土石坝体(基)渗漏勘察与分析

李德群

(中水北方勘测设计研究有限责任公司， 天津　300222)

土石坝体(基)渗漏勘察与分析

李德群

(中水北方勘测设计研究有限责任公司， 天津300222)

【摘要】银子河水库设计防渗体系包括黏土心墙、地下混凝土防渗墙和灌浆帷幕，竣工蓄水后坝下出现多处渗水。通过勘察分析认为，坝体(基)渗漏形式为多点面状渗漏，主要发生在地下防渗墙与基岩嵌入部位和灌浆帷幕下部。渗流观测和渗漏计算表明，坝体(基)渗漏对水库正常效益的发挥有一定影响，长期运行有发生渗透变形的可能，危及水库安全。本文介绍了地下渗流的计算、防渗体功能评价，以及坝体渗漏特征分析。

【关键词】土石坝； 渗流； 分析

土石坝是水库最为普遍的一种坝型，约占大坝总数的2/3[1]。一些水库蓄水运行后出现坝体(基)渗漏，对水库安全运行影响很大，约有30%工程事故因渗漏引发，是土石坝主要的病害之一[2]。就土石坝建筑而言，渗漏原因是复杂的，如：坝体渗漏、坝基渗漏、接触渗漏以及绕坝渗漏；其渗漏形式也是多样的，包括散浸、渗水、集中渗漏等。如何快捷有效地查明渗漏原因、分析判断渗漏形式，一直以来都是工程管理人员关注的焦点和地质勘查的重要课题。

1工程简介

银子河水库建于2012年，坝长675m，最大坝高26.50m，正常蓄水位1255.50m。在防渗工程中，设计有黏土心墙、地下混凝土连续墙和灌浆帷幕，形成封闭的防渗体系，如下页图1所示。

2013年竣工并蓄水后，发现坝后排水棱体底部、下游排水沟有多处渗水点。初步观测各渗水点数量和流量呈增多、增大趋势，不仅影响水库效益，而且危及水库安全运行。

图1　坝体断面与防渗结构示意图

2坝下渗流观测分析

根据工程坝基地层结构和工程地质条件，宏观判断库水渗流一部分从坝下以明流直接排出，一部分以潜流进入坝基透水层。

2.1地表渗流观测

调查发现，水库坝后排水棱体坡脚有明显渗水点25处，其中排水沟有19处；坝下多个天然水坑亦有水流溢出。据此，在坝下排水沟及水坑布设三角堰、矩形堰13处(见图2)，进行了历时40天的流量观测，成果见表1。

图2　地表渗流观测示意图

观测点编号P1P2P3P4P5P6下1～2下3下4桩号0+380349302206083057测段长度/m12531.246.896.5122.783.1分段渗流量/(L/s)1.420.850.982.566.065.0716.298.132.79渗流量/(L/s·10m)0.120.270.210.270.490.61渗流量/(m3/h·10m)0.410.990.760.961.782.20

观测期间，库水位由初始的1246.43m到结束时的1246.79m，升高了0.36m；上、下游水头差9.43～9.79m，观测结果表明：各观测点渗流量变化幅度不大，但整体呈上升趋势，与库水位升降具有很好的相关性，而且有流量越大，波动幅度也越大的特点。

渗水点多集中分布在桩号0+000～0+254的主河道一线，距主河道和坝轴线距离越远，渗流量越小。如P1的渗流量为P6的28%；1～3号渗水坑随着与坝轴线距离增大，渗流量依次递减，4号坑渗流量仅为2.79L/s。

按照渗透断面计算，渗流量最大部位在桩号0+000～0+057坝段，因其位于主河床段，覆盖层相应较厚，上、下游水头差最大，渗流量达到0.61L/s·10m；其次为桩号0+083～0+206坝段，渗流量为0.49L/s·10m。

经统计分析，观测坝下地表渗流量Q明流约为84L/s。其中P7观测点以上渗流为27.02L/s；水坑渗流合计为27.21L/s。

2.2地下潜流计算

据勘察试验成果分析，坝基下游透水层厚8.10～18.20m，渗透系数K=3×10-4m/s；从高程1236.65m的P6至高程1233.70m的下4距离为276m。由达西定律可知，潜水渗流量Q有[3]：

Q潜=BkiH

(1)

式中B——渗流长度，m；

k——渗透系数，m/s；

i——水力梯度；

H——透水层厚度，m。

经计算，坝下透水层渗流量Q潜约为20L/s左右。

综合上述计算分析，考虑地表渗流Q明和透水层潜流Q潜，估算坝下渗流量Q总约为104L/s，反映出该水库渗漏问题较严重。

3防渗体功能评价

该工程坝体防渗措施设计了黏土心墙。在坝基部位，对建基面以下的细粒土砾和基岩地层，分别设置了地下混凝土防渗墙和灌浆帷幕。在目前水库运行状态下，这一封闭防渗体系的功能状况，是分析判断坝体(基)渗漏原因的重要基础工作。

