李德群

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司， 天津　300222)

土石壩體(基)滲漏勘察與分析

李德群

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司， 天津300222)

【摘要】銀子河水庫設(shè)計防滲體系包括黏土心墻、地下混凝土防滲墻和灌漿帷幕，竣工蓄水后壩下出現(xiàn)多處滲水。通過勘察分析認為，壩體(基)滲漏形式為多點面狀滲漏，主要發(fā)生在地下防滲墻與基巖嵌入部位和灌漿帷幕下部。滲流觀測和滲漏計算表明，壩體(基)滲漏對水庫正常效益的發(fā)揮有一定影響，長期運行有發(fā)生滲透變形的可能，危及水庫安全。本文介紹了地下滲流的計算、防滲體功能評價，以及壩體滲漏特征分析。

【關(guān)鍵詞】土石壩； 滲流； 分析

土石壩是水庫最為普遍的一種壩型，約占大壩總數(shù)的2/3[1]。一些水庫蓄水運行后出現(xiàn)壩體(基)滲漏，對水庫安全運行影響很大，約有30%工程事故因滲漏引發(fā)，是土石壩主要的病害之一[2]。就土石壩建筑而言，滲漏原因是復(fù)雜的，如：壩體滲漏、壩基滲漏、接觸滲漏以及繞壩滲漏；其滲漏形式也是多樣的，包括散浸、滲水、集中滲漏等。如何快捷有效地查明滲漏原因、分析判斷滲漏形式，一直以來都是工程管理人員關(guān)注的焦點和地質(zhì)勘查的重要課題。

1工程簡介

銀子河水庫建于2012年，壩長675m，最大壩高26.50m，正常蓄水位1255.50m。在防滲工程中，設(shè)計有黏土心墻、地下混凝土連續(xù)墻和灌漿帷幕，形成封閉的防滲體系，如下頁圖1所示。

2013年竣工并蓄水后，發(fā)現(xiàn)壩后排水棱體底部、下游排水溝有多處滲水點。初步觀測各滲水點數(shù)量和流量呈增多、增大趨勢，不僅影響水庫效益，而且危及水庫安全運行。

圖1　壩體斷面與防滲結(jié)構(gòu)示意圖

2壩下滲流觀測分析

根據(jù)工程壩基地層結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)條件，宏觀判斷庫水滲流一部分從壩下以明流直接排出，一部分以潛流進入壩基透水層。

2.1地表滲流觀測

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水庫壩后排水棱體坡腳有明顯滲水點25處，其中排水溝有19處；壩下多個天然水坑亦有水流溢出。據(jù)此，在壩下排水溝及水坑布設(shè)三角堰、矩形堰13處(見圖2)，進行了歷時40天的流量觀測，成果見表1。

圖2　地表滲流觀測示意圖

觀測點編號P1P2P3P4P5P6下1～2下3下4樁號0+380349302206083057測段長度/m12531.246.896.5122.783.1分段滲流量/(L/s)1.420.850.982.566.065.0716.298.132.79滲流量/(L/s·10m)0.120.270.210.270.490.61滲流量/(m3/h·10m)0.410.990.760.961.782.20

觀測期間，庫水位由初始的1246.43m到結(jié)束時的1246.79m，升高了0.36m；上、下游水頭差9.43～9.79m，觀測結(jié)果表明：各觀測點滲流量變化幅度不大，但整體呈上升趨勢，與庫水位升降具有很好的相關(guān)性，而且有流量越大，波動幅度也越大的特點。

滲水點多集中分布在樁號0+000～0+254的主河道一線，距主河道和壩軸線距離越遠，滲流量越小。如P1的滲流量為P6的28%；1～3號滲水坑隨著與壩軸線距離增大，滲流量依次遞減，4號坑滲流量僅為2.79L/s。

按照滲透斷面計算，滲流量最大部位在樁號0+000～0+057壩段，因其位于主河床段，覆蓋層相應(yīng)較厚，上、下游水頭差最大，滲流量達到0.61L/s·10m；其次為樁號0+083～0+206壩段，滲流量為0.49L/s·10m。

