某混凝土面板堆石壩滲漏異常原因初步分析

馬 行 東

(中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)

某混凝土面板堆石壩滲漏異常原因初步分析

馬 行 東

(中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)

結(jié)合樞紐區(qū)巖溶和順河向斷層不發(fā)育，左岸滲控工程發(fā)育單斜、逆向為主的千枚巖地層，微新-新鮮千枚巖透水性小的特點，通過復(fù)核前期和開挖工程地質(zhì)條件，結(jié)合樞紐區(qū)巖體滲透特性評價，判定深層繞滲和集中滲漏通道的可能性小；壓水資料顯示帷幕底部仍發(fā)育強(qiáng)透水巖體。鑒于工程地質(zhì)復(fù)雜性，認(rèn)為有沿局部強(qiáng)透水巖體輕微滲漏的可能。通過多種手段和方法綜合分析認(rèn)為:大壩漏水最大可能是由淺表部的局部缺陷和左岸洞室內(nèi)水外滲而引起。

水利水電工程；巖土工程；混凝土面板堆石壩;滲控工程;帷幕灌漿;滲漏

據(jù)初步統(tǒng)計，近20年(特別是進(jìn)入21世紀(jì))以來，我國已建成水庫8.4萬座，其中大型水庫412座、中型水庫2 634座，總庫容4 500多億立方米，水庫數(shù)量躍居世界之首。在現(xiàn)代高壩水利工程中，研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滲透介質(zhì)具有厚度大、分層多等特征，而且建壩后上、下游水頭差較大，樞紐區(qū)內(nèi)繞壩滲流與壩基滲流同時存在，滲流的三維特征十分明顯[1]。滲透穩(wěn)定對工程安全和經(jīng)濟(jì)合理性的影響越來越突出。通過滲流分析，可研究巖體內(nèi)滲流要素，從而根據(jù)實際情況采取相應(yīng)措施，以確保工程安全[1-2]。袁勤國等[3]以湖北省某水庫為例分析了大壩滲漏的類型及成因，為水庫的防滲加固處理提供參考和借鑒。郭文瑋[4]充分利用大壩滲流安全監(jiān)測資料，分析大壩滲流的時空變化特征，結(jié)合三維數(shù)值模擬，判別出滲流異常變化部位所在。李剛等[5]采用逐步回歸分析方法對3年來的監(jiān)測成果進(jìn)行了分析。陳勇等[6]采用綜合物探等方法對南京赭山頭水庫長期存在的滲漏問題進(jìn)行探測，在物探探測滲漏區(qū)結(jié)合地質(zhì)鉆探確定大壩的滲漏通道。閆建文[7]分析了某水庫壩址壩體滲漏的原因并進(jìn)行了處理。李福林等[8]在地質(zhì)定性分析基礎(chǔ)上，采用多種物探方法分析出壩外滲流是造成下游滲漏的主要原因。

某混凝土面板堆石壩防滲體系主要由混凝土趾板、混凝土面板、面板接縫止水、灌漿帷幕組成，防滲標(biāo)準(zhǔn)采用q≤3 Lu。工程初期蓄水至高程后，壩后量水堰開始出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，初蓄水過程中所測大壩最大滲流量達(dá)0.13 m3/s，滲流量總體趨勢與蓄水水位走勢一致，相比類似工程和經(jīng)驗分析初期蓄水滲流量略為異常。考慮到二期蓄水和堆石壩壩型等，應(yīng)對初期滲漏異常原因進(jìn)行分析，預(yù)測二期蓄水后滲漏情況和大壩安全，故找出滲漏原因就顯得至關(guān)重要。筆者以前期、實際地質(zhì)資料和巡視為基礎(chǔ)，通過多種手段和方法綜合分析滲漏異常原因，以期對其它類似工程漏水原因分析有借鑒意義。

1 樞紐基本工程地質(zhì)

