混凝土壩基防滲帷幕體老化的基本模式及識別指標

余 波,鄭克勛,王建平,宋漢周

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081; 2.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 210098)

混凝土壩基防滲帷幕體老化的基本模式及識別指標

余 波1,鄭克勛1,王建平2,宋漢周2

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081; 2.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 210098)

采用綜合分析方法,對混凝土壩基防滲帷幕體的老化模式以及識別指標進行了系統的探討。基于相對防滲效率,把帷幕體老化分為相對穩定型、緩慢變化型以及階段性變化型3種基本模式;在分析時段內,不同的模式具有不同的防滲效率。用于識別帷幕體老化的指標有3類:第一類為滲流的微觀動態要素,包括析鈣量、TDS值、pH值、無機質和有機質等,可用于揭示帷幕體的老化機制;第二類為滲流的宏觀動態要素,包括揚壓力、排水量等,可用于判斷帷幕體的老化程度及其基本模式;第三類為數值分析指標,包括飽和指數和滲漏水源比例系數等,可用于量化分析帷幕體的老化過程。3類指標的識別有助于構建混凝土壩基防滲帷幕體老化評估體系。

壩基防滲帷幕體;老化模式;滲流;識別指標

據21世紀初統計,我國在巖溶地區及非巖溶地區已建有各類大壩約8.4萬座,其中在國際大壩委員會登記的壩高大于15 m的達1.9萬座,居世界首位[1]。其中,壩齡小于20 a的占已建大壩總數的34%,在20～30 a之間的占44%(與20世紀70年代大壩建設高峰期相符),在30 a以上的占21%,平均壩齡為22.87 a。從運行年齡上看,我國多數大壩已進入中老齡階段,與之相伴的老化問題逐趨突出,而成為一個需要深入研究的問題。

近年來,不少學者針對大壩老化現象從不同的方面開展了研究。一些較早興建混凝土壩的發達國家,對大壩老化問題相當關注,如在2003年第21屆國際大壩會議上,將老化問題列為專題進行研究;我國對于大壩老化的診斷及治理雖相對滯后,但也取得了一定的進展。在老化診斷方面,認為一般經過30多年運行的混凝土壩,顯露的各種老化病害主要表現為滲流變異、溶蝕加重、碳化累進、沖磨空蝕加劇以及裂縫增生擴展等[2-4]。在老化評估及大壩安全評價方面,具有代表性的是基于室內試驗成果,比較系統地提出了水工建筑物不同的表層病害對于整體老化的評價指標[5];也有以特征時段為區間,根據多效應量來獲取指標的隸屬度,結合信息熵理論和專家評估法確定指標權重,采用統計方法進行時段類比[6]。而在老化治理方面,相關技術方法以及新材料方面的研究均取得了一定的進展[7-8]。相對而言,對于一定齡期混凝土壩基防滲帷幕體(以下簡稱帷幕體)老化的研究顯得弱一些。究其原因,一方面與其特有的隱蔽性以及復雜多變的影響因素有關,另一方面也與相關檢測資料的相對零散有關。

本文采用綜合分析方法,建立運行工況下壩基非巖溶裂隙介質帷幕體老化的基本模式,依據滲流動態監測/檢測資料,提出用于識別帷幕體老化的3類指標,并分析其指示意義,旨在為構建帷幕體老化的評估體系提供支持。

1 帷幕體老化的基本模式

壩基非巖溶裂隙介質帷幕體實際上是由天然巖體以及灌入其中的水泥漿液經凝固和硬化后形成的,巖體中發育的結構面及其網絡是硅酸鹽類水泥結石充填的主要部位。因此,當使用的材料以及施工工藝一定時,所形成的帷幕體的完整性程度及其防滲效果,很大程度上取決于待灌巖體中結構面及其網絡的空間分布特征。

壩基不同部位巖體結構面的力學性質、發育程度等方面存在的差異性,決定了由施工階段形成的帷幕體的完整程度以及防滲效果也存在相應的不均一性,從而導致其在運行階段發生老化及老化程度的差異性。

為進一步分析帷幕體的老化隨時間演變的不一致性,參照相對防滲效率這一物理量,可把運行工況下帷幕體老化的基本特征,大致分為相對穩定型(Ⅰ類)、緩慢變化型(Ⅱ類)和階段性變化型(Ⅲ類)3種模式,其相關帷幕體防滲性能的時效變化如圖1所示。

