锦屏一级水电站坝基防渗排水及特殊处理设计

唐志丹 祝海霞 潘晓红

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072）

【摘要】作为国家重点工程，锦屏一级水电站水文地质条件极其复杂，基础不良地质区域透水性强，在整个设计工作中，防渗是工程成败的关键环节之一。本文从大坝防渗排水系统设计角度出发，结合帷幕灌浆过程中出现的特殊问题及现场情况，通过对大坝防渗帷幕渗流复核计算和分析总结，提出相关解决方案，旨在为类似工程防渗排水设计提供工程经验参考。

【关键词】锦屏一级水电站；防渗帷幕设计；排水设计；水泥+化学复合灌浆；渗流复核

1 工程及水文地质概况

锦屏一级水电站位于四川省盐源县、木里县交界的雅砻江干流，是雅砻江水能资源最富集的中、下游河段五级水电开发中的第一级。电站以发电为主，兼有防洪、拦沙等作用。水库正常蓄水位1880m，总库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，为年调节水库。电站装机容量3600MW。锦屏一级水电站属于一等大（Ⅰ）型工程，永久性建筑物为Ⅰ级建筑物。挡水建筑物采用混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高305m，坝顶高程1885m。

锦屏一级水电站坝基水文地质情况表明：建基面岩体渗透性属中等～弱透水，左岸岩体q＞10Lu，右岸岩体q为3～10Lu之间，河床基岩q为3～10Lu、局部q＞10Lu。大坝左岸抗力体发育f5断层、f2断层、煌斑岩脉（X）等软弱结构面和分布范围较广的Ⅳ2级岩体、深部拉裂缝，尤其在中上部的砂板岩中深卸荷底界水平深度为200～300m。大坝右岸基础岩体受f13、f14、f18等断层以及NW、NWW向溶蚀裂隙发育等影响（表1），且f13、f14断层为坝肩抗滑稳定控制边界。上述软弱岩带除煌斑岩脉外均与上游库水相连，且岩体破碎、组成物质性状差、渗透性强，遇水易软化泥化，其岩体抗变形和抗渗能力差（图1～图3）。

2 防渗排水布置设计

2.1 设计标准

根据规范和工程实践经验，结合锦屏一级高拱坝的实际情况，坝基灌浆帷幕设计标准为：1829m以上q≤3Lu,1829m以下q≤1Lu，帷幕允许渗透梯度Ia=30, α1≤0.4，拱坝坝基主排水幕处扬压力折减系数α2≤0.2。

2.2 防渗排水总体布置

为了有效地降低两岸及坝基的渗透压力，改善坝体和坝肩抗力体稳定条件，采取了“防排并举”的设计原则。一方面，在大坝和二道坝各设置一道防渗帷幕（大坝右岸基础帷幕与厂房帷幕连成整体），以防止库水和下游尾水入渗；另一方面，在大坝帷幕后及坝址贴角处各布置一道排水幕，并在大坝和二道坝之间抗力体设置多条空间纵横交错的排水幕，形成空间立体排水系统。并且，在帷幕灌浆实施过程中始终贯彻“动态设计”的宗旨，随着工程的推进，根据实际情况及时调整帷幕灌浆及排水孔的布置和参数。

2.3 防渗帷幕的设计

平面上，大坝基础帷幕线近似平行拱坝轴线，沿基础廊道布置，两岸坝基帷幕中心线基本位于靠上游侧压应力区域内。在坝头附近帷幕线折向上游近横河向方向，并经过导流洞堵头段，尽早截断渗水，减小坝肩抗力体所受的渗压。右岸坝头帷幕线在坝顶高程伸长200m左右与厂方帷幕相连后折向上游，可以更好的阻止上游库水通过普斯罗沟向下游和抗力体渗透（图4）。立面上，根据现有施工水平，分别在左右岸1885m、1829m、1785m、1730m、1670m和1601m高程设置6层基础帷幕灌浆平洞（见图5）。

