红层上筑坝在红层地区的应用

红层上筑坝在红层地区的应用

1坝体地基基础条件吉村水电站位于安徽省泾县青耀江灌区总渠的末端，直接从陈村返回水源和陈村，利用总渠与青耀江分离发电。本工程由前池、挡水坝、泄水道、引水钢管、坝后式电站、开关站等建筑物组成。前池库容30万m本工程的挡水建筑物由左岸均质土坝、混凝土重力坝、右岸均质土坝三部分组成。左岸土坝长32m，右岸土坝长38m，混凝土重力坝长66.42m，最大坝高22.5m。混凝土重力坝共分8个坝段，其中1号、8号坝段为与土坝连接坝段，2号坝段为溢流坝段，4号、5号坝段为厂房引水钢管坝段。左右岸土坝建筑于风化坡积土上，混凝土坝段建筑在白垩纪粘土质粉砂岩上，该岩层呈紫红色，俗称红层地层。大坝建于不对称背斜上，背斜轴线穿过坝基，走向与坝轴线基本平行，倾角19°～26°不等，坝基为白垩纪粘土质粉砂岩，该岩石软化系数0.5，湿抗压强度5.7MPa，平均变形模量345.5MPa，渗透系数K<6.9×10白垩纪粘土质粉砂岩含蒙脱石22.3%～34.1%，伊利石50.0%～59.7%，具有明显亲水性、遇水软化、泥化、膨胀、失水干缩等特性。腊封的岩芯一月后出现裂缝，失去围压后的芯样，很快风化崩解，室外试坑浸水12昼夜后，泥化深度可达1.5cm。由于对白垩纪粘土质粉砂岩(红层)的遇水膨胀性、软化、泥化及失水干缩和渗流破坏特性认识不足，缺乏红层地基上筑坝经验，坝基处理设计方案为常规的处理措施，即混凝土坝体内设灌浆和排水廊道、1号3号坝段内设横向排水廊道、坝基固结灌浆、帷幕防渗、坝基排水，断层也仅做了常规处理。均质土坝直接填筑在风化坡积土上，土坝下游坡脚设常规排水棱体和反滤保护。开工后，取消防渗帷幕，改在坝前建6m长混凝土防渗铺盖；部分坝基欠挖，最大欠挖深1.0m；部分断层处理不彻底；部分基础面常期暴露，日晒、雨淋、水泡；固结灌浆压力控制不好，基础层混凝土产生大量裂缝，最大缝长33.5m，最大缝宽5mm，未经处理，就在其上直接浇筑混凝土坝体。1975年5月水库蓄水发电，9月发现混凝土重力坝坝基渗水异常，排水孔排出的水中有较多的悬浊析出物，个别孔排出浑水且有泥质沉淀，其中7号混凝土重力坝段坝基扬压力很高，大大超过设计值，6号、7号、8号坝段排水孔渗漏量偏大。1977年又发现部分坝基红层软化、泥化。1981年进一步检查发现6～8号坝段泥化软化面积108m(1)1978～1979年在混凝土坝基排水廊道内进行两次水泥丙凝灌浆，但效果不佳。(2)1983～1985年进行了永久加固，即在混凝土重力坝前27m处，设厚1m的混凝土防渗墙（深20～24.263m），防渗墙总长约190m，其中沿坝轴线方向长123m，左端插入左土坝内57m，右端插入右土坝内约20m；在防渗墙与重力坝坝脚间，原混凝土铺盖上增设厚2.0m混凝土防渗铺盖，同时在混凝土防渗墙下游侧，距坝脚22m的混凝土防渗铺盖内，设铺盖排水廊道与排水孔；为了减少横缝漏水不利影响，在大坝横缝底部设排水；在土坝上游坝面铺20cm砂砾石垫层，再浇约50cm厚钢筋混凝土斜墙；为确保在水库水位骤降情况下混凝土斜墙的稳定，在混凝土铺盖与土坝的混凝土斜墙接头止水的下方，设无砂排水管；在右土坝下游坝脚上设块石压重并加反滤体保护。(3)1986～1987年对混凝土防渗墙施工缺陷进行全面的钻孔检查和补充灌浆。(4)1988～1992年，为降低土坝内浸润线，在左土坝下游坡设一个直径约2.0m沉井，沉井内打放射状排水孔；完成了坝后排水及大坝观测设施改建等完善工程。1998年在右土坝下游坡设沉井，并投入使用。(5）电厂在运行过程中，对上游面所有混凝土结构缝，分批进行了止水封闭和维护。上述措施经后期补充完善，混凝土重力坝基础成为一个相对独立、相对封闭的基础，并逐步形成了一个完整防渗排水体系，整个纪村电站坝基防渗效果得到提升。2坝体防渗排水系统监测分析(1）渗漏量经上述处理，在混凝土防渗墙下游铺盖廊道内22个排水孔中，目前13个监测孔基本无水，9个孔排出清水，年平均渗漏水量共0.001～0.027L/s，渗水量随库水位、降雨和温度有所变化，最大变幅仅0.0267L/s。