粘土心墻壩壩體及庫區(qū)滲漏異常特征分析

胡清龍，蹇 超，孫紅亮

(1.四川中水成勘院工程物探檢測有限公司，四川 成都 610072；2.四川華電瀘定水電有限公司，四川 成都 610017)

土石壩是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的一種壩型，我國西南部涌現(xiàn)出了大批建于深厚覆蓋層上的土石壩[1]。全國已潰水庫中，土石壩所占的比例超過90%，其中心墻壩潰壩比例僅次于均質(zhì)土壩，而滲流破壞是主要原因[2- 3]。不同水下結(jié)構(gòu)部分的接觸銜接部位發(fā)生集中滲流而引起垮壩比例最大，例如兩岸岸坡與壩體接頭處、溢洪道與壩體接觸處、導(dǎo)流洞及涵洞(管)與壩體或邊坡的接觸處、壩體新老接合面等，這些部位也是最薄弱的環(huán)節(jié)、最易產(chǎn)生滲漏入水點的區(qū)域[4]。

堤壩滲漏檢測主要內(nèi)容為滲漏入水點檢測和滲漏路徑推斷。目前針對粘土心墻壩壩體迎水面水下部分及庫區(qū)水下區(qū)域，滲漏入水點檢測一般采用偽隨機流場法進行普查，查明滲漏入水點區(qū)域，局部異常區(qū)域檢測一般采用水下目視法；滲漏途徑一般結(jié)合鉆孔、地質(zhì)、設(shè)計及監(jiān)測資料進行綜合分析，對于繞壩體滲漏，可以結(jié)合多波束測深系統(tǒng)對水下地貌的測量成果進行分析。

本文對典型的粘土心墻壩滲漏檢測方法的成果進行綜合分析，根據(jù)偽隨機流場法滲漏檢測成果、三維多波束測深系統(tǒng)地貌特征測量成果以及水下機器人系統(tǒng)噴墨示蹤驗證成果，對滲漏入水點的滲漏特征進行歸納總結(jié)，為該壩型的滲漏檢測提供參考。

1 滲漏檢測方法選取

偽隨機流場法是何繼善院土提出的一種主要用于汛期查找滲漏管涌入水口的新方法，采用恒定的電流場來擬合滲漏水流場，通過測量電流場的空間分布來確定水流場的空間分布[5]。采用該方法對壩體迎水面及庫區(qū)的滲漏入水點檢測[6- 7]，檢測防滲墻及基巖滲漏區(qū)域并推斷其滲漏通道，指導(dǎo)灌漿施工[8]，效果較好。

庫區(qū)滲漏入水點，由于入水點滲漏路徑較長，滲流場會因擴散效應(yīng)產(chǎn)生滲漏范圍增大的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致滲漏入水點變?yōu)橐粋€較大滲漏面。采用三維多波束測深系統(tǒng)，對庫區(qū)水下地形地貌進行測量。特別對于偽隨機流場法檢測的滲漏異常區(qū)域，進行精細(xì)化掃描和特定自編程序處理，清晰呈現(xiàn)滲漏異常區(qū)域的地貌特征信息。

對于偽隨機流場法檢測的壩體的滲漏異常區(qū)域或三維多波束測深系統(tǒng)測量的滲漏地貌特征區(qū)域，采用水下機器人配備遙控噴墨系統(tǒng)，進行目視示蹤觀測驗證。

2 工程背景

某水電站工程等別為二等工程，工程規(guī)模為大(2)型，電站樞紐主要由粘土心墻堆石壩、兩岸泄洪洞和右岸引水發(fā)電建筑物等組成。粘土心墻壩最大壩高79.50m，壩頂長526.7m，上、下游壩坡1∶2，壩頂寬度12.0m。壩體分為心墻、壩殼堆石、反濾層、過渡層四大區(qū)，壩體防滲采用粘土心墻。壩基河床段采用110m深防滲墻下接帷幕灌漿，兩岸采用封閉式防滲墻的防滲方案。

壩址區(qū)河床覆蓋層深厚，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜。河床覆蓋層一般厚度120～130m，最大厚度148.6m。河床覆蓋層僅粉細(xì)砂及粉土層(prgl+alQ3)為相對隔水層，其余各層均為透水層，該層呈透鏡狀展布于河谷壩軸線上游及壩軸線下游的河床左側(cè)，有局部被擊穿形成上下聯(lián)通滲漏通道的可能。

