侧的6个排水孔均位于T14岩层内，强透水的T14地层在坝上游的冲沟内大面积裸露，距上述排水孔仅80～200m，距地表岩面约50m，位于岸坡风化卸荷带内，当库水位升高后，库水淹没T14地层的面积迅速增加，故造成渗漏量增加较大。

2）F28断层及其分支断层与走向270°～290°的裂隙组合形成渗漏通道。

①2001年1月9日，在溢洪道灌浆孔内用高锰酸钾做示踪试验，于次日在30号排水洞内的66～83号顶孔间有10个孔流红色水；

②2002年3月9日用100m3/h的泵向灌浆洞内做灌水试验，洞内水位不抬升，因为0+000.0～0+215.0间洞段已衬砌，仅桩号0+215.0～0+233.0间刚开挖完，尚未衬砌，说明可能的入渗点只能在以上两个桩号间的18m洞段。地质资料表明：0+215.0～0+233.0间发育有F28断层的分支断层，其走向NE50°；

③用瞬变电磁法探测结果表明，在溢洪道和副坝间、高程122.0～170.0m间有5条宽度8～40m的集中渗流通道（见图8.6）；

④用同位素综合示踪方法自2002年4月起重点探测了30号和28号排水洞渗漏异常带，结果表明：在F28断层下盘与灌浆帷幕之间高程58m以上的地层中，存在一条深部的基岩渗漏通道。该通道在岩层T13-1中，绕过坝肩，最大的影响深度达高程58m，是造成30号排水洞渗水量偏大的主要原因（见图8.7）。

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图8.6　瞬间电磁法探测渗流通道

pagenumber_ebook=408,pagenumber_book=376 (www.chuimin.cn)

图8.7　同位素示踪渗漏通道

通过以上分析说明，在溢洪道与副坝之间可能存在集中渗漏通道。通过对4号灌浆洞和4号排水洞地质素描图的核查，发现走向270°～290°的裂隙十分发育，约3～5条/m。据此判断，当库水位超过235m后，30号排水洞和地下厂房渗水剧增的现象可能是由F28断层及其分支断层与走向270°～290°的裂隙密集带组合形成集中渗漏通道所致。

3）入渗面积增加。

①左岸出露岩层除T15-1外都是透水岩层，在迎水边坡，主要透水岩层T14出露高程约200～260m，所以随着库水位的上升，入渗面积也随之增加；

②Px断层为倾向NW（即库内）断距达300m的大断层，断层本身为阻水带，随着库水位的升高，库水淹没了该断层，水可以直接从F28断层下盘影响带及下盘岩石边坡入渗，并与走向270°～290°的裂隙组合，形成较为通畅的渗漏通道。

（4）处理渗漏所采取的工程措施。

1）2号排水洞集中渗漏带的处理。

①在U-028～U-036间的9个排水孔内安装组合过滤体，以防冲蚀进一步扩大，并在当时出水量大的U-028和U-034两个孔上安装控制阀门、压力表和流量表。在U-028～U-036孔间的洞顶进行回填灌浆补强。该项措施完成后，未再见有岩屑及细颗粒带出，未发现排水孔间歇排水的情况；

②左岸岸坡段帷幕补强灌浆。2号排水洞南端渗漏的原因是近岸边卸荷造成剪切破碎带和该部位岩石向下游高倾角倾斜形成渗漏通道。U-028～U-036孔在帷幕轴线上的桩号为DC0+078.82～DG0+045.77，而该段中DG0+057.50以南的岸坡段未做帷幕补强灌浆，且正好位于岸边岩体风化卸荷区。因此，决定在3号灌浆洞内对4号灌浆洞以南，3号灌浆洞以上，大坝帷幕灌浆副孔线以下的三角区域进行补强灌浆。该项工程于2003年8月18日完成。帷幕灌浆范围见图8.8。