2.4 帷幕的结构设计

2.4.1 帷幕层间搭接设计

两岸山体内各层帷幕灌浆平洞轴线在平面上重合，除了1601m高程主帷幕竖直向下，副帷幕向上游倾斜1°之外，其余各层帷幕向上游倾角为9°～13°之间，两层深孔帷幕之间设置浅孔搭接帷幕，考虑到锦屏特殊的地质条件以及拱坝设计规范之相关要求，锦屏帷幕平洞上游侧浅孔搭接帷幕布置排数较多，整个上游侧形成一个具有一定灌浆压力的封闭整体帷幕。

2.4.2 穿帷幕轴线各永久洞室部位帷幕设计

锦屏一级水电站右岸布置的1条泄洪洞和6条压力管道均穿过大坝帷幕轴线，泄洪洞和压力管道内径都超过10m，该区域的帷幕灌浆由从洞室内进行的环形辐射灌浆和从帷幕灌浆平洞内进行的帷幕灌相搭接组成。考虑钻孔过程中的合理孔斜偏差，从洞室进行的辐射帷幕上下游各增加一排，以保证帷幕空间良好的搭接。

2.4.3 断层、岩脉部位的防渗设计

锦屏一级水电站左岸的f5断层、煌斑岩脉，右岸的f13、f14断层主要断层和主岩脉部位性状差，常规水泥灌浆以及水泥化学复合灌浆效果均不佳，为了达到大坝整体渗控要求，对于左岸1829～1670m高程之间的煌斑岩脉、1730～1670m之间的f5断层，右岸1601～1730m高程之间的f14断层、1730～1885m高程之间的f13断层在大坝防渗帷幕部位均采取了混凝土防渗斜井置换。

2.5 帷幕灌浆参数

根据规范相关要求，结合锦屏自身水文地质特点及三维渗流分析成果，借鉴国际国内同等规模工程经验，确定水泥帷幕灌浆相关各项参数。

2.5.1 排数

大坝帷幕一般布置：1829m高程以上为1排，1829～1730m高程为2排，1730m高程以下为3排；1885～1730m高程左岸距建基面250m范围、右岸f13断层以外区域，增加一排。

2.5.2 孔、排距

采用孔距一般为2m，断层等软弱岩体孔距加密至1m排距稍小于孔距，1.5～1.3m，且交错布置。

2.5.3 灌浆材料及水灰比

帷幕灌浆为P.O42.5级的普通硅酸盐水泥，细度通过80μm方孔筛筛余量不大于5%。采用五级或者四级水灰比。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，以最佳的达到帷幕灌浆效果。灌浆浆液应由稀到浓逐级变换。

2.5.4 灌浆压力

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。帷幕灌浆压力参考值见表2，最大灌浆压力为6.5MPa。

2.6 排水的设计

大坝排水系统由大坝基础排水系统和坝肩抗力体排水系统两部分组成。两部分排水系统各自形成独立的抽排系统。

2.6.1 大坝基础排水系统布置

大坝坝基排水系统由两道排水幕、坝内集水井和深井泵房组成。第一道坝基排水幕平面上位于帷幕灌浆幕后一定距离，沿大坝帷幕方向。左右岸布置高程为1829m、1785m、1730m、1670m和1595m，渗水汇入坝内设置的集水井抽排至水垫塘。第二道坝后贴角排水幕位于高程1870～1670m间坝趾贴角上，由一排排水孔组成。为自由出流，渗水沿下游贴角，排入水垫塘内。

排水孔仰孔孔径φ110mm，俯孔孔径φ130mm。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150mm。

坝基排水孔间距一般为3m，局部（左岸煌斑岩脉、f5、右岸f13、f14断层等部位）排水孔间距加密为2m。

2.6.2 坝肩抗力体排水系统布置

坝肩抗力体排水系统由分布于左右岸抗力体范围内空间纵横交错的排水幕组成。该系统为自排，渗水自行流入水垫塘。

平面上，左岸坝肩抗力体排水系统布置了4横2纵5层的排水洞，排水平洞和固结灌浆平洞结合，尽量做到“一洞多用”。右岸设置4横和4纵5层的排水平洞，除局部排水平洞需避开抗力体范围内的其他洞室略为调整位置外，各排间距为25m、45m和45m。

