苏只水电站消力池底板排水管渗水带泥原因分析及处理设计

王思德,巴金福,张昱峰 ,张 博,吕 琦,韩 勇

(1.青海黄河中型水电开发有限责任公司,西宁 810001;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

苏只水电站消力池底板排水管渗水带泥原因分析及处理设计

王思德1,巴金福1,张昱峰1,张 博2,吕 琦2,韩 勇1

(1.青海黄河中型水电开发有限责任公司,西宁 810001;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

针对苏只水电站消力池底板基础排水管渗水带泥问题，从设计、运行角度分析了消力池可能的破坏原因，并采用综合示踪法进行流场测试分析，基本确定了渗漏原因和通道。处理时对消力池进行放空清淤检查，印证了分析结论：渗水带泥是由于消力池底板表面混凝土及结构缝止水破坏引起的。提出了相应的修复处理方案，处理措施取得了良好的效果。

消力池底板；混凝土管；渗水；综合示踪法；流场测试；处理设计

1 工程概况

黄河苏只水电站工程以发电为主，枢纽由电站厂房、泄洪闸、堆石坝、两岸副坝及灌溉管等建筑物组成。泄洪闸布置在河床中部，左邻电站厂房、右邻土工膜防渗堆石坝。泄洪闸由拦沙坎、闸室段、消力池段、尾渠段、海漫段组成，建筑物基岩为上第三系上新统临夏组(N2l)粉砂质黏土岩和黏土岩。消力池为泄洪闸3孔共用，消力池段长84.0 m，净宽59.5 m。消力池底板厚2.5 m，在底板基础设置锚杆以保证消力池抗浮稳定，锚杆采用Ø25砂浆锚杆，间排距1.5 m×1.5 m，深入基岩3.5 m。消力池底板设置纵横向结构缝，缝面设键槽，缝表面设橡胶止水带和止水条。为降低消力池底板扬压力，满足底板抗浮稳定要求，在底板结构缝下设置纵横向无砂混凝土排水管排水系统，并用钢管使无砂混凝土排水系统与导墙内排水廊道相通，将消力池渗水通过廊道集中抽排。

泄洪闸平面布置见图1, 消力池排水管网布置见图2。

图1 泄洪闸平面布置图 单位：高程，m；其他，cm

图2 消力池排水管网示意图 单位：高程，m；其他，cm

2 消力池渗水带泥现象

根据近几年泄洪闸消力池运行情况发现：消力池廊道内排水管管口有渗水现象及泥质析出，考虑到苏只水电站为黏土岩地基，需要分析渗水的原因及泥质来源，若渗水带出的泥质为基础黏土岩，则长期渗水析泥，消力池底板基础可能会发生渗透破坏，影响建筑物运行安全。

消力池廊道内无砂管排水带泥主要表象为：1号无砂排水管管口有泥质随管口渗水排出(见图3)，2、6号无砂管大部分时间都有渗水出流；3、4、5号无砂混凝土管间歇性有水出流；7、8号无砂混凝土管测量周期内的前期有少量渗水，大部分时间无渗水，在基础廊道内，P-85下排水管有渗水流出，其余排水管无水。

3 设计及运行情况分析

3.1 防空蚀设计

苏只水电站泄水建筑物的初始空化数σj按DL/T 5207-2005《水工建筑物抗冲磨空蚀混凝土技术规范》，计算初始空化系数σj为0.5，沿程最大水流空化数计算工况按30年一遇洪水计，计算位置取消能收缩断面区，计算水流空化系数σ为0.87，大于初始空化系数σj，消力池底板不会发生空蚀破坏。

3.2 渗流控制设计

苏只水电站泄洪闸基础为黏土岩，黏土岩内间夹有随机分布的砾岩透镜体，其透水性较大，抗渗能力稍差。根据规范要求以及黏土岩工程特性，泄洪闸室设1排灌浆帷幕及1排排水孔，帷幕深度为10.0 m、孔距为2.0 m，排水孔深度7 m、孔距3 m。泄洪闸闸室灌浆帷幕及排水幕与相邻建筑物灌浆帷幕及排水幕相连，形成封闭的防渗排水系统。

图3 消力池廊道内1号无砂排水管管口涌水带泥现象图

考虑到泄洪闸消力池底板的稳定，原设计时除在底板下部设置排水系统外，在消力池四周廊道内设排水幕，并对消力池四周的导墙、闸室、尾坎基础进行了固结灌浆，可以对消力池四周起到防渗作用。