1.1 地形地貌

左岸谷坡陡峻，山體雄厚，地形較完整，工程區(qū)基巖裸露，其上、下游均無大型沖溝切割，總體屬斜向谷坡。

1.2 地層巖性

左岸基巖主要為奧陶系下統(tǒng)人公組第三段(O1r3)，巖層總體產(chǎn)狀為N40°～60°W/NE∠30°～55°(傾左岸坡內(nèi)、偏上游)，微新及完整巖體層面結(jié)合較好，透水性微弱。巖性為千枚化板巖、砂板巖夾變質(zhì)石英砂巖，以千枚巖、板巖為主。千枚巖礦物成份主要由絹云母、綠泥石和石英組成。板巖原巖為泥質(zhì)，具有板狀結(jié)構(gòu)，沿板理方向可以剝成薄片。該套地層巖性無可溶性成份和溶蝕性通道存在。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)位于某復(fù)背斜北東翼，宏觀上表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，無較大規(guī)模斷層破碎帶(二級及以上結(jié)構(gòu)面)分布，但節(jié)理裂隙普遍較發(fā)育，延伸長度一般砂巖在3～10 m，板巖中相對短小在1～5 m，局部見擠壓揉皺、破碎帶、裂隙密集帶，偶見小斷層出露。

1.4 巖體風(fēng)化卸荷

左岸谷坡陡峻，巖體風(fēng)化卸荷較強(qiáng)烈，板巖強(qiáng)卸荷水平深度2 725 m以下小于20 m，2 780 m以上為28～64 m，弱卸荷水平深度在高程2 725 m以下小于50 m，2 780 m以上為61～91 m。右岸變質(zhì)石英砂巖強(qiáng)卸荷水平深度在高程2 710 m處為40 m，2 780 m以上為18～50 m，弱卸荷水平深度在高程2 710 m處為50 m，2 780 m以上為60 m左右。

1.5 巖體透水性

地下水位受地形和汛期影響變幅較明顯，左岸地下水位由高到低分別為2 864.47～2 705.4 m，水力坡度88%～61%；右岸地下水位由高到低分別為2 850.06～2 709.38 m，水力坡度83%～72%，顯示出地下水位從高到低坡度逐漸變緩。

壓水試驗表明，趾板基礎(chǔ)巖體透水性雖有隨深度減弱的趨勢，但規(guī)律性不強(qiáng)，大于10 Lu的中等透水帶底界在高程2 850 m以下埋深一般20～40 m，小于3 Lu的隔水層頂界埋深河床33～50 m，右岸50～75 m，左岸一般33～45 m，局部深槽達(dá)120 m；小于1 Lu的微透水巖體分布零星，無明顯規(guī)律，在勘探深度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一的界面。滲控工程地質(zhì)平面見圖1；大壩趾板滲透和帷幕灌漿工程地質(zhì)剖面見圖2。

圖1 滲控工程地質(zhì)平面Fig.1 Seepage control engineering geological plan

圖2 大壩趾板滲透和帷幕灌漿工程地質(zhì)剖面Fig.2 Engineering geological profile of dam toe slab and curtain grouting

2 壩址區(qū)巖體滲透特性評價

壩址區(qū)32個鉆孔共做壓水試驗417段，壓水試驗主要集中在右岸O1r2變質(zhì)石英砂巖夾板巖和左岸O1r3板巖夾變質(zhì)石英砂巖中。壓水試驗資料成果表明，巖體透水性因地形地貌、巖性、風(fēng)化卸荷程度的不同，存在一定的差異，總體上隨深度增加而減弱。壩址區(qū)無強(qiáng)透水巖體，深度0～50 m以中等透水為主，50 m以下以弱-微透水為主(圖3)。

圖3 壩區(qū)巖體透水率與深度的變化關(guān)系曲線Fig.3 Curves of rock permeability with depth

據(jù)壓水試驗成果，壩址區(qū)巖體透水性有以下主要特征：

1)強(qiáng)風(fēng)化帶主要集中在左岸板巖夾砂巖地層中，右岸砂巖夾板巖地層無強(qiáng)風(fēng)化帶。強(qiáng)風(fēng)化帶總體屬中等偏強(qiáng)透水，巖體透水率一般10～30 Lu，最小6.7 Lu，最大60 Lu。