3.1黏土心墙

黏土心墙设计料源为含砂低液限黏土，顶部宽5m，高程1257.12m，最大底宽13.60m。

勘察结果(见表2)显示，黏土心墙在目前运行状态下，属中等压缩性土体，未见明显的渗水现象。水平方向渗透系数k多为弱—微透水性，占全部试验样品的88%，但与设计防渗标准相比，有44%的试验样品不满足小于1×10-5cm/s的规范要求，且在空间分布上存在不均一性，随机性较强。

表2　黏土心墙主要物理力学指标

此外，黏土心墙的粉粒含量局部较高，占颗粒组成的31.40%～71.20%；黏粒含量为2.50%～4.30%，低于规范15%～40%的要求；孔内电视录像也反映黏土心墙存在裂缝、垂直孔洞及夹有碎石等质量缺陷。此类现象均是造成黏土心墙渗透系数偏大的原因。

3.2混凝土防渗墙

混凝土防渗墙设计为C15W16F100，长度499m，厚度0.60m，深度8.10～18.20m不等，墙底嵌入基岩1m。

3.2.1混凝土防渗墙的完整性分析

岩芯观察，墙体上部岩芯多较完整，胶结良好，完整试件饱和单轴抗压强度Rb=18.55MPa，弹性模量E=12.5GPa，变形模量E0=10.7GPa，饱和抗拉强度σt=1.03MPa，大部分试件能满足设计要求。

墙体下部存在一定的工程缺陷，如：钻进过程中速度过快甚至掉钻、返水中夹带砂粒或者返水量骤减；孔内电视录像发现，除裂缝、破损、孔洞和离析以及脱空外，墙底有级配不良且未胶结的砂沉淀而导致墙体没有嵌入基岩等现象。波速Vp统计多在2250～4950m/s之间，平均值达到4130m/s，但对于混凝土防渗墙质量评价更具工程意义的是小值和均一性；完整性系数Kv亦是如此，从0.25～1变化极大，反映出墙体存在一定的不完整和不均一性，防渗功能大为减弱。

3.2.2混凝土防渗墙的抗渗性分析

压水试验成果表明，混凝土防渗墙透水率q差别极大，从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%，而且多位于防渗墙的下部，尤以与基岩接触部位为甚，为库水渗漏提供了条件。

3.3防渗帷幕

坝基基岩以太古界桑干群钾长片麻岩Ar1sn1为主，局部夹长石石英岩，岩层厚度大于100m。防渗设计沿防渗墙下部基岩设置一排帷幕灌浆孔，孔深进入相对隔水层；钻孔间距2m，分2序次灌浆。灌浆施工中，Ⅰ序孔单位注入量31.72～115.43kg/m，平均62.15kg/m；Ⅱ序孔单位注入量7.54～206.10kg/m，平均56.59kg/m。仅从耗浆量看，Ⅱ序孔未有显著降低。

钻探和孔内电视录像成果表明，基岩段未见明显的灌浆结石，局部裂隙仍相对发育，甚至存在裂隙密集带，钻进中有掉块现象。综合评价，防渗帷幕完整性系数Kv=0.40～0.68，为较破碎—较完整岩体[4]。

灌浆帷幕岩体透水率q一般在1.50～33Lu之间，平均为8.30Lu，总体属弱—中等并以弱透水为主的岩体，空间分布不均。中等透水岩体多集中分布在桩号0+240、0+352和0+470帷幕下部；弱透水岩体则主要分布在基岩面以下10～15m，说明坝基上部岩体经过灌浆后透水率有所减小。但值得注意的是，物探探测岩体裂隙密集带的优势走向与渗流流向一致，长期运行存在构成潜在渗漏通道的可能性。

据前期勘察成果，库区不存在渗漏问题；两坝肩岩体透水率q在1.50～6.80Lu之间，属弱透水性岩体，满足设计防渗标准。

综上分析，该工程由黏土心墙、地下混凝土防渗墙及灌浆帷幕构成的防渗体系存在一定的缺陷，造成抗渗功能降低或失效，导致水库发生渗漏。

4坝体(基)渗漏特征分析

4.1渗漏形式

图3　高密度电法探测剖面

通过高密度电法和地震折射波法探测，坝体普遍存在低阻、低速区，尤其在马道测线剖面低阻区呈串珠状，说明渗流弥散分布较为广泛(见图3)。坝体内水位呈两侧高中间低的趋势，如:0+030～0+200和0+350～0+540水位明显高于中部，而且部分测段水位在下降过程中有遇阻凸起现象。充电法与自然电位探测反映，渗漏通道基本沿着低电位区域延伸，桩号0+000～0+060和0+170～0+240段渗流流向基本垂直坝轴线；桩号0+060～0+170和0+240～0+480段，渗流流向分别向右、左两侧偏移，即坝体内左右两侧渗流有向中部汇集的趋势性规律。