抗力体排水平洞内辐射排水孔孔深视具体部位而定，共设置三排排水孔，相邻孔的夹角为30°，孔距5m，排距0.5m，交错布置。

排水孔仰孔孔径φ110mm，俯孔孔径φ130mm。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150mm。

3 帷幕灌浆特殊情况及处理措施

3.1 帷幕部位的断层破碎带、煌斑岩脉和层间挤压错动带等防渗处理

大坝左岸基础岩体存在f5断层、煌斑岩脉、f2断层及层间挤压错动带，大坝右岸基础岩体存在f13断层、f14断层、f18断层，此类软弱岩带除煌斑岩脉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。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而逐渐压缩和塑性变形；结构面的力学参数可能进一步降低，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。现场试验和工程经验亦表明，软弱岩这些缺点会降低帷幕的耐久性，影响工程安全。因此，整个防渗设计过程中，除设置混凝土防渗斜井外，在防渗帷幕与软弱岩带相交部位水泥灌浆完成后，采用化学灌浆对细微裂缝进行加强灌浆，以提高帷幕的抗渗性能和耐久性能，最终达到帷幕安全可靠运行的目的。

3.2 左岸1730m高程钻孔返沙段的处理

左岸1730m高程帷幕灌浆平洞K0+425～K0+570帷幕灌浆施工时，钻孔塌孔现象较严重，返水呈黑色并含有大量泥砂。该部位水泥灌浆的单位注灰量为36.6kg/m，灌后压水透水率平均值为0.2Lu；普通水泥灌浆完成后，又进一步采用磨细水泥浆液进行加密灌浆处理，磨细水泥灌浆的单耗仅1.27kg/m，灌后压水透水率平均值为0.22Lu，说明该部位水泥浆液可灌性较差。同时，钻孔勘探表明，该部位岩性以3（4）层变质砂岩夹粉砂质板岩为主、少量3（3）层粉砂质板岩夹变质砂岩。共发育7条小断层和7条层间挤压错动带，破碎带宽5～20cm，层间挤压错动带顺层发育，一般宽5～30cm，个别最宽达500～600cm（g1730w-4），主要由片状岩，糜棱岩，石英岩构成。按钻孔揭露的长度统计，变质砂岩约占73%，中～厚层状，较完整；粉砂质板岩约占24%薄层状为主，完整性差；随机发育的破碎带约占3%，岩体破碎，碎裂～散体结构，对岩体质量影响较大。在锦屏大坝蓄水后长期高水头作用下，该部位的帷幕耐久性及长期抗渗稳定存在较大风险。考虑到工期要求等因数，对钻孔返沙段进行化学灌浆，在原帷幕中间排水泥灌浆孔之间增加一排化学灌浆，化学灌浆孔孔距为2m，分二序施工。孔向、孔深均同相邻已施工的水泥灌浆孔。通过化学灌浆增强该部位的帷幕耐久性。

3.3 1601m高程帷幕灌浆平洞检查孔涌水的处理

左岸1601m高程帷幕灌浆K0+160～K0+437段，为第2（6）层中厚层状大理岩，局部夹绿片岩或少量砂板岩，主要属Ⅲ1、Ⅲ2或Ⅳ类岩体，该范围小断层、挤压带及顺河向多组裂隙发育，灌后检查孔98%孔段透水率小于1Lu，说明帷幕灌浆整体效果良好，满足设计要求。但灌后检查孔部分出现涌水现象，根据施工单位提供的资料统计，检查孔涌水段共99段，涌水流量0.4～12L/min，涌水压力最大0.26MPa，表明部分裂隙没有被浆液完全充填密实。考虑到在工程运行期间长期高压水头作用下，未灌密实的小断层、挤压带及裂隙将有可能进一步扩张延伸，造成渗透压力及渗漏量进一步增大，影响帷幕防渗效果及耐久性，对工程安全运行不利。因此，对1601m高程防渗帷幕水泥灌后检查孔透水率检测指标按≤0.8Lu控制，对不满足该标准的岩体进一步进行灌浆处理。