經(jīng)統(tǒng)計分析，觀測壩下地表滲流量Q明流約為84L/s。其中P7觀測點以上滲流為27.02L/s；水坑滲流合計為27.21L/s。

2.2地下潛流計算

據(jù)勘察試驗成果分析，壩基下游透水層厚8.10～18.20m，滲透系數(shù)K=3×10-4m/s；從高程1236.65m的P6至高程1233.70m的下4距離為276m。由達西定律可知，潛水滲流量Q有[3]：

Q潛=BkiH

(1)

式中B——滲流長度，m；

k——滲透系數(shù)，m/s；

i——水力梯度；

H——透水層厚度，m。

經(jīng)計算，壩下透水層滲流量Q潛約為20L/s左右。

綜合上述計算分析，考慮地表滲流Q明和透水層潛流Q潛，估算壩下滲流量Q總約為104L/s，反映出該水庫滲漏問題較嚴重。

3防滲體功能評價

該工程壩體防滲措施設(shè)計了黏土心墻。在壩基部位，對建基面以下的細粒土礫和基巖地層，分別設(shè)置了地下混凝土防滲墻和灌漿帷幕。在目前水庫運行狀態(tài)下，這一封閉防滲體系的功能狀況，是分析判斷壩體(基)滲漏原因的重要基礎(chǔ)工作。

3.1黏土心墻

黏土心墻設(shè)計料源為含砂低液限黏土，頂部寬5m，高程1257.12m，最大底寬13.60m。

勘察結(jié)果(見表2)顯示，黏土心墻在目前運行狀態(tài)下，屬中等壓縮性土體，未見明顯的滲水現(xiàn)象。水平方向滲透系數(shù)k多為弱—微透水性，占全部試驗樣品的88%，但與設(shè)計防滲標準相比，有44%的試驗樣品不滿足小于1×10-5cm/s的規(guī)范要求，且在空間分布上存在不均一性，隨機性較強。

表2　黏土心墻主要物理力學(xué)指標

此外，黏土心墻的粉粒含量局部較高，占顆粒組成的31.40%～71.20%；黏粒含量為2.50%～4.30%，低于規(guī)范15%～40%的要求；孔內(nèi)電視錄像也反映黏土心墻存在裂縫、垂直孔洞及夾有碎石等質(zhì)量缺陷。此類現(xiàn)象均是造成黏土心墻滲透系數(shù)偏大的原因。

3.2混凝土防滲墻

混凝土防滲墻設(shè)計為C15W16F100，長度499m，厚度0.60m，深度8.10～18.20m不等，墻底嵌入基巖1m。

3.2.1混凝土防滲墻的完整性分析

巖芯觀察，墻體上部巖芯多較完整，膠結(jié)良好，完整試件飽和單軸抗壓強度Rb=18.55MPa，彈性模量E=12.5GPa，變形模量E0=10.7GPa，飽和抗拉強度σt=1.03MPa，大部分試件能滿足設(shè)計要求。

墻體下部存在一定的工程缺陷，如：鉆進過程中速度過快甚至掉鉆、返水中夾帶砂?；蛘叻邓矿E減；孔內(nèi)電視錄像發(fā)現(xiàn)，除裂縫、破損、孔洞和離析以及脫空外，墻底有級配不良且未膠結(jié)的砂沉淀而導(dǎo)致墻體沒有嵌入基巖等現(xiàn)象。波速Vp統(tǒng)計多在2250～4950m/s之間，平均值達到4130m/s，但對于混凝土防滲墻質(zhì)量評價更具工程意義的是小值和均一性；完整性系數(shù)Kv亦是如此，從0.25～1變化極大，反映出墻體存在一定的不完整和不均一性，防滲功能大為減弱。

3.2.2混凝土防滲墻的抗?jié)B性分析

壓水試驗成果表明，混凝土防滲墻透水率q差別極大，從0.60～50Lu不等，其中透水率q≥10Lu的中等透水段次占全部段次的46%，而且多位于防滲墻的下部，尤以與基巖接觸部位為甚，為庫水滲漏提供了條件。