3.3 泄洪闸泄洪情况

对泄洪闸在2007—2013年期间的运行情况进行了统计，其中左孔闸门泄水时的开度在0.2～4.0 m之间、流速在7.32～12.61 m/s之间、流量在30～618 m3/s之间，开启次数约109次，闸门开启高度在0.5～2.0 m的开启次数约占总开启次数的88%；中孔闸门泄水时的开度在0.28～3.5 m之间、流速在10.20～13.60 m/s之间、流量在40～634 m3/s之间，开启次数约313次，闸门开启高度在0.5～2.0 m的开启次数约占总开启次数的82%；右孔闸门泄水时的开度在0.1～4.0 m之间、流速在7.32～13.52 m/s之间、流量在15～634 m3/s之间，开启次数约119次，闸门开启高度在0.5～2.0 m的开启次数约占总开启次数的87%。从统计情况来看，中间孔泄洪时使用频率最高，其次是右侧孔，靠近厂房一侧的左边孔使用频率较低。

3.4 消力池排水管渗水情况

对2012年1月—2014年2月消力池底板无砂混凝土管排水监测资料成果分析，可得如下结论：

(1) 1号无砂混凝土管在监测期内均有渗水流出；2、6号无砂管大部分时间有渗水流出；3、4、5号无砂混凝土管间歇性有水流出；7、8号无砂混凝土管测量前期有少量渗水，后期无渗水。

(2) 从监测成果来看，每年的6—10月，各无砂管渗水量明显减少或者无水，11月—次年5月渗水方量增大。究其原因可以认为：夏季(高温季节)混凝土热涨，永久缝(或者裂缝)闭合，渗水减少；冬季(低温季节)混凝土收缩，永久缝(或者裂缝)张开，渗水量增大。各无砂混凝土管渗水的季节性十分明显。

(3) 从渗水带泥角度来看，监测期内，1、2号无砂管随着渗水量的变化有明显的泥质物析出，其余各管渗水较清。

3.5 消力池可能的破坏原因分析

通过对泄洪闸泄洪运行情况初步分析认为：

(1) 由于泄洪闸下泄的水流携带大量泥沙，尤其是发电初期，坝前上游施工弃碴进入消力池，对消力池底板产生了冲磨，并从局部较薄弱的混凝土首先发生破坏产生麻面，逐渐发展为冲坑[1]。

(2) 近年来泄洪闸闸门的开启运行频繁，闸门局开高度大多数在0.5～2 m之间，闸门小开度运行对消力池底板产生不利的冲蚀破坏。

(4) 施工期混凝土浇筑或结构缝止水存在缺陷等因素，引起渗水量加大并随季节性变化。

(5) 泄洪建筑物水流空化数设计计算值较大，水流空化系数大于初始空化系数，消力池内发生空蚀破坏的可能性较小。

4 人工示踪法分析渗水通道及泥质来源

为了探明消力池排水管渗水带泥来源，采用示踪法在消力池各处的水面洒食盐进行流场示踪测试，24 h后，对消力池表面水体的电导值进行量测，获得消力池内水体人工示踪流场数据，采用数值软件处理，得到消力池表面水体的人工示踪流场，即电导率场[2]。图4为消力池表面水体的电导等值线图。

通过电导测定，可以分析消力池内表面不同位置水的电导率变化规律。一般情况下如果消力池底板伸缩缝或混凝土施工裂缝处存在渗漏通道，则水体在裂缝附近水流速度会相应加快，食盐示踪剂则将随水流下渗而快速流失，这样就导致在裂缝附近位置的电导值发生畸变，即电导值明显有所下降。所以电导畸变处即为发生渗漏的大致位置[3-4]。

从图4可以清晰地看到椭圆区域，即以桩号坝右0+046.50 m、坝下0+062 m位置为中心的大约10 m范围内，存在明显的电导畸变。而1号无砂管恰位于坝右0+063.5 m、坝下0+056.5 m，紧邻电导畸变区域。对比消力池无砂管分布图与消力池水面电导值等值线图，坝右0+046.50 m、坝下0+062 m恰位于1号无砂管紧挨着的纵横无砂管交汇处。另外，图4左上方黑色区域，同样为电导畸变处，中心位置为坝右0+019.50 m、坝下0+114.9 m，正好紧邻P-85排水管，桩号坝右0+019.50 m、坝下0+116.75 m。

图4 消力池表面水体电导等值线图 单位：μS/m

图5为消力池表面水体电导率矢量图，图中2个椭圆所示的箭头集中交汇处，对应上述的2个电导畸变区域，形象地说明了电导突变区域存在着明显有别于周边区域的水流，为伸缩缝等渗漏位置。