2)弱風(fēng)化帶巖體透水性不均一，總體屬中等偏弱透水。壓水試驗成果表明弱風(fēng)化帶巖體透水率一般3～30 Lu，最小1.2 Lu，最大35 Lu。同等深度情況下，左岸弱風(fēng)化帶巖體透水性大于右岸巖體，而右岸巖體大于河床巖體。

3)壩址區(qū)微新巖體總體來說以弱透水為主，淺部局部有中等透水巖體。兩岸透水性較大，向河床變小；淺部透水性較大，向深部逐漸減小，到一定深度以下則變?yōu)橄鄬Ω羲畮r體。

3 滲漏原因初步分析

根據(jù)工程特點和類似工程經(jīng)驗，壩后出現(xiàn)滲漏異常可能基于下列原因：①擋水結(jié)構(gòu)局部施工缺陷或變形較大導(dǎo)致發(fā)生破損引起滲漏；②地質(zhì)條件復(fù)雜，帷幕防滲效果不好，導(dǎo)致沿壩基滲漏；③帷幕深度、兩岸延伸范圍不足，庫水經(jīng)短滲徑繞過防滲體系產(chǎn)生繞壩滲漏問題；④相鄰建筑物內(nèi)水外滲進(jìn)入壩體；⑤河床趾板等部位監(jiān)測儀器埋設(shè)及電纜引出不當(dāng)造成的滲漏。

漏水后采取了滲水現(xiàn)象調(diào)查、工程地質(zhì)復(fù)核、水質(zhì)分析、監(jiān)測分析、鉆孔壓水、鉆孔電視和物探測試等方法綜合進(jìn)行初步分析。

3.1 滲水現(xiàn)象調(diào)查

左岸山體布置了較多洞室(導(dǎo)流洞、放空洞、左岸泄洪洞及施工支洞)及三洞合一洞室群等。左岸洞室、洞室群及壩后量水堰與建筑物布置關(guān)系平面見圖4，剖面見圖5。

圖4 壩后量水堰與建筑物布置關(guān)系平面Fig.4 The relationship between the amount of weir and the building layout

圖5 壩后量水堰與建筑物布置關(guān)系剖面Fig.5 The relationship between the amount of water weir and the building layout

初期蓄水后，對左岸壩后進(jìn)行數(shù)次巡視，滲水現(xiàn)象規(guī)律如下：

1)蓄水后左岸洞室出口段未見明顯的漏水現(xiàn)象，現(xiàn)狀仍以洞壁濕潤為主，局部見滴狀滲水現(xiàn)象，未見大面積密集線狀滲水或集中股狀滲水，其中環(huán)抱布置的施工支洞洞壁未見明顯的異常變化，說明蓄水后左岸深層繞滲現(xiàn)象不明顯。通過左岸導(dǎo)流洞、泄洪道下平段部位巖體產(chǎn)生深部滲漏的可能性小，存在庫水到量水堰的集中深層繞滲通道可能性小；

2)圖5中量水堰后平臺出水點高程約2 710 m，左岸泄洪洞施工支洞洞口底板高程2 709.35 m，低于集中出水點，現(xiàn)場左岸也未見出水點，可見量水堰來水是來自于壩體而不是左岸山體；3)壩后左岸山體邊坡、導(dǎo)流洞出口附近邊坡、左岸泄洪洞施工支洞進(jìn)口附近邊坡巡視等，一直未發(fā)現(xiàn)集中滲水、大面積坡面滲漏、坡面浸潤等跡象。宏觀現(xiàn)象調(diào)查發(fā)現(xiàn)不符合一般意義上的深層繞滲基本特征。