3.3防滲帷幕

壩基基巖以太古界桑干群鉀長片麻巖Ar1sn1為主，局部夾長石石英巖，巖層厚度大于100m。防滲設(shè)計沿防滲墻下部基巖設(shè)置一排帷幕灌漿孔，孔深進入相對隔水層；鉆孔間距2m，分2序次灌漿。灌漿施工中，Ⅰ序孔單位注入量31.72～115.43kg/m，平均62.15kg/m；Ⅱ序孔單位注入量7.54～206.10kg/m，平均56.59kg/m。僅從耗漿量看，Ⅱ序孔未有顯著降低。

鉆探和孔內(nèi)電視錄像成果表明，基巖段未見明顯的灌漿結(jié)石，局部裂隙仍相對發(fā)育，甚至存在裂隙密集帶，鉆進中有掉塊現(xiàn)象。綜合評價，防滲帷幕完整性系數(shù)Kv=0.40～0.68，為較破碎—較完整巖體[4]。

灌漿帷幕巖體透水率q一般在1.50～33Lu之間，平均為8.30Lu，總體屬弱—中等并以弱透水為主的巖體，空間分布不均。中等透水巖體多集中分布在樁號0+240、0+352和0+470帷幕下部；弱透水巖體則主要分布在基巖面以下10～15m，說明壩基上部巖體經(jīng)過灌漿后透水率有所減小。但值得注意的是，物探探測巖體裂隙密集帶的優(yōu)勢走向與滲流流向一致，長期運行存在構(gòu)成潛在滲漏通道的可能性。

據(jù)前期勘察成果，庫區(qū)不存在滲漏問題；兩壩肩巖體透水率q在1.50～6.80Lu之間，屬弱透水性巖體，滿足設(shè)計防滲標準。

綜上分析，該工程由黏土心墻、地下混凝土防滲墻及灌漿帷幕構(gòu)成的防滲體系存在一定的缺陷，造成抗?jié)B功能降低或失效，導(dǎo)致水庫發(fā)生滲漏。

4壩體(基)滲漏特征分析

4.1滲漏形式

圖3　高密度電法探測剖面

通過高密度電法和地震折射波法探測，壩體普遍存在低阻、低速區(qū)，尤其在馬道測線剖面低阻區(qū)呈串珠狀，說明滲流彌散分布較為廣泛(見圖3)。壩體內(nèi)水位呈兩側(cè)高中間低的趨勢，如:0+030～0+200和0+350～0+540水位明顯高于中部，而且部分測段水位在下降過程中有遇阻凸起現(xiàn)象。充電法與自然電位探測反映，滲漏通道基本沿著低電位區(qū)域延伸，樁號0+000～0+060和0+170～0+240段滲流流向基本垂直壩軸線；樁號0+060～0+170和0+240～0+480段，滲流流向分別向右、左兩側(cè)偏移，即壩體內(nèi)左右兩側(cè)滲流有向中部匯集的趨勢性規(guī)律。

與此同時，部分壩段低電位異常，在相應(yīng)排水棱體處未見明顯滲水流出。推測這些部位的滲漏通道雖然與地表滲水分布高程一致，但上覆壩體厚度大，地下含水層亦有一定厚度，滲流在壩體內(nèi)以潛流方式進入壩下透水層并向下游方向運移，佐證了前述對壩下潛流的基本判斷。

為進一步驗證地下水滲漏部位，分別在樁號0+081和0+240.7處布置2對鉆孔進行示蹤試驗。采用無毒、無污染的胭脂紅水(C20H11N2Na3O10·1.5H2O)和食鹽(NaCl)兩種化學(xué)物質(zhì)，在上游鉆孔中用導(dǎo)管水泵壓入投放、下游觀測孔中提水接收，并對壩下排水溝及滲水坑進行巡視觀察。