与此同时，部分坝段低电位异常，在相应排水棱体处未见明显渗水流出。推测这些部位的渗漏通道虽然与地表渗水分布高程一致，但上覆坝体厚度大，地下含水层亦有一定厚度，渗流在坝体内以潜流方式进入坝下透水层并向下游方向运移，佐证了前述对坝下潜流的基本判断。

为进一步验证地下水渗漏部位，分别在桩号0+081和0+240.7处布置2对钻孔进行示踪试验。采用无毒、无污染的胭脂红水(C20H11N2Na3O10·1.5H2O)和食盐(NaCl)两种化学物质，在上游钻孔中用导管水泵压入投放、下游观测孔中提水接收，并对坝下排水沟及渗水坑进行巡视观察。

桩号0+081上游1号孔，在基岩面处分别投放90L胭脂红水和180L饱和食盐水，试剂历时80min，在水平投影距离32.76m处的下游2号孔初现淡红色，估算流速达0.41m/min。桩号0+240.7上游3号孔，在基岩面处各投放180L胭脂红水和饱和食盐水，水平投影距离32.77m处的下游4号孔接收，历时125min接收到淡红色试剂，估算流速为0.26m/min。但两次示踪试验均未检测到氯离子的明显变化，坝下排水沟以及其他渗水点也未见到颜色变化，分析与食盐稀释扩散较快、非管道式渗漏点较多有关。

综上所述，推测水库主要渗漏部位在地下防渗墙底部与基岩嵌入处和灌浆帷幕下部。虽然局部缺陷不排除规模不大的集中渗漏可能，或者是灌浆帷幕下岩体的渗漏，但目前水位运行状态下，水库渗漏形式基本为多点的面状渗漏。

4.2渗漏量计算与预测

4.2.1渗漏量计算

鉴于防渗体边界条件确定、渗漏条件基本一致，黏土防渗墙、地下混凝土防渗墙及灌浆帷幕渗漏量估算采用(2)式、绕坝渗漏量采用(3)式估算[5]。

Q=kHBqr

(2)

式中k——渗透系数，m/s；

H——上下游水位差，m；

B——坝体长度，m；

qr——计算渗流量。

(3)

式中H——正常高水位与地下水位差，m；

h1——地下水位以下含水层厚度，m；

H1——正常高水位以下含水层厚度，m；

B——渗漏带宽度，m；

ro——坝肩绕渗流线半径，m。

渗漏计算成果见表3。

表3　渗漏量计算汇总

据上述计算，在勘察期水位1246.79m时，水库总渗漏量Q渗在0.10m3/s左右，与渗流观测值相接近。从工程部位看，地下混凝土防渗墙渗漏量最大，占渗漏总量的73%；其次，坝基灌浆岩体渗漏占18%；黏土心墙、两岸绕坝渗漏量占比最小，分别占总渗漏量的8%、1%。

4.2.2渗漏量预测

目前,水库尚在低水位运行期，按照设计正常蓄水位1255.50m计算，渗漏量Q将达到0.24m3/s(如图4所示)，占水库多年平均入库量1.94m3/s的12.44%，对水库效益影响较大。

图4　水库渗漏量预测曲线

5结论

已建水库渗漏问题原因是多方面的。通过对水库坝体(基)渗漏的勘察分析研究，发现目前水位运行状态下水库渗漏基本为多点的面状渗漏，集中发生在地下混凝土防渗墙与基岩嵌入部位和灌浆帷幕下部，总渗漏量估算值在0.10m3/s左右，漏失较为严重，长期运行将带来渗透变形等工程地质问题，危及水库安全。水库正常蓄水位1255.5m时，预测总渗漏量为0.24m3/s，占水库多年平均入库量的12.44%，对水库正常效益发挥亦有一定的影响，亟须对防渗体系工程进行补强处理。

参考文献

[1]谭界雄,高大水,等.“十一五”国家科技支撑计划项目课题(2006BAC14B01)病险水库除险加固信息管理与技术规律研究报告[R].北京，2010.

[2]王东.土石坝渗漏成因及处理方法[J].水利建设与管理,2009(12):70-71.

[3]薛禹群.地下水动力学[M].北京:地质出版社,1997.

[4]GB 50218—94工程岩体分级标准[S].

[5]彭士标,袁建新,等.水力发电工程地质手册[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

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

中图分类号：TV641

文献标志码：A

文章编号：1005-4774(2015)12-0039-05

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