黑滩河水库库区防渗设计研究

黑滩河水库库区防渗设计研究摘要：本文以曲靖市黑滩河水库扩建工程为依托工程，黑滩河水库是曲靖市“引牛济曲”调水工程的三大工程水源之一，是解决曲靖灌区近远期缺水问题的关键工程。

黑滩河水库的扩建导致库区设计水位的抬升，使得库区两岸的渗漏问题尤为突出，库区右岸更是渗漏严重，黑滩河水库库区的防渗问题也是本项目需要重点解决的问题之一。

整个库区出露的地层以中～厚层状碳酸盐灰岩为主，且岩溶及断裂构造较为发育，左岸近坝库段出露C3mp灰岩，存在近坝岸渗漏问题，右岸地下水位较菱角塘河谷地面高程要低，存在永久性渗漏问题，因此右岸是整个库区防渗的重点。

根据库区的地理地质条件，左岸设计帷幕灌浆线路长度1187米，包含331米的地面灌浆段和856米的隧洞灌浆段，右岸设计帷幕灌浆线路总长7147米，包含7个灌浆洞，1个支洞，3个副坝。

此外，对防渗建筑物根据具体的地质条件灵活地进行差异化设计，使得设计方案既能满足库区防渗的要求，又能在最大程度上节省经济投资。

黑滩河水库地质条件复杂，库区防渗任务繁重，文中对库区帷幕灌浆和防渗建筑物的针对性设计可以为今后类似工程提供借鉴。

关键词：黑滩河水库；渗漏；库区防渗；帷幕灌浆0 引言随着我国城市化的进程，城市人口的不断增加，城市的供水压力也与日俱增，对水资源的利用更加得到重视，全国范围内的大中型水库也相继建立。

云南省虽然水资源丰富，但是水资源分布不均，为解决城市供水问题，云南主要城市在建及计划的水库同样增长明显。

然而，随着水库蓄水量的提升，水库的防渗问题也更加突出，给水库库区的防渗设计带来挑战，因此有必要对水库库区的防渗设计进行一定研究。

郭铁柱[1]等分析了海子水库岩溶渗漏情况及途径,根据水库渗漏量反算坝基等效渗透系数,对坝基帷幕灌浆效果进行评价,指出现状防渗帷幕存在的问题。

宝雪飞[2]等以曲靖市某水库为工程依托，利用传统的灌浆防渗技术结合较先进的混凝土防渗墙技术，取得了较好的防渗效果。

张永桂[3]和王新跃[4]分别对新疆地区的红旗水库和顶山水库的库区防渗设计进行了详细说明。

吴军珍[5]对青阳水库采用钻孔帷幕灌浆的方法进行防渗，效果明显。

林加兴[6]对福建泉州山美水库大坝两岸防渗帷幕灌浆效果进行检测，证明了帷幕灌浆的防渗效果。

上述工程案例虽然对帷幕灌浆防渗进行了较为详细的说明，但是这些水库灌浆线路较短且地质条件相对于本工程而言较好，因此本文根据黑滩河水库两岸具体的地质条件，对比多条防渗线路，择优选择了经济效益和施工难度更优的线路，并对不同地段的防渗线路进行针对性设计，取得了良好的效果。

1 工程概况曲靖市是云南省第二大城市，是继昆明市后又一个突破千亿关的州市，占全市经济总量的13.6%。

曲靖市水资源总量相对丰富，但地区分布不均，与经济发达程度不平衡，严重制约当地经济社会的发展。

“引牛济曲”方案是解决曲靖灌区近远期缺水问题的最优方案，工程水源有车马碧水库、黑滩河水库和德泽水库三个调水工程。

黑滩河水库是“引牛济曲”调水工程的近期实施项目，其开发任务是解决花山工业园区的生产生活用水，剩余水量作为麒麟区的城市生活用水，水库总库容10471万m3，为大（2）型水库。