2013年3月31日，下游距壩軸線約448m、距壩腳下游約200m的右岸河道發(fā)現(xiàn)滲水，對應(yīng)壩樁號約0+240。涌水初期流量約5L/s，至2013年4月15日涌水區(qū)地面發(fā)生塌陷，流量目測增至約200L/s，且有較多的灰黑色細(xì)顆粒涌出，以后流量在188～212L/s。涌水點附近出現(xiàn)地面開裂、河床塌陷等變形。

3 滲漏入水點偽隨機異常特征

本次偽隨機流場法對該水電站大壩滲漏進行探測，探測連通庫水介質(zhì)條件下的滲漏入水點，主要根據(jù)探測的偽隨機流場異常場數(shù)據(jù)相對于正常背景場的大小來判斷滲漏入水點的滲漏程度、根據(jù)異常場數(shù)據(jù)的大地坐標(biāo)來判斷滲漏入水點的區(qū)域范圍。

偽隨機流場法檢測成果如圖1所示，滲漏入水點分布如圖2所示，由圖1—2可見，檢測范圍內(nèi)可以清晰分辨出4個明顯的滲漏入水點，分別為：

(1)上游圍堰軸線下游側(cè)區(qū)域，異常中心位置位于上游圍堰中心軸線偏下游側(cè)方向，異常值在20～50mV之間；

(2)左岸邊坡與壩體交界區(qū)域，存在滲漏入水點，異常值在20～40mV之間。

(3)左岸邊坡、壓重與古河道接觸區(qū)域，異常中心位置主要集中分布在原導(dǎo)流洞進口周邊區(qū)域和現(xiàn)1#泄洪洞進口周邊區(qū)域，異常值整體偏大，在40～80mV之間。

(4)壓重與古河道接觸區(qū)域，存在滲漏入水點，異常值在20～40mV之間。

圖1 偽隨機流場法檢測成果圖

在庫區(qū)及滲漏點處的供電電極固定好后，可根據(jù)異常場與正常背景場的數(shù)據(jù)，將滲漏入水點按照滲漏異常值的相對大小劃分為輕微滲漏、中度滲漏和嚴(yán)重滲漏三種特征，上述各種情形在異常場與正常背景場的數(shù)據(jù)對比特征見表1。

表1 異常場與正常背景場的數(shù)據(jù)對比特征

結(jié)合設(shè)計及地質(zhì)資料進行滲漏通道推斷：

(1)庫區(qū)中間區(qū)域滲漏入水點區(qū)(即上游圍堰軸線異常區(qū)域)，距離壩軸線較遠(yuǎn)，大于150m，而在距離壩軸線150m范圍以內(nèi)的庫區(qū)中部未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏入水點，因此分析滲漏水未經(jīng)淺部防滲體系滲漏，而是深層繞滲。

圖2 滲漏入水點分布平面圖

(2)左岸長觀孔內(nèi)水位較低，和壩前左岸滲漏入水點相關(guān)性好。壩前左岸滲漏入水點主要集中在原洞室進口周邊區(qū)域。因此，壩前左岸滲漏入水點的滲漏水經(jīng)洞室周圍施工卸荷區(qū)域滲漏，穿過山體內(nèi)部的防滲帷幕，經(jīng)淺表層滲漏通道滲漏到壩后。

在后期的防滲體系鉆孔資料、質(zhì)量檢測成果及灌漿效果可知，該電站的防滲墻墻體澆筑質(zhì)量整體較好，墻下基巖整體完整性較好，在防滲墻淺部、防滲墻與基巖接觸帶及墻下基巖局部缺陷不足以形成集中的滲漏通道，庫水滲漏的主要通道為左岸山體繞壩滲漏和深厚覆蓋層的深層繞壩滲漏，驗證了上述的滲漏途徑推斷的可靠性。