根据涌水孔段压水试验成果显示，灌后88%涌水孔段透水率q≤1.0Lu，继续采用普通硅酸盐水泥补灌的效果难以满足设计要求。现场采用湿磨细水泥灌浆后还有微涌水现象发生，这些表明湿磨细水泥浆对微细裂隙的处理效果也不理想。

鉴于此，研究后决定对1601m高程帷幕灌后透水率＞0.8Lu的孔段，采用了水泥+化学复合灌浆进一步进行加强防渗处理。

3.4 厂坝连接段溶蚀裂隙发育部位的处理

根据前期研究成果及开挖揭示的水文地质条件，右岸山体（抗力体和厂区）大理岩节理裂隙发育，特别是NW和NWW向节理和溶蚀裂隙、溶蚀空洞发育，构成大坝右岸主要透水通道，普斯罗沟沟水与地下厂房探洞地下水具有较好的互通性；施工期开挖揭示厂区地下洞室涌水说明该区域岩体透水性强，渗流通畅。水库蓄水至1880m高程后，右岸坝前包括普斯罗沟在内的地下水位将逐步抬高，坝后地下水径流体系将发生改变，地下水可能会通过普斯罗沟绕过坝肩向下游渗漏。绕渗后的地下水在坝后有两个径流方向，一是通过f13、f14断层等NE向构造带和层面裂隙向下游渗透，二是在向下游径流过程中通过右岸NNW～NW向裂隙和溶蚀裂隙、溶蚀空洞等渗水通道进入抗力体，对右岸抗力体的稳定不利。厂区帷幕灌浆平洞（K0+151～K0+394.36）渗水情况见图6～图7。

由于厂区的帷幕灌浆标准低于相同部位坝基帷幕灌浆标准，在达到厂区帷幕灌浆标准后，继续对桩号K0+151～K0+394.36范围进行了帷幕加强帷幕灌浆。具体措施为1730m高程以上在厂区原来的帷幕基础上增加一排帷幕灌浆孔，1730m高程以下在原来厂区帷幕的基础上增加2排灌浆灌浆孔，新增帷幕孔距为2m，灌浆及检测标准等同大坝帷幕。

4 三维渗流复核

4.1 计算模型

为验证防渗帷幕设计的可行性和合理性，采用三维有限元模型对渗流进行了复核计算。三维模型模拟了大坝的防渗排水系统，考虑了两岸主要断层、裂隙及拉裂缝的影响以及基础处理中混凝土斜井置换及灌浆体作用。其中，斜井按混凝土材料模型，固结灌浆按10-4cm/s的渗透性模型。计算模型见图8和图9。

4.2 边界条件和渗透介质参数

4.2.1 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。

4.2.2 渗透介质参数

各渗透介质的渗透性参数，按表3取用，其中防渗帷幕按1Lu考虑。

4.3 计算方法及主要结论

三维渗流分析计算采用具有自由面渗流场分析的干区虚拟流动不变网格方法——干区虚拟流动法。基本方程式如下：

其中

式中（x, y, z）——渗透主方向；

H——水头势；

Kx, Ky, Kz——主向渗透系数；

Kx, s, Ky, s, Kz, s——介质的饱和渗透系数（亦即常规定义的渗透系数）。

通过对锦屏一级拱坝基础及两岸抗力体渗控分析，得出以下结论：

（1）在防渗排水系统作用下，坝基扬压力水头大多20m，扬压力折减系数小于0.1，坝基渗流场在排水孔幕作用下渗透压力显著降低，总水头较其位置高程不超过5m。坝基防渗帷幕平均渗流梯度约17，最大渗流梯度23，可控制在30内，坝基抽排渗流量约1050m3/d，坝基渗控基本满足设计要求。