黑滩河水库位于曲靖市沾益区西北部的菱角乡，坝址距离菱角的直线距离为5.4km，距沾益中心城区30.5km，距曲靖市城区41.3km。

黑滩河水库工程为跨流域调水工程，规划区包括调出区黑滩河流域和受水区曲靖灌区。

黑滩河流域位于曲靖市沾益区菱角乡境内，地处云贵高原东部，南、北盘江及牛栏江分水岭地带，海拔高，山势起伏不大。

东北面有著名的三江源头马雄山（海拔2443.9m）和代帽山（海拔高程2383m）、老黎山（海拔高程2678.2m）。

总体地势东北高，西南低，至八哥洞、红瓦房达最低点。

沿河两岸形成河谷台地，槽区和山间盆地。

黑滩河流域的三维效果图如图1所示。

图1 黑滩河库区三维效果图受水区为曲靖灌区，曲靖灌区位于云南东部，南盘江上游地区，行政区划包括曲靖市的沾益、麒麟和陆良三县（区），是云南省最大的灌区。

曲靖市政府、沾益区政府、麒麟区政府、陆良县政府均位于其中，是曲靖市的政治、经济、文化和交通中心。

曲靖灌区自上而下划分为松林坝子、沾曲坝子、越州坝子和陆良坝子四个大坝子，其中，松林坝子全部位于沾益区境内，沾曲坝子涉及沾益区和麒麟区，越州坝子全部位于麒麟区，陆良坝子全部位于陆良县。

整个灌区从北到南呈长条形，从上游至下游逐渐开阔，灌区南北长100km，东西宽8km～15km，耕地除集中连片、平坦的坝子外，还包括坝子边缘的二级阶地和山坡地。

灌区地势北高南低，东西部高中部低。

山脉、河流、盆地均为近北南向展布，与构造线方向一致，坝子高程在1935m～1800m之间。

2 工程地质黑滩河水库为大（2）型水库，最大坝高仅为51.0m，最大回水长度约为20.8km左右。

水库库盆较为宽缓，回水较长。

库区为中等切割的中山构造侵蚀-溶蚀地貌，分布地层从第四纪晚更新世以来，未见活动断裂发育。

但整个库区出露的地层以中～厚层状碳酸盐灰岩为主，且岩溶及断裂构造较为发育，具备蓄能条件而诱发地震的地层岩性、构造及渗透条件。

库区岩溶洼地、落水洞、溶洞等岩溶负地形十分发育，水库蓄水后，在这些地方易发生岩溶塌陷。

水黑滩河水库蓄水后，于岩溶发育、地势较低的库区左岸蛤蟆洞、坡头上、发那木一带的溶蚀洼地和谷地可能发生岩溶性塌陷。

水库左岸分布有倾向河床于库内的P1l砂页岩隔水层，砂页岩隔水层连续性和封闭性较好，且左岸出露泉水点较多，这些泉水点多高于水库正常蓄水位，属地下水补给库水，因此，库水不存在向左岸库外的永久性渗漏问题。

左岸近坝库段出露C3mp灰岩，存在近坝岸渗漏问题，须采取防渗处理。

水库右岸河间地块P1l砂页岩，由于断层的切割和抬升，出露高程为1993～2025m，出露范围为坝址右岸山顶一带，呈戴帽状分布，岩层产状平缓，水库右岸地下水位均在砂页岩层底板以下。

水库右岸分布的砂页岩对水库库水向菱角塘低邻谷的渗漏起不到隔水作用。

并且整个右岸地下水位高程在1951.35m～1982.83m之间，均低于菱角塘河谷地面高程（1970～1990m）。

库水存在向右岸低邻谷（菱角塘河谷）的永久性渗漏问题。

综上所述，库区左右岸均存在一定的渗漏问题，其中右岸尤为严重，使得对库区的防渗工作成为本项目需重点设计的内容。

因此本文将就左右两岸的防渗设计进行说明。

3 库区防渗线路3.1 库区左岸防渗黑滩河水库左岸防渗线路推荐方案为沿坝轴线向下游倾斜44°至大白岩，以正常蓄水位与地水下位交点处为防渗边界，以q<5Lu为防渗底界。

左岸推荐帷幕灌浆线路长度1187米，该线路与左岸相接部位331米地面灌浆段，其余856米均为隧洞灌浆段。

隧洞灌浆占整个灌浆长度的74%，推荐方案以隧洞灌浆为主。

该方案有地面灌浆和洞灌两部分，无需修建防渗墙，整体来讲均为常规措施，不存在技术上的难度差异，并且工程量相对较少，投资较优。

库区左岸防渗线路如图2所示。

图2 黑滩河水库库区左岸防渗线路3.2 库区右岸防渗黑滩河水库帷幕灌浆主要工作在于右岸防渗，库区防渗帷幕起点位于大坝右岸帷幕灌浆线交叉点处，走向为NE65°，至ZK31钻孔附近长度约为1.89km，转而变为NE33°，穿过F3断层及九个洞附近的落水洞，至ZK34钻孔附近结束。

