混凝土面板壩滲漏值的工程類比與評價方法

賈金生 ， 郝巨濤 ， 徐 耀

（1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國大壩協會，北京 100038）

1 混凝土面板壩滲漏值的工程類比評價法

混凝土面板壩滲漏是不可避免的。滲漏量的大小判斷比較復雜，與工程情況、水庫來水量的大小、經濟效益損失、有可能帶來的安全問題等有關。在面板壩發展的過程中，如何確定滲漏量的允許值以及如何控制滲漏量一直是工程界重點研究的問題。對于抽水蓄能電站，漏水量大意味著經濟損失大；對于常規水電站，漏水量大，最重要的是隱含了不安全因素，因此，研究分析面板壩滲漏量的工程類比并進行評價，對于大壩的設計、運行管理及決策都具有重要意義。

估算混凝土面板的滲漏量可將混凝土面板假設為一個均勻透水介質，該介質的滲透性與面板的綜合防滲性能有關，它包括面板混凝土的滲透性、面板開裂以及接縫滲漏情況等。這一假定的優點在于能夠簡便地對面板壩的滲漏進行評價，其缺點是無法反映面板的不均勻滲漏情況，如當面板周邊縫滲漏較大，特別是發生集中滲漏時，均化了的面板綜合滲透系數從而不能給出準確的滲漏位置和準確評價。由于目前還沒有比較全面的評價面板壩滲漏量的方法，依據方便、簡潔、簡單的原則，筆者認為按綜合滲透系數法計算面板的滲透系數并對滲漏量進行工程類比和評價是可行的，有一定的實用價值。

假定面板均勻透水且通過的水流為層流，面板綜合滲透系數K為[1]

式中，Q為滿庫水位時的最大滲漏量；H為最高運行水位時的壩前水深；L為對應于H的壩頂長度；tm為面板平均厚度；θ為面板與水平面的夾角。

利用式（1）計算抽水蓄能電站全池防滲面板壩的面板綜合滲透系數時會有一定的誤差，這是由于式（1）沒有考慮水庫底部面板的滲漏。假設水庫底部面板的面積為A，厚度為t，則抽水蓄能電站面板壩的面板綜合滲透系數K為

面板壩滲漏量的工程類比和評價方法的步驟為：①依據式（1）或（2），求出每個工程的面板綜合滲透系數K；②對面板綜合滲透系數K值進行概率統計分析，得出每個具體工程的面板綜合滲透系數在統計意義上對應的位置；③依據典型工程的面板綜合滲透系數K值確定面板壩的綜合滲透系數參照值[K]，并依據參照的綜合滲透系數，由公式計算出滲漏量的參照值[Q]；④計算滲漏量評價指數Z，設定Z為實際滲漏量Q與參照滲漏量[Q]的比值。評價指數Z越小，代表防滲面板質量越好。

2 滲透系數的累積概率表達公式及典型工程分析

2.1 滲透系數的累計概率表達式推導

本文收集了國內外已建67座面板壩的運行監測數據，受篇幅所限，表1列出了其中20座典型工程的數據。由于澳大利亞克羅蒂（Crotty）工程沒有進行過修補而泰國考蘭（Khao Laem）工程進行過修補，因此可以參照克羅蒂工程和考蘭工程的面板綜合滲透系數，確定參照的綜合滲透系數[K]為4.69×10-6～5.51×10-6cm/s之間的一個數值， 本文取[K]=5×10-6cm/s。根據 [K]值，可以得到各個工程的參照滲漏量[Q]，進而與實際滲漏量Q相比就可以計算出對應的評價指數Z。按照上述工程類比評價方法，可以得出工程滲漏的評價結果（見表1）。依據面板綜合滲透系數K和評價指數Z可對工程進行排序和比較。基于67個工程的K值，可以得到面板綜合滲透系數的累積概率曲線（見圖1）。從圖1可以看出，[K]=5×10-6cm/s對應的累積概率約為75%，表示在67個工程中只有約25%的工程面板綜合滲透系數大于[K]值。基于圖1中的面板綜合滲透系數的累積概率曲線，就可以根據具體工程的滲漏量計算出對應的面板綜合滲透系數從而判斷其在統計意義上的位置，進而可以判斷防滲面板工程質量的相對好壞。

面板綜合滲透系數的累積概率曲線上標出了兩個點，即對應概率約為75%的[K]點，以及對應概率約為10%的[K]1點。如前所述，[K]點附近區域是工程是否進行過修補的分界區，所以可以作為判斷工程滲漏量是否偏大的過渡區；如果K值較小的前10%的工程被認為是優質工程，那么[K]1點附近區域則可以作為判斷工程質量是否優質的過渡區。為了能快速計算出某一具體工程的綜合評價指數Z，可由綜合滲透系數K算出對應的累積概率值P和Z值，基于圖1，利用回歸分析可得到如下公式

表1 部分面板堆石壩工程的滲漏量類比與評價

圖1 面板綜合滲透系數的累積概率曲線

基于Z值的相對排序，就可以判斷各個面板工程質量的相對好壞。從圖1可以看出，參照滲透系數[K]對應的評價指數Z=1，優質工程分界點對應的評價指數Z為0．04。從統計規律看，當Z＞1時，表明工程的滲漏量比較大；當0．04＜Z≤1時，表明工程的滲漏量是可以接受的；當Z＜0．04時，表明工程防滲是優質的。這里需要指出的是只有當可以確認面板壩的滲漏主要是發生在面板區域時，用Z值作為判據才有意義。