3.2 工程地質(zhì)復(fù)核

天然狀態(tài)下左岸地下水出露不發(fā)育，左岸穩(wěn)定地下水位一般在2 700.92～2 864.47 m之間。另據(jù)布置于左岸的導(dǎo)流、放空、泄洪等地下洞室及灌漿平硐開挖揭示情況，左岸放空洞、左岸泄洪洞地下水總體不豐富，主要表現(xiàn)為洞壁濕潤，僅局部見滴狀滲水現(xiàn)象。左岸導(dǎo)流洞局部流水，局部發(fā)育強(qiáng)透水巖體夾層。左岸巖體透水性主要受巖性、構(gòu)造和風(fēng)化卸荷等因素控制，壩址區(qū)無強(qiáng)透水巖體，深度0～50 m以中等透水為主，50 m以下以弱-微透水為主。據(jù)鉆孔壓水試驗資料，強(qiáng)卸荷巖體透水率一般q>10 Lu，屬中—強(qiáng)透水層，中等透水帶底界在高程2 850 m以下埋深一般20～40 m，小于3 Lu的隔水層頂界埋深河床一般33～50 m，右岸50～75 m，左岸一般33～45 m，局部深槽可達(dá)120 m。小于1 Lu的微透水巖體分布零星，無明顯規(guī)律，在勘探深度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一的界面。帷幕防滲處理深度多置于透水性較弱的微新巖體內(nèi)。

根據(jù)工程地質(zhì)條件分析，沿左岸基礎(chǔ)防滲處理范圍以外的微新巖體產(chǎn)生大量集中滲漏(繞滲)的可能性小。鑒于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，不排除在防滲處理范圍以外局部仍有透水性偏大的巖體存在，其分布具有隨機(jī)性，但不構(gòu)成貫通性滲漏通道。

3.3 水質(zhì)分析

為探明量水堰出水與庫水、導(dǎo)流洞、左岸泄洪洞等相關(guān)關(guān)系，從上述相關(guān)部位共取5組水樣進(jìn)行簡分析，成果見表1。

表1 地下水水質(zhì)分析對比

由表1可見，壩后量水堰(壩后滲水)表層、庫水(地表水)表層、堵頭滲水關(guān)聯(lián)性相對較好，為庫水；導(dǎo)流洞內(nèi)邊墻地下水與上述3個部位差異較大，推測以地下水為主；左岸地下滲水中的Cl-1和Mg2+與上述3部位差異較大外，其余指標(biāo)顯示有一定相關(guān)性，推測為混合水體。

3.4 滲壓監(jiān)測分析

一期蓄水后的左岸面板周邊縫孔隙水壓力時程曲線見圖6。PDB-06(高程2 711 m)達(dá)到5 m，PDB-05(高程2 735 m)觀測的滲透水頭最大為34 m，PDB-04(高程2 770.50 m) 達(dá)到56 m，PDB-03(高程2 819 m) 達(dá)到2 m。其中PDB-04，PDB-05滲壓計測值異常，滲壓計觀測曲線有大壩上游庫水位相關(guān)性較高。左岸分布的4臺滲壓計都不同程度地出現(xiàn)異常。鑒于該滲壓計位于趾板基礎(chǔ)面上(兩排帷幕線之間)，結(jié)合測縫計及物探測試成果，該監(jiān)測部位有異常滲透途徑、可能存在缺陷。

圖6 左岸面板周邊縫孔隙水壓力時程Fig.6 The left panel of peripheral joint of pore water pressure of Cheng Xiantu