圖1 帷幕體老化基本模式示意圖

相對防滲效率定義如下:

(1)

式中:Er為相對防滲效率,數值上在0～1之間變化,當Er→1時,表明帷幕體的防滲效率穩定,而當Er→0時,則表明帷幕體的防滲效率趨于喪失;Et為帷幕體于運行期t時刻的實際防滲效率;Et0為帷幕體于運行初期t0時刻的實際防滲效率,在數值上有:Et0=(Qb-Qa)/Qb,其中Qb為不設帷幕時的單寬流量,Qa為設置帷幕后的單寬流量,兩者均可根據達西定律求得。由達西定律基本定義可知,當帷幕體的厚度一定且當帷幕上下游側基巖的滲透性一定時,帷幕體的滲透性越低,或遠低于基巖的滲透性,則其防滲效率越高(Et0→100%);反之,若帷幕體的滲透性仍保持一定,或相似于基巖的滲透性,則其防滲效率就很低(Et0→0)。

根據式(1),可知帷幕體的不同老化模式具有不同的防滲性能:對于Ⅰ類帷幕體,在分析時段內有Et→Et0,或有Et≈Et0,帷幕體的防滲效率保持了相對的穩定;對于Ⅱ類Ⅲ類帷幕體,在分析時段內均有Et

顯然,3種類型帷幕體中,對Ⅰ類Er≈1,對Ⅱ類與Ⅲ類Er<1。Ⅱ類與Ⅲ類之間的區別僅在于:前者的防滲效率在分析時段內的減弱是隨時間呈線性變化的,而后者的防滲效率在分析時段內的減弱是隨時間呈“臺階”狀變化的,即呈非線性變化。

在實際工作中,可根據分析時段內幕后滲漏水宏觀和微觀多要素的動態特征,對帷幕體的老化模式進行判定。

2 帷幕體老化識別的若干指標

基于幕后滲漏水的宏觀和微觀動態監測/檢測資料系列,認為滲流的微觀、宏觀動態要素和數值分析3類指標對于識別帷幕體可能發生的老化過程具有相對顯著的指示意義。

2.1 滲流的微觀動態要素

2.1.1 滲流水質

表1 部分水電站壩址環境水主要水化學特征統計

在幕后滲漏水的水化學指標中,認為析鈣量、TDS值和pH值3個指標對于揭示帷幕體的老化過程更具有指示意義。

2.1.1.1 析鈣量

與同期補給源(通常為壩前庫水)相比較,幕后滲漏水中鈣離子(也可以用CaO表示)含量的增量,即為該組分通過壩基帷幕后新增的遷移量。對此,通常存在兩個“源”:一是帷幕體;二是與帷幕體相鄰的基巖。根據材料學,形成常規帷幕的普通硅酸鹽水泥中的CaO質量分數一般在65%～67%之間,經過水化后形成的水泥結石中,Ca(OH)2類水化產物在一般的軟水中仍具有一定的溶解性,而當滲漏水含有一定量的CO2時,其溶解性將得到顯著提高。顯然,帷幕體中的此類水泥結石在滲漏水作用下不斷被溶蝕,將導致此類常規帷幕體的密實度降低,而弱化其防滲性能。另一方面,與帷幕體相鄰的天然巖體(這里不考慮碳酸鹽類巖石)中多含有鈣質組分,所不同的只是含量方面或形式方面存在差異。此類組分在滲漏水作用下,通過全等溶解(如結構面中的鈣質充填物)或不全等溶解(如含鈣質的硅酸鹽類礦物)作用進入水溶液中。

在實際工作中,可采用折減系數法或化學計量法,對幕后滲漏水中析鈣量的不同來源加以量化分析[10]。

另外,也可根據流量資料以及形成某壩段帷幕體的具體灌漿資料,包括所用的水泥材料等,推求幕后地下水中源于帷幕體的累計析鈣量占上述壩段形成帷幕體所用水泥中CaO總量的百分比,以此可推求帷幕體防滲性能弱化的程度,以及失效的年限。

2.1.1.2 TDS值

TDS值的大小反映了水溶液與其相接觸的固相介質之間反應狀態的綜合飽和程度,即若TDS值低,表明水溶液相對遠離飽和態;反之,TDS值高,則表明水溶液相對接近飽和態。在一定的條件下,水動力條件是重要的影響因素。