渗漏水量不大且变幅也不大。(2）扬压力系数纪村重力坝铺盖廊道内河床坝段实测扬压力系数0.16～0.18，岸坡坝段实测扬压力系数0.24～0.30，均小于设计值。坝基廊道内41个扬压力监测孔，除8号坝段268测点因受左土坝浸润线的影响，扬压力系数0.45大于设计值外，其余实测扬压力系数均小于设计值0.13～0.14。混凝土重力坝非溢流坝段钢管下弯段起点42m高程处，设C3～C7共5个扬压力监测孔，实测扬压力系数均小于设计值0.06。1号和3号坝段横向廊道内，坝基横向扬压力系数分布规律正常。改造后的混凝土防渗墙、坝前混凝土铺盖，防渗作用明显，其中1号坝段坝基防渗排水系统削减水头90%左右，3号坝段坝基防渗排水系统削减水头80%～90%。(3）坝体垂直变位1981～1990年期间，坝顶、坝基廊道、下游42平台垂直变位变化较大，不稳定，有时会出现上抬变形。1990年后，坝顶、坝基廊道、下游42平台垂直变位总体呈稳定状态，与气温变化有关，表现出正弦变化规律。坝顶垂直变位对气温最敏感，一般冬天气温低时，混凝土收缩，沉降变形大，8～9月份气温较高时，混凝土膨胀，坝顶沉降变形最小。年内变幅约3mm。坝后42平台垂直变位也呈稳定的变化规律，但夏季沉降较大，冬季沉降较小，年内变幅约2mm，这可能与上述测点位于大坝下游侧厂坝之间，与高程较低，背阳，温度变化相对小等有关。坝基廊道内温度变化较小，高程低，相应垂直变位变化也较小，虽然相对于初始值沉降3～4mm，但年变幅仅1mm左右。(4）左右土坝浸润线及渗流量监测资料表明：坝内浸润线变化规律正常，下游侧最后一个监测孔内水位，均低于排水棱体顶高程，下游坡面干燥。监测资料表明：左、右土坝渗流量不大，最大值为0.173L/s，且为清水。在此期间，因左沉井施工回填土的质量较差，左土坝下游坡曾出现坍陷变形，后挖除沉井附近疏松的回填土、橡皮土及施工拉圾，重新夯填后，左土坝安全运行。(5）为确保水库水位骤降时左右土坝上游坝面混凝土斜墙稳定，在土坝斜墙后侧砂石垫层下方，铺盖与斜墙接触面附近，沿坝轴线方向布置无砂排水管，(其中0+25～0+49段布置于土体中)，排水管直径ue78825，渗漏水在混凝土重力坝铺盖廊道的左右端分别流出，并入铺盖廊道。监测资料表明：(1)左右无砂管的排水量均不大，相对而言，右无砂管排水量略大，年均排水量稳定值为0.1206L/s;(2)左右无砂管排水均为清水，但右无砂管出口有微量携带出的红土沉积物。2006年冬季对所有伸缩缝灌注LW水溶性聚氨脂并嵌填SR止水，特别是对右土坝斜墙和右裹头伸缩缝和裂缝处理后，渗漏量明显减少，现渗漏量为0.05L/s。鉴于右无砂管0+25～0+49管段埋于风化坡积土中，无砂管孔隙与软化后的粉质粘土颗粒不满足反滤要求。但经检查，30年来，右无砂管排出的水一直是清水，渗水携带微量红土，经处理，排水量己有所减少，在水库水位骤降情况下，混凝土斜墙未发生塌陷和失稳破坏现象，在确保下游排水棱体正常反滤作用的条件下，在右无砂管出口或0+25～0+49管段，增加反滤保护措施，右无砂管出口携带出少量红土现象，可以得到控制。总之，经30年加固处理，特别是1983～1985年永久加固处理并经完善后，纪村电站运行正常。3重视红层防渗，保证防渗效果(1）白垩系紫红色粘土质粉砂岩（红层）本身渗透系数较低，但裂缝较发育，具有明显遇水软化、泥化和膨胀，失水干缩等特性，在渗透水流和膨胀力作用下可发生渗流破坏和不均匀变形，并可能威胁混凝土建筑物抗浮、抗滑稳定，对红层上修筑混凝土坝应持慎重态度。(2）由于对红层力学特性及裂隙特性认识不足，缺乏红层上筑坝经验，纪村电站坝基处理粗糙，施工后欠挖及灌浆压力失控，再加上基础面长期暴露，风吹、雨淋、水泡，坝基面开裂严重，未经认真处理即浇筑大坝，蓄水后坝基大面积软化、坝基面力学参数降低、并发生渗透破坏现象，影响工程安全。(3）经过不断处理，增加了防渗墙，完善了防渗铺盖，封闭了混凝土重力坝坝基，延长了渗径，减缓了渗流坡降，形成了完整防渗排水系统，提高了坝基防渗效果，降低了红层软化、泥化、膨胀变形可能，该措施是适合红层特性的，是