（2）大坝下游抗力体在防渗帷幕及抗力体排水系统的共同作用下，得到较好的控制。左岸坝后抗力体地下水位埋深较大，紧邻坝头的地下水位埋深达100m以上，近河部位的埋深为60～80m，对抗力体的稳定较为有利。

（3）坝基抽排渗流量约1050m3/d，自排渗流量约250m3/d，水垫塘抽排渗流量约990m3/d，小于设计抽排能力，满足设计要求。

5 关于高坝防渗帷幕设计的几点探讨

（1）实际工程中已经证明，对于高坝体防渗帷幕，如果围岩条件不是很好的情况在，在施工开挖过程中对帷幕灌浆平洞周围围岩损伤较大时，如果洞室周围没有进行全断面混凝土衬砌，将有可能在0～2m范围内灌浆难以起压，严重影响灌浆平洞洞周2m范围之内的帷幕灌浆效果。因此，在目前的经济条件下，帷幕灌浆平洞开挖断面应该适当加大，并采取全断面钢筋混凝土衬砌，以便于提高孔口段的灌浆压力。

（2）目前规范中规定“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6MPa，且不得抬动岩体。”目前，高坝帷幕灌浆都是分层搭接实现的，底层平洞灌浆孔口段压力不可能太大，而平洞在开挖过程中对岩体的破坏是不可避免的，故上游侧浅孔搭接帷幕排数及范围应该适当加大。另外在坝基部位静水头达到3.0MPa，甚至更大，在坝基混凝土与基岩相接部位帷幕灌浆压力将超过4.5MPa，这对于防止混凝土抬动和劈裂不利，故该部位是否必须按照规范规定帷幕灌浆压力值得商榷。考虑到高坝建基面都已经进行了固结灌浆，坝基混凝与基岩之间0～2m段适当降低帷幕灌浆压力，最大灌浆压力不超过3.5MPa。

（3）关于穿帷幕洞段灌浆的问题，如果厂房设置在帷幕后面，则有可能压力管道要穿过帷幕，若设置了泄洪洞，则泄洪洞也有可能穿过帷幕范围。按照目前的帷幕灌浆施工计划，若洞室开挖完成后还没有进行该部位的帷幕灌浆，那么后期必须在这些洞室内进行环形辐射帷幕灌浆，这就存在帷幕的空间搭接问题，将增加很多的灌浆工程量，增加灌浆质量控制难度。故我们建议提前进行帷幕灌浆平洞的开挖、并尽可能地在穿帷幕其他洞室开挖之前进行该部位的帷幕灌浆；这样既有利于前期开挖帷幕洞作为探洞的补充，进行坝基地质条件的复核，同样也有利于帷幕灌浆的质量控制和工程量的控制。

6 结论

（1）锦屏一级水电站地质条件极其复杂，基础不良地质区域透水性强，帷幕灌浆设计复杂，帷幕灌浆工程量巨大，在整个设计工作中，防渗是工程成败的关键环节之一。

（2）在锦屏一级水电站帷幕灌浆施工过程中出现了涌水、钻孔返沙、断层岩脉和层间挤压带部位常规水泥帷幕灌浆效果不佳等现象，经过常规的水泥灌浆+水泥-化学复合灌浆之后，整体帷幕灌浆效果达到了设计要求。

（3）在模拟了锦屏整体防排系统，并对坝区主要地质构造进行了模拟的基础上，进行了三维渗流的分析计算，从计算的结论可以看出，锦屏一级水电站防渗排水设计是满足要求的。

（4）目前锦屏一级水电站已经下闸蓄水，蓄水水位为1760m。在初期蓄水后，1601m高程、1670m高程帷幕灌浆平洞渗漏量渗水在设计控制标准之内，帷幕灌浆效果达到设计要求。