如表1所示,幕后滲漏水的TDS值普遍大于作為其主要補給源的壩前庫水,局部達1～2個數量級。在我國南方及東部、西北地區(如黃河中上游地區)的大中型水電站壩址區,均具有這種分布特征。由此表明,發生于液-固相系列之間的溶解作用(包括全等溶解和不全等溶解作用)是導致幕后滲漏水水質形成和演變的主要水化學作用。

幕后滲漏水的TDS值具有反映帷幕體老化時空特征的指示意義。就空間而言,沿壩軸線方向不同壩段幕后滲漏水的TDS值往往呈現一定的變化,即便當壩址區一定范圍內具有相同或相似的巖性、巖相條件時,亦如此。由此從一個側面反映了不同壩段間帷幕體防滲性能弱化程度方面的差異性:在具有相對高TDS值的壩段,帷幕體仍具有較好的防滲性能,即其弱化(或老化)程度不明顯;而在相對低TDS值的壩段,帷幕體的防滲性能已發生了相對明顯的弱化。而就時間而言,在同一測點位通過對比發現:若后期水的TDS值明顯低于前期,則表明該時段內相鄰部位帷幕體的防滲性能發生了一定的弱化;若不同時期間這一物理量的大小保持了基本穩定,則表明該時段內相鄰部位帷幕體的防滲性能未發生相對明顯的弱化。

2.1.1.3 pH值

作為水化學的另一個綜合指標,pH值不僅反映了水溶液的酸堿性,而且也反映了部分化學元素在水溶液中的存在形式(如碳酸存在形式)及遷移的難易程度。由于該指標對于水環境的變化,如溫度、壓力(包括CO2等氣體的分壓)等有著敏感的反應,故宜在現場測量。

已有的水質化驗資料表明,壩前庫水在向壩基幕后運移過程中普遍呈現了堿性化的趨勢。當壩址區具有相同或相似的巖性、巖相時,幕后不同部位滲漏水pH值的差異可歸為幕后不同部位間水動力條件的差異所致,即滯緩的水動力條件(或水交替條件)有利于水質的堿性化,而活躍的水動力條件則不利于水質的堿性化。因此,可以根據幕后不同部位(如不同壩段)滲漏水pH值的分布特征來判定上游側帷幕體防滲性能(優劣)的空間分布特征:在pH值較高(如大于10.0)的部位,其防滲性能相對優一些;在pH值較低(如小于8.0)的部位,其防滲性能則顯得劣一些,而在pH值大于9.0的部位,標志著相鄰帷幕體中的水泥水化產物受到了明顯的溶蝕。由此,也反映了該帷幕體沿壩軸線方向所發生的老化及其差異性程度。

另外,幕后同一部位水的pH值隨時間往往也會呈現一定的變化。其中,有兩種情形可以識別:①隨時間保持了相對的穩定;②隨時間趨于減小。對于前者,表明帷幕體的防滲性能在分析時段內保持了相對的穩定;對于后者,表明帷幕體的防滲性能在分析時段內發生了相對明顯的弱化,即有老化的癥狀。

2.1.2 滲水析出物

作為滲流微觀動態的另一要素,開展對于幕后滲水析出物的基本特征及其時空演變的分析,對于識別基礎帷幕體的老化特性也具有指示意義。

2.1.2.1 析出物中的無機質

多批次樣品的化驗結果[10]表明,幕后滲水析出物具有復雜的無機質組成,其中,白色者以CaO為主,棕紅色者以Fe2O3為主,黑色者以MnO為主。

關于滲水析出物中的鈣質,認為與幕后滲漏水中的鈣質具有相同的物質來源:一是帷幕體中Ca(OH)2一類水泥結石的溶解作用;二是巖體中碳酸鹽類礦物的溶解作用。對此,也可用折減系數法來量化析出物鈣質中源自帷幕體的相關組分所占的份額。

關于滲水析出物中鈣質的形成機理,通常有兩種:一是由水溶液與碳酸鹽類礦物間的反應狀態呈飽和/過飽和狀態時發生的沉淀作用所致;二是由水環境的顯著變化(如壓力的降低或溫度的升高)所致。由前一種析鈣機制形成的析出物部位,一般流量比較小(小于5 mL/s),有時僅滴水而已;而在由后一種析鈣機制形成的析出物部位,流量相對大一些(大于10 mL/s),有時還處于壓力滲流狀態下。由此顯示,相鄰于后一部位的帷幕體的防滲性能要弱于前一部位,即發生的老化程度相對顯著于前一部位。