3.5 趾板檢查孔測試分析

左岸趾板2 805 m高程以上布置了3個檢查孔深入帷幕線以下，檢查孔平面布置見圖7。

圖7 左岸趾板檢查孔平面布置Fig.7 The left bank toe board inspection hole layout

3.5.1 壓水測試分析

左岸趾板檢查孔壓水試驗帷幕水下都存在滲透系數(shù)大的情況，異常點發(fā)育部位見圖8。

圖8 左岸趾板檢查孔剖面Fig.8 The left bank toe board inspection hole profile

前期采用常規(guī)壓水，本次采用灌漿設(shè)備進(jìn)行壓水，未測實際地下水位，成果計算未考慮靜水柱壓力以及壓力表與孔口壓力差，鑒于壓水試驗存在差異，故本次所測呂榮值比常規(guī)壓水偏保守。J-1和J-3帷幕下巖體的呂榮值比前期和設(shè)計要求略大，除個別段略異常外，多處于同級別，分析帷幕下的巖體呂榮值與前期基本一致。J-2孔96～112 m段巖體的呂榮值比前期大一個數(shù)量級，但鉆孔電視顯示除底部發(fā)育裂隙外，其它段巖體質(zhì)量較好，壓水試驗和鉆孔電視不太相符。后對檢查孔J-2進(jìn)行了孔內(nèi)電流探測，成果表明，探測孔段75～107 m范圍內(nèi)電流值均小于0.3 A，推測探測孔段整體較完整，未發(fā)現(xiàn)集中的滲漏通道，僅存在局部輕微的滲漏可能。

綜上，J-1，J-2幕底壓水試驗巖體透水率分別為28～31 Lu和24 Lu，幕底存在局部強(qiáng)透水巖體。

3.5.2 地下水位

布置的3個檢查孔地下水位分別為：J-1為2 758 m，JCK-02為2 760 m，J-3為2 851 m，遠(yuǎn)低于一期庫水位2 805 m高程，間接說明孔內(nèi)水與庫水聯(lián)系不大。

3.5.3 鉆孔電視缺陷分析

帷幕深度下部尚存在一些原始地質(zhì)缺陷，如J-1孔80～100 m以下滲透系數(shù)大，鉆孔電視顯示帷幕下發(fā)育有張開裂隙和錯動帶等缺陷。

鉆孔缺陷分析如下：①首先深部存在地質(zhì)缺陷屬正常現(xiàn)象，其次發(fā)育的傾坡內(nèi)略偏上游的順層錯動帶和擠壓帶類型多屬巖屑夾泥和泥夾巖屑型，板巖遇水易軟化，軟化的板巖具有隔水功能；②孔內(nèi)電流物探測試成果表明探測孔段整體較完整，未發(fā)現(xiàn)集中的滲漏通道，僅存在局部輕微的滲漏可能。

淺表部巖體局部仍有地質(zhì)缺陷現(xiàn)象，J-3(高程2 813 m)孔在深度4.3～4.9 m混凝土與基巖交結(jié)面成像顯示孔壁破碎，掉塊；8.4～8.6 m有裂隙發(fā)育，灌漿不飽滿。二期蓄水至此位置時，一定壓力下，庫水可從該薄弱部位滲入壩體。

淺表部缺陷原因分析如下：左岸板巖灌漿間距、壓力等參數(shù)參考右岸的砂巖、砂板巖等，因此存在淺表部灌漿壓力不大，板巖吃漿小，板巖灌漿半徑小，加上上覆壓力及蓋板厚重小，可能局部存在灌漿不飽滿現(xiàn)象，使得淺表部發(fā)育的缺陷局部可能存在灌漿不飽滿的情況。

3.6 物探測試

為探明滲漏部位和滲漏途徑，采用偽隨機(jī)流場法對壩前進(jìn)行物探測試。根據(jù)物探測試成果，結(jié)合宏觀地質(zhì)及現(xiàn)場實際情況分析如下：

1)導(dǎo)流洞進(jìn)口附近部位嚴(yán)重滲漏(2 715～2 795 m)與導(dǎo)流洞漏水有關(guān)并可能存在內(nèi)水外滲問題。漏水位置可能是導(dǎo)流洞施工支洞堵頭、閘門及基覆界線漏水，后導(dǎo)流洞永久堵頭出現(xiàn)滲水進(jìn)行了佐證。