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图8.8　左岸岸坡补强灌浆范围图

2）30号排水洞及地下厂房区集中渗漏带的处理。

①30号排水洞的排水孔流量控制。30号排水洞内排水底孔的渗水量约占总渗水量的90%，在确保渗压水位不超过130m的条件下，对渗水流量大于1L/s的底孔进行控制，并在渗水流量大于4L/s的4个孔上同时安装流量表。同时，将30号排水洞的部分水量导向新增渗漏排水泵房，以减轻渗漏排水泵房的抽水压力，确保厂房的运行安全；

②厂房顶拱渗水处理。对厂房顶拱的局部渗水，对顶拱f1、f2小断层带1.5m深度范围内进行化学灌浆封堵，采用0.3MPa的压力。在渗水量大的位置布设排水孔，孔深2.5m，孔内安装组合过滤体，使渗水有序排出；

③补打4号、28号排水洞部分排水孔。4号排水洞位于28号排水洞上游，洞底高程约184～190m，主要拦截上部岩体的渗水，由于地面帷幕灌浆和4号灌浆洞内帷幕补强灌浆，致使4号排水洞内的排水顶孔和底孔被水泥浆堵塞，共计约70个，其中顶孔32个。这些被水泥浆堵塞的孔正是集中的渗水通道。为提高排水效果，在这些被堵塞孔的两侧补打部分排水孔，孔内安装组合过滤体，共计补打顶孔49个。鉴于厂房周边28号、30号排水洞在厂房边墙和顶拱范围内的排水孔出水量很小，而边墙范围内渗压计测值偏高，为使排水幕能有效拦截该区域渗水，确保厂房安全运行，决定补打28号排水洞排水孔，为排除T15-2岩层的渗水及断层带、节理密集带的渗水，将原顶拱排水孔（0+518.3～0+761.54）加深至T15-1岩层以上5m，补打f1、f2断层范围内的排水孔；

④进一步封堵地质探洞。对位于灌浆帷幕上游侧的地质探洞（1号洞），П17（2号洞）、П19（4号洞）、П24（28号洞）、П25（30号洞）用C25混凝土封堵并进行回填灌浆。对穿过帷幕线的30号洞进行补充灌浆封堵，以截断所有可能的入渗口和渗漏通道；

⑤封堵Px断层入渗通道。根据同位素示踪及地下厂房渗水量随库水位变化观测资料分析，F28断层带及其分支断层与走向270°～290°的裂隙组合，可能是地下厂房区渗漏的主要入渗口和通道。为此，对约215m高程以上的F28断层带及其下盘影响带用挖槽回填土封堵；对下盘岩石边坡喷0.2m厚加防水剂的混凝土予以封闭，尽可能减少库水的入渗；对垂直于断层走向的断层带及其影响带封堵灌浆至T12岩层内；

⑥左岸山体帷幕补强灌浆。根据黄委设计院物探总队对左岸山体集中渗漏通道的探测结果，并考虑集中渗漏通道对地下厂房、孔板洞中闸室安全的影响，在3号、4号灌浆洞内对其冲的TD1、TD2集中渗漏通道进行补强灌浆封堵，其他3条通道位于副坝下方，暂不进行处理。

（5）防渗效果。以上各项综合处理措施完成后渗漏量对比效果见表8.4。由表中可以看出，各级水位下总排水量均比以前减少，减少幅度为25%～40%，尤其是2号排水洞，240m库水位时渗漏量由1692m3/d减小为68m3/d，效果相当显著。以上说明库区山体渗漏综合处理措施在240m以下是卓有成效的。

表8.4　各洞渗水量同库水位对比表

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左岸山体防渗处理渗漏通道探测准确，并采取了合适的处理措施，对于240m以下防渗收到较好效果，尤其是瞬变电磁法和同位素法探测技术的使用，给处理工作提供了更多的依据。针对左岸山体渗漏问题除采取了以上工程措施外，还采取了包括优化水库调度、利用异重流拉沙、加速坝前淤积等其他措施，以期尽可能减少库水渗漏。今后需加强监测，不断总结经验，针对新出现的问题，及时研究处理，确保工程运行安全，发挥最大的效益。

山体灌浆防渗技术，提高水利枢纽安全性

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