2.1.2.2 析出物中的有機質

據了解,多座水電站(如表1中的池潭、陳村、龍羊峽以及李家峽等)在大壩基礎或壩肩主帷幕形成之后,因局部防滲效果不佳,均在運行期進行了化學材料的局部補強。這些化學材料包括丙凝(陳村)、中化-798(龍羊峽、李家峽等)以及LW-HW水溶性聚氨酯(池潭)等。由此形成的化學灌漿補強帷幕在形成初期均收到了較好的防滲補強效果。

對幕后滲水析出物中可能出現的與上述化學灌漿材料有關的有機質(如糠醛、環氧樹脂等)進行檢測,有助于判定此類化學灌漿補強帷幕的防滲性能可能潛在的弱化。若此類有機質被檢出,則表明相鄰部位帷幕體中的有關化學灌漿材料,已通過浸析作用而發生了析出,這是帷幕體防滲性能發生弱化或老化的重要標志。可采用紅外光譜測試方法,對此類析出物試樣中可能含有的有機質進行測定[11]。如池潭大壩6壩段幕后滲水析出物的光譜特征(圖2)顯示:波數在3 400 cm-1附近,為仲酰胺(RCONH-)中N—H伸縮振動產生;在2 925 cm-1附近,為亞甲基(CH2)的C—H不對稱伸縮振動產生;而在1 440 cm-1附近,則由C—H變角振動產生。據此認為,該孔位析出物中諸如N—H、C—H等基團的檢出與上游側加強帷幕體中化學灌漿材料的析出有關。由此,也為評價所在壩段此類加強帷幕體的防滲耐久性提供了來自相關物質方面的直接證據。

圖2 池潭大壩6壩段幕后G6-4孔析出物的紅外光譜

2.2 滲流的宏觀動態要素

2.2.1 排水量

已有的滲流原型監測資料表明:①幕后不同部位(包括不同壩段甚至相鄰的排水孔之間)往往具有大小不等的排水量,呈現不均一的分布特征,表明不同部位帷幕體往往具有不同的防滲效率。②不同部位排水量與壩前庫水位之間具有不同程度的相關性,在部分孔位這兩個物理量之間雖具有一定程度的相關性,但隨時間保持了相對的穩定;而在另外部分孔位兩者之間的相關性程度,在不同時段間可能呈現一定的變化,如由前期的“弱相關”轉變為后期的“較顯著相關”或“顯著相關”[12]。前一種情形反映了帷幕體的防滲性能在分析時段內保持了相對的穩定,后一種情形則反映了相鄰部位帷幕體的防滲性能發生了一定的弱化。

在實際工作中,根據實測資料,也可分時段分別建立多元統計模型,通過求解可以將影響排水量這一效應量變化的相關環境量(如壩前庫水位等)因子進行量化解析[1],并通過對比分析,可以判定帷幕體防滲性能發生弱化的部位以及弱化程度,或老化程度。

2.2.2 揚壓力

也可采用相似于幕后排水量分析的若干方法,如圖示法、模型分析法等,對揚壓力的時、空變化特征開展分析,以獲取能夠揭示帷幕體防滲性能弱化的相關信息。

另外,必要時可在現場做一些原位測試等工作。如對于揚壓力測值異常(即實測值大于設計值)的測點,采用現場“卸壓法”以及隨后的“憋壓法”[13],以原位觀測測點位壓力變化的速率判斷該測點位傳遞滲壓的相關路徑及其通暢程度,以及傳遞滲壓路徑的幾何形態。由此,來進一步判定帷幕體防滲性能發生弱化的大致部位以及發生弱化的程度。

2.3 其他指標

此外,根據滲流動態監測/檢測資料,借助數值分析方法對帷幕體可能發生的老化作進一步的診斷。相關指標包括飽和指數SI和滲漏水源比例系數R等。

就化學熱力學而言,飽和指數可用于反映水溶液與目標礦物(如碳酸鹽)之間的反應狀態,具有與反應自由能變化(ΔG)相似的物理意義。由此判定:①當SI<0(ΔG<0)時,表明水溶液與目標礦物之間處于非飽和狀態,即處于溶解狀態;②當SI=0(ΔG=0)時,表明水溶液與目標礦物之間處于溶解-沉淀平衡狀態;③當SI>0(ΔG>0)時,表明水溶液與目標礦物之間處于飽和狀態,即處于沉淀狀態。