2.2 工程分析

對表1滲漏量評價指標排序的結果表明，出現問題需要修補的面板壩工程主要是100 m高以上的面板壩，且建設年代多在80年代以前，這說明巴西阿里亞 （Foz do Areia）面板壩確立的常規止水形式確實發揮了作用，特別是對于100 m高以下的面板壩，在確保止水施工質量、面板不出現較大裂縫的前提下，大壩滲漏問題采用常規止水形式是完全可以解決的。以下對Z值較大的幾個典型工程進行分析如下：泰國考蘭（Khao Laem）壩[2]建于1979年～1984年，采用常規三道止水結構，在1985年～1990年間通過下游壩趾處量水堰的漏水量增加發現面板區域有三處大的滲漏，分別來自擋土墻周邊縫、趾板廊道和面板裂縫，經分析其滲漏原因有混凝土施工不當、工程質量較差、面板垂直縫間距 （15 m）過大以及擋土墻周邊縫下部堆石填筑深度過大等，后采用砂漿、化灌和細砂充填對滲漏區域進行了修補。美國貝雷 （Bailey）面板壩[3]出現較大滲漏的原因是面板下堆石填筑不當致使過大的沉陷從而造成面板斷裂以及止水的不連續，采用潛水員水下向縫中填粗麻繩、覆蓋塑料片以及鋪設粉細砂進行了修補。尼日利亞謝羅羅 （Shiroro）面板壩[4]的滲漏經潛水員檢查主要是由面板裂縫引起的，大壩的修補采用4∶1的水和粉質砂土混合物對面板進行沖填的方法。

導致對常規止水形式適應性產生懷疑的工程實例是哥倫比亞格里拉斯 （Golillas）面板壩[5]，格里拉斯面板壩的滲漏性評價在表1中排在倒數第二位，該壩采用常規三道止水，盡管壩高不高 （H=125 m），但是岸坡較陡，周邊縫位移較大，曾達到10 cm的沉陷，經調查滲漏主要來自于左壩肩趾板與巖石之間的張性節理 （寬60 cm）接觸面以及周邊縫，此外還發現周邊縫中部止水帶部位存在多孔混凝土，在靠近兩個趾板走向發生突變的部位，混凝土面板被壓裂等現象，在右壩肩周邊縫還發現了PVC止水帶沿中心管剪切破壞現象，格里拉斯的修補是在水下修補效果不佳的情況下降低水位進行的，修補采用灌漿、填新混凝土和重做周邊縫的方法。格里拉斯大壩的情況說明常規三道止水在用于高陡邊坡（大剪切作用）的面板壩中還存在問題，需要做進一步改進，如止水帶剪破、IGAS與混凝土之間的不良粘結、PVC面膜保護不夠致使IGAS從面膜中溢出等等。當壩高超過200 m時，由于止水結構需要承受三向大變位和高水壓，采用文獻[1]建議的新的止水設計和新的止水結構是必要的。

對67個工程的Z值進行分類計算，結果見表2。

表2 滲漏量評價指數Z的分類統計值

從表2可以得到如下結論：

（1）我國壩高在30 m以上和100 m以上面板壩的Z值平均值分別為0．671和0．311；國外30 m以上和100 m以上的面板壩Z值平均值分別為3．233和4．596，說明我國面板壩總體質量良好，尤其是100 m以上的面板壩工程，Z值明顯小于國外工程，說明我國在面板壩設計、施工理念和止水研究方面取得了很好的成績。

（2）我國2000年以前與之后工程Z值平均值分別為 1．266和 0．290； 國外 2000年以前、后工程Z值平均值分別為3.614和1.652。說明2000年之后工程質量明顯優于之前的工程。

3 結語

利用面板壩滲漏評價指數可以比較面板工程質量的優劣，工程數量越多，比較和統計意義越有參考價值，尤其是對于不同設計理念、不同止水結構的評價，對于新的工程設計更具有參照價值。

面板壩發展已有百年歷史，截至2009年，30 m以上已建、在建面板壩總數為477座，其中國內為240座。利用工程類比和滲漏評價指數法，進行全面分析具有很強的指導意義。由于條件所限，本文分析了67座的資料，因此，期望對更多的觀測資料進行分析。

［1］ Casinader R， Rome G.Estimation of leakage through upstream concrete facings of rockfill dams［C］//Proceedings of the 16th Congress on Large Dams,Q.61,R.17,ICOLD,1988:283-310.

［2］ Thongsire T,Suttiwong P.Safety surveillance and remedial works for Khao Laem Dam［C］//Proceedings of International Symposium on High Earth-Rockfill Dams,Beijing,1993.

［3］ Beene R R W,Pritchett E C.The R.D.Bailey Dam-A concretefaced earth-rockfill［C］//Cooke J B,Sherard J L,eds.Concrete face rockfill dams-design,construction and performance, American Society of Civil Engineers,1985.

［4］ Bodtman W L,Wyatt J D.Design and performance of Shiroro Rockfill Dam［C］//Proceedings of the Symposium on CFRD-Design,construction and performance,ASCE Convention,Detroit,1985.

［5］ Amaya F,Marulanda A.Colombian experience in the design and construction of concrete face rockfill dams［C］//Proceedings of the 20th Congress on Large Dams.ICOLD,2000.

［6］ Rousseeuw P J,Chapter 17:Robust estimation and identifying outliers［M］//Wadswirth H M,Jr.,ed.Handbook of statistical methods for engineers and scientists,2nd Ed.McGraw-Hill,New York,1998.