樁號0+081上游1號孔，在基巖面處分別投放90L胭脂紅水和180L飽和食鹽水，試劑歷時80min，在水平投影距離32.76m處的下游2號孔初現(xiàn)淡紅色，估算流速達0.41m/min。樁號0+240.7上游3號孔，在基巖面處各投放180L胭脂紅水和飽和食鹽水，水平投影距離32.77m處的下游4號孔接收，歷時125min接收到淡紅色試劑，估算流速為0.26m/min。但兩次示蹤試驗均未檢測到氯離子的明顯變化，壩下排水溝以及其他滲水點也未見到顏色變化，分析與食鹽稀釋擴散較快、非管道式滲漏點較多有關(guān)。

綜上所述，推測水庫主要滲漏部位在地下防滲墻底部與基巖嵌入處和灌漿帷幕下部。雖然局部缺陷不排除規(guī)模不大的集中滲漏可能，或者是灌漿帷幕下巖體的滲漏，但目前水位運行狀態(tài)下，水庫滲漏形式基本為多點的面狀滲漏。

4.2滲漏量計算與預(yù)測

4.2.1滲漏量計算

鑒于防滲體邊界條件確定、滲漏條件基本一致，黏土防滲墻、地下混凝土防滲墻及灌漿帷幕滲漏量估算采用(2)式、繞壩滲漏量采用(3)式估算[5]。

Q=kHBqr

(2)

式中k——滲透系數(shù)，m/s；

H——上下游水位差，m；

B——壩體長度，m；

qr——計算滲流量。

(3)

式中H——正常高水位與地下水位差，m；

h1——地下水位以下含水層厚度，m；

H1——正常高水位以下含水層厚度，m；

B——滲漏帶寬度，m；

ro——壩肩繞滲流線半徑，m。

滲漏計算成果見表3。

表3　滲漏量計算匯總

據(jù)上述計算，在勘察期水位1246.79m時，水庫總滲漏量Q滲在0.10m3/s左右，與滲流觀測值相接近。從工程部位看，地下混凝土防滲墻滲漏量最大，占滲漏總量的73%；其次，壩基灌漿巖體滲漏占18%；黏土心墻、兩岸繞壩滲漏量占比最小，分別占總滲漏量的8%、1%。

4.2.2滲漏量預(yù)測

目前,水庫尚在低水位運行期，按照設(shè)計正常蓄水位1255.50m計算，滲漏量Q將達到0.24m3/s(如圖4所示)，占水庫多年平均入庫量1.94m3/s的12.44%，對水庫效益影響較大。

圖4　水庫滲漏量預(yù)測曲線

5結(jié)論

已建水庫滲漏問題原因是多方面的。通過對水庫壩體(基)滲漏的勘察分析研究，發(fā)現(xiàn)目前水位運行狀態(tài)下水庫滲漏基本為多點的面狀滲漏，集中發(fā)生在地下混凝土防滲墻與基巖嵌入部位和灌漿帷幕下部，總滲漏量估算值在0.10m3/s左右，漏失較為嚴重，長期運行將帶來滲透變形等工程地質(zhì)問題，危及水庫安全。水庫正常蓄水位1255.5m時，預(yù)測總滲漏量為0.24m3/s，占水庫多年平均入庫量的12.44%，對水庫正常效益發(fā)揮亦有一定的影響，亟須對防滲體系工程進行補強處理。

參考文獻

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Survey and analysis on leakage of earth-rock dam (base)

LI Dequn

(ZhongshuiBeifangSurveyandDesignResearchCo.,Ltd.,Tianjin300222,China)

Abstract：Yinzihe Reservoir design seepage control system includes clay core wall, underground concrete cut-off wall and grouting curtain. Water seepage is discovered in many positions under the dam after project completion and water accumulation. Survey and analysis show that dam (base) seepage form belongs to multi-point planar seepage mainly in underground cut-off wall, base rock embedded parts and the lower portion of grouting curtain. Seepage observation and leakage calculation show that dam (base) seepage has certain influence on exertion of reservoir normal benefits. It has the possibility of seepage and deformation due to long-term operation, thereby endangering safety of reservoir. In the paper, underground seepage calculation, anti-seepage function evaluation and dam seepage characteristic analysis are introduced.

Key words：earth-rock dam; seepage; analysis

中圖分類號：TV641

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774(2015)12-0039-05

DOI:10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2015.12.011