若壩址區具有相同或相似的巖性條件,可根據幕后滲漏水的SI值沿某一方向(如沿壩軸線方向)的斷面,判定帷幕體的防滲性能沿此方向的分布特征[14]。同樣,可根據幕后滲漏水某測點于不同時刻(如不同年份)的SI值,通過對比來判定相鄰帷幕體防滲性能可能發生的弱化或老化。

滲漏水源比例系數則反映了不同滲漏水源所占的份額。應該說,幕后地下水的混合作用也是水化學的一種重要的形成作用。這種作用多發生在左、右壩肩部位,即在這樣的部位,幕后滲漏水中可能既含有壩前庫水,也含有來自側向的岸坡地下水;若壩前庫水所占的百分比為R,岸坡地下水則為1-R。

根據質量守恒定律,并結合對區內水-巖相互作用系統(多為灰色系統)的認知,可建立水文地球化學反向模擬模型;依據系統中初始液與溶出液的水化學檢測資料,采用數值方法進行求解,可得到系統中“可能礦物相”發生的遷移量以及不同滲漏水源所占的比例(R值)[15]。通過對比分析,可判定相鄰部位帷幕體的防滲性能可能發生的弱化/老化。

3 結 論

a. 運行工況下,帷幕體老化現象具有的時空差異性分布特征是由其基本結構決定的。按照相對防滲效率,可把帷幕體的老化模式分為相對穩定型、緩慢變化型和階段性變化型3種。在分析時段內,不同的模式具有不同的防滲效率:相對穩定型具有相對穩定的防滲效率;而緩慢變化型和階段性變化型均趨于緩慢的衰減,之間的區別在于,緩慢變化型呈近于線性變化,而階段性變化型則呈非線性變化。這種分類具有實用性,并具有普遍意義。

b. 幕后滲漏水宏、微觀動態要素中,隱含著多個可用于識別帷幕體老化的指標。其中,微觀動態要素中包括析鈣量、TDS值、pH值以及滲水析出物中的無機質和有機質5個指標;而宏觀動態要素則主要包括揚壓力及排水量2個指標。前一類指標可用于揭示帷幕體老化的形成機制;而后一類指標則用于判斷帷幕體老化的程度以及老化的基本模式。第三類指數值分析指標,包括飽和指數和滲漏水源比例系數等,可用于量化分析帷幕體的老化過程。這3類指標可用于建立帷幕體老化的評估體系。

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Basicpatternsandidentificationindexesforageingbehaviorofanti-seepagecurtainsunderaconcrete-damfoundation//

YU Bo1, ZHENG Kexun1, WANG Jianping2, SONG Hanzhou2

(1.PowerChinaGuiyangEngineeringCo.,Ltd.,Guiyang550081,China; 2.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

The long-term safe operation of a dam can be influenced by the ageing of anti-seepage curtains under its foundation. Based on a synthetic analysis method, basic ageing patterns and some indexes of identification are presented. Three kinds of patterns, including a relatively stable pattern, a slow-weakening pattern and a weakening in stage pattern were classified in terms of the relative anti-seepage efficiency. Each pattern has its unique anti-seepage efficiency during the analysis time. Three types of indexes can be used to identify the ageing. The first type is the micro dynamic elements of seepage, including Ca2+,TDS,pH,inorganic and organic matters, which can be used to reveal the ageing mechanisms. The second one is the macro dynamic elements, including the uplift pressure and flow rate, which can be used to identify the ageing degrees and the basic aging patterns. The third type is the numerical analysis indexes, including the saturation index and ratios of the different seepage sources, which can be used to quantify the ageing process. Evaluation systems for the aging behavior of anti-seepage curtains under a concrete-dam foundation can be constructed based on the 3 types of identification indexes.

anti-seepage curtains under a dam foundation; ageing patterns; seepage; identification indexes

中國電力建設股份有限公司科技項目(DJ-ZDXM-2014-21);國家自然科學基金(41272265)

余波(1972—),男,教授級高級工程師,博士,主要從事水利水電工程地質研究。E-mail:yubo079@126.com

宋漢周(1954—),男,教授,主要從事大壩環境水文地質研究。E-mail:songhz@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.009

TV223.4+3

A

1006-7647(2017)06-0048-06

2016-12-21 編輯：熊水斌)