2)放空洞進(jìn)口附近部位中度滲漏(2 710～2 795 m)與放空洞5 m3生態(tài)放水有關(guān)并可能存在內(nèi)水外滲問題。

3)左岸趾板邊坡附近部位中度滲漏(2 720～2 795 m)，推測與放空洞生態(tài)放水或繞滲有關(guān)。

4)左岸趾板嚴(yán)重滲漏(2 750～2 800 m，異常大值中心點2 775 m)，結(jié)合高程2 746～2 826 m檢查孔合格率略低，淺表部局部存在缺陷。

5)河床趾板中度滲漏(2 720 m)、右岸趾板中度滲漏(2 730～2 750 m)與淺表部局部缺陷有關(guān)。

左岸趾板檢查孔偽隨機(jī)流場法成果表明：①所測異常點測值較小，測試孔段不存在集中滲漏通道，個別孔段存在輕微滲漏；②孔內(nèi)電流成果多界于50～100 mA，表明孔內(nèi)水與壩前庫水連通性差，與左岸趾板部位關(guān)系最小，與導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡附近部位關(guān)系最大；③檢查孔孔內(nèi)電位差成果分析，導(dǎo)流洞進(jìn)口附近部位、放空洞進(jìn)口附近部位量水堰關(guān)系值，基本都低于10 mV，多數(shù)低于庫區(qū)正常背景值6 mV，說明上述3區(qū)與量水堰關(guān)系小。

4 結(jié) 論

1)微新千枚巖透水性小。現(xiàn)場調(diào)查未發(fā)現(xiàn)一般意義上的深層繞滲基本特征，宏觀分析沿防滲處理范圍以外的微新巖體產(chǎn)生大量深層繞滲的可能性小。

2)壓水、物探測試、鉆孔電視等手段和方法顯示，淺表面仍局部存在缺陷。布置于防滲體系外的地下洞室和洞室群，庫水有順沿洞室松弛圈，后沿施工薄弱環(huán)節(jié)或巖體缺陷部位產(chǎn)生的內(nèi)水外滲的可能。綜合初步分析局部淺表部缺陷和內(nèi)水外滲，是漏水和滲漏途徑的最大可能。

3)通過多種手段和測試方法，初步分析滲漏原因是可行的，可以初步判斷滲漏異常主要部位和可能滲漏途徑，對類似工程的分析有所借鑒。若進(jìn)行精確定位和后期缺陷處理，尚需開展進(jìn)一步的物探測試、潛水和機(jī)器人檢查等工作。

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Preliminary Analysis on the Cause of Leakage of a Concrete Face Rock-fill Dam

MA Xingdong

(Chengdu Engineering Corporation Limited,Power Construction Corporation of China, Chengdu 610072，Sichuan, P. R. China)

After studying such features as underdeveloped kast in junction region and fault in river direction, on the left bank of seepage control engineering development of monoclinic and reverse mainly of phyllite stratum, new micro—fresh phyllite permeable, by reviewing the geological conditions of the early stage and under the excavation in conjunction with assessment of rock peameability in junction region，it was judged that the possibility of deep percolation and concentrated leakage path was small, But the water pressure data show that the bottom of the curtain was still developing highly permeable rock, in view of the engineering geological complexity, the possibility of slight leakage along the local highly permeable rock mass still exists. Through a comprehensive analysis by various means and methods it is considered that dam leakage is most likely at the superficial local defects of shallow surface and water leakage from inside to outside of the tunnel on left bank.

water conservancy and hydropower engineering; geotechrical engineering; concrete face rock-fill dam; seepage control engineering; curtain grouting; leakage

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.19

2015-10-26；

2016-11-06

馬行東(1978—)，男，江蘇徐州人，高級工程師，主要從事水電工程地質(zhì)和巖土設(shè)計方面的研究。E-mail:cumtxiaomad@163.com。

U617.8;TU433;TV221.2

A

1674-0696(2016)05-092-05