4 滲漏區(qū)域水下地貌特征

采用水下三維多波束聲吶檢查技術(shù)，探測水下三維地形與地貌特征，對比變形情況，測量成果總體圖如圖3所示，局部成果如圖4所示，由圖3—4可見：

圖3 三維多波束測深系統(tǒng)測量成果圖

圖4 滲漏區(qū)域局部地形地貌特征圖

(1)上游圍堰軸線下游側(cè)區(qū)域，蓄水前為一個高程的平臺，測量成果顯示上游圍堰下游側(cè)區(qū)域明顯呈陡坎狀，壓重區(qū)高程呈緩坡狀向下游方向上升；上游圍堰下游側(cè)表面凹凸不平，說明沉積細(xì)顆粒物質(zhì)可能已經(jīng)被下滲水流帶走。

(2)左岸邊坡與壩體交界區(qū)域，未見明顯滲漏凹陷及變形區(qū)域，較平整規(guī)則，局部可見凹凸粗糙不平狀，未見明顯細(xì)渣沉積，可能由于下滲引起細(xì)小顆粒被帶走引起。

(3)左岸邊坡、壓重與古河道接觸區(qū)域，未見較大旋渦狀凹陷。與設(shè)計圖紙對比，可見棄渣回填區(qū)域與古河道交界區(qū)域有明顯向下游方向移動的趨勢，移動約35m，可能由于下滲引起細(xì)小顆粒被帶走引起。

(4)壓重與古河道接觸區(qū)域，存在3處明顯凹陷區(qū)域，凹陷區(qū)域直徑3～5m、凹陷深度2～3m。

由此可見，滲漏入水點處的地形地貌有以下特征：在原平坦的表層形成地形陡變，或呈陡坎狀或呈旋渦狀；表層由于細(xì)小顆粒被帶走，表面粗糙、不平滑。

5 滲漏入水點視頻特征

對該水電站庫區(qū)進行疑似集中滲漏點的水下機器人攝像工作，檢測滲漏入水點及水下三維地形與地貌特征中呈現(xiàn)異常的區(qū)域，并通過遙控自動噴墨裝置，采用示蹤法更為直觀的判斷庫水入滲位置，測量成果如圖5所示，由圖5可見：

(1)上游圍堰軸線下游側(cè)區(qū)域，連續(xù)性存在多處直徑為10～20cm的凹陷，噴墨后顯示墨汁未見明顯向下吸附，墨汁緩慢向四周擴散于庫水中。

(2)左岸邊坡與壩體交界區(qū)域，發(fā)現(xiàn)明顯滲漏區(qū)域，噴墨墨汁明顯下滲，滲漏區(qū)域分為上、中、下個部分。上部分為一個圓形滲洞，直徑在5cm左右；中部及下部區(qū)域均為漿砌石接觸縫隙，呈張開狀，張開約2～3cm，長度20cm左右。

(3)左岸邊坡、壓重與古河道接觸區(qū)域，邊坡區(qū)域存在碎石堆積區(qū)，該碎石堆積區(qū)表面無泥沙沉積，噴墨后顯示墨汁明顯向碎石內(nèi)部入滲，墨汁未向四周庫水?dāng)U散。

(4)壓重與古河道接觸區(qū)域，內(nèi)部表面多處呈凸起狀，局部大石塊下無泥沙沉積，噴墨后墨汁逐漸消失，表面存在局部滲水情況。

圖5 滲漏區(qū)域局部視頻特征圖

由此可見，滲漏入水點處的高清視頻示蹤觀測有以下特征：表面無泥沙沉積且不平整，連續(xù)性存在多處凹陷，嚴(yán)重的滲漏點處噴墨墨汁明顯下滲。

6 結(jié)語

根據(jù)偽隨機流場法滲漏檢測成果、三維多波束測深系統(tǒng)地貌特征測量成果以及水下機器人系統(tǒng)噴墨示蹤驗證成果，粘土心墻壩滲漏入水點滲漏特征為：

(1)根據(jù)測量偽隨機異常值的大小，對滲漏入水點進行精確查找及定位，并劃分為輕微滲漏、中度滲漏和嚴(yán)重滲漏三種特征。

(2)滲漏入水點處的水下地形地貌特征為原平坦的表層形成地形陡變，或呈陡坎狀或旋渦狀，表層由于細(xì)小顆粒被帶走而粗糙、不平滑。

(3)滲漏入水點處的高清視頻示蹤觀測特征為表面無泥沙沉積且不平整，連續(xù)性存在多處凹陷，嚴(yán)重的滲漏點處噴墨墨汁明顯下滲。