推荐方案帷幕灌浆线路总长7147米，包含7个灌浆洞，1个支洞，3个副坝。

灌浆洞长度分别为619m、653m、556m、185m、269m、443m、1290m；支洞长度为443m；副坝长度分别为240m、134m、186m；防渗墙长306m；地面灌浆段长度2266m。

右岸的防渗线路虽然需建设3座副坝，但是三个副坝的最大坝高均为超过10m，修建副坝工程量不大，并且材料易于取得，根据工程区地质条件及修建难易程度，选择修建为均质土坝及埋石混凝土。

考虑到整个防渗线路的经济效益，此方案为最优。

库区右岸防渗线路如图3所示。

图3 黑滩河水库库区右岸防渗线路4 防渗建筑物设计4.1 两岸防渗对于推荐线路上具备成洞条件的地段均修建灌浆洞进行灌浆以减小无效灌浆长度，对于顶部覆盖深度过小的地段采用地表灌浆。

帷幕灌浆按分序加密自上而下孔口封闭孔内循环法，分序、分段施工。

灌浆压力为防渗帷幕承压的1.5倍。

本工程防渗帷幕线全长8334m，防渗线路长，地质条件复杂，为此针对渗漏强弱需采取不同的灌浆方案，同时还需考虑地面灌浆和灌浆洞灌浆，对不同方案选取不同的工程处理措施。

灌浆尽量采取地面灌浆方式，地面灌浆无效灌浆深度过大考虑采用洞灌方式。

该阶段均考虑设置两排灌浆孔，灌浆孔间距2m，排距2m。

右岸防渗线路推荐为坝址－套子头－水井坪－九个洞的防渗方案。

具体防渗底界为：①近坝库马坪组（C3mp）灰岩段（坝轴线或趾板线端点至红石岩ZK102段）以q<5Lu为防渗底界；②套子头段（ZK102至断层F4之间）以深入梁山组地层（P1l）5m为防渗底界；③水井坪段（断层F4至水井坪）以q<5Lu为防渗底界；④水井坪－九个洞段以深入梁山组地层（P1l）5m为防渗底界；⑤九个洞以北洞段以q<5Lu为防渗底界，F3断层附近段为重点防渗地段，需加强防渗处理措施，防渗底界深入马坪组（C3mp）灰岩q<5Lu界线以下。

上述防渗区域防渗帷幕根据地质条件水头小于50m采用单排灌浆，间距1.5m；水头大于50m采用双排，排距1.5m，孔距2m；对于断层破碎带、溶蚀发育带采用双排孔，孔距1.5m，排距1.5m。

同样水库左岸也需进行防渗，防渗范围从沿坝轴线向下游倾斜44°至大白岩以南山顶，以正常蓄水位与地水下位交点处为防渗边界，以q<5Lu为防渗底界。

4.2 灌浆洞灌浆平硐采用城门洞型，灌浆洞尺寸为3.0m×3.5m。

防渗帷幕根据地质条件水头小于50m采用单排灌浆，间距1.5m；水头大于50m采用双排，排距1.5m，孔距2m；对于断层破碎带、溶蚀发育带采用双排孔，孔距1.5m，排距1.5m。

隧洞支护采用复合式衬砌，初期支护为：边顶拱喷混凝土厚度10cm，视需要设置锚杆Φ25@2m×2m，L=3m系统锚杆，挂钢筋网Φ6.5@0.2m×0.2m，视需要设置钢支撑I14及固结灌浆。

二次衬砌为：对于Ⅱ类、Ⅲ类围岩洞段仅对灌浆洞底板进行混凝土衬砌，对Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段进行全断面衬砌，衬砌混凝土标号为C20，衬砌厚度为40cm，洞身衬砌每隔10～15m设置一道永久缝，缝宽20mm，缝内用沥青木板填充，灌浆洞衬砌混凝土配置双层双向钢筋，受力筋为Φ22@200，分布筋为Φ16@200。

灌浆洞支护结构设计如图4所示。

图4 灌浆洞典型断面支护结构图4.3 副坝副坝设计采用埋石坝，为满足当地交通要求，坝顶采用6m宽度设计，高度与黑滩河大坝高度相同为1998m，迎水侧为1:0.1坡度坝坡，背水侧坝坡坡度1:0,5。