5 渗水与周边环境相关性分析

5.1 渗水与上、下游水位的相关性

为进一步证明测试结论的可靠性，对渗水与上游库水、下游尾水变化的相关性进行了分析。通过定期连续的测定泄洪闸上游库水、厂房尾水(消力池左侧)、消力池、出渗点处渗漏水温度、电导，并与钻孔中测得的数据相对比，并定期取样观察，同时对每天的天气作详细记录。测试分析认为：渗漏水的电导即随着天气的变化而发生着规律性的变化。一般情况下，雨后库水变浑，消力池水体随之变浑，其电导也相应增加。渗水的浑浊度随天气呈现明显的规律性，电导也有着同样的变化规律。随着天气的变化，泄洪闸上游库水、厂房尾水(消力池左侧)、消力池水的浑浊度发生变化，其相应的温度、电导发生规律性的变化，1号无砂管及P-85下排管口水的温度、电导也随之改变，相互之间的相关性十分明显。

图5 消力池表面水体电导率矢量图 单位：μS/m

5.2 渗水与温度的相关性

由大坝监测资料得，渗水量随温度呈周期性变化，随着温度降低，排水量逐步增大，每年2月份排水量达到最大值，然后随着天气逐步转暖，排水量也逐步减小，到5月份各排水孔排水量很小或无流水。

消力池底板混凝土伸缩缝等相关裂缝张开度受温度变化影响明显，热胀冷缩，即高温时底板混凝土膨胀，裂缝开度减小，故而导致消力池内的泥水难以经无砂管下渗至排水廊道内；低温时混凝土收缩，裂缝宽度明显有所增加，消力池内的水及泥质就很容易随着伸缩缝等裂缝下渗到泄洪闸消力池排水廊道内，导致无砂管排水量加大，出泥量也相应增加。这也很好地证明了无砂管渗水带泥是从消力池底板混凝土沿裂缝等薄弱部位下渗而来。

5.3 渗漏水与底板下部基岩的相关性

泄洪闸闸室及消力池建基面是弱风化黏土岩，总体看来消力池段岩体完整性较好，透水性弱。若渗漏水通过消力池底板下部排水管或岩体裂隙进入无砂混凝土管，将会形成一个固定通道，渗漏水不会随着季节的变化而变化。而事实上现场观测的结果是：冬季混凝土收缩结构缝张大，夹泥量就多，夏季混凝土膨胀结构缝收缩，夹泥就少。再者，若渗漏水来自消力池底板下部，由于下排管深度相同，根据有压水流动原理，渗漏水通道(即下排管出水)将不止一处，会同时在附近的几个排水管同时排水并形成排水系统。而事实上仅有P-85下排管有水排出。通过以上分析，认为渗漏水与消力池底板下部黏土岩无直接的相关性。

5.4 结 论

通过理论分析以及现场示踪测试，其成果均表明：消力池无砂管及P-85下排管排水带泥来源于消力池底板顶面的泥，即由消力池混凝土底板结构缝等裂缝至底板下部排水系统形成通道，消力池底板顶面的淤积泥质由此通道进入无砂排水管，随涌水在无砂管管口排出。泄洪闸消力池底板混凝土裂缝位置在桩号坝右0+046.50 m、坝下0+062.00 m，坝右0+019.50 m、坝下0+114.9 m附近。

6 消力池清淤检查及修复处理设计

6.1 消力池现场排水清淤检查情况

通过消力池现场底板排水清淤后检查发现：

(1) 从消力池底板混凝土钻孔取芯情况来看，混凝土芯样完整，无掉钻、卡钻现象出现，表明原消力池底板基础完整性较好(见图6)。

(2) 泄洪闸泄洪时，主要以中孔和右边孔为主，泄洪水流的不对称等因素容易在消力池内形成折冲水流，同时夹带粗颗粒泥沙，对消力池底板的磨蚀破坏较为严重。从图7，可以看出，消力池底板在靠近消力池上游，中孔和右孔附近磨蚀最为严重，混凝土破坏最深处达到50 cm，止水带及钢筋裸露，部分钢筋已经被冲走。而该部位最接近1号无砂管。

(3) 对消力池清淤后，目前仅有1号无砂管仍在渗水(清水)，其余各无砂管无渗水。消力池只有右边墩有下渗水流入消力池内。因此可以推断，1号无砂管的排水即来自消力池底板顶面。

(4) 从消力池底板现场检查情况来看，底板表面几乎无明显裂缝，在消力池中孔和右边孔处混凝土磨蚀严重，部分分缝处止水破坏，渗漏水透过止水破坏的结构缝渗入1号无砂混凝土管。

(5) 以上分析充分验证：消力池无砂管及P-85排水管渗水带泥来源于消力池底板顶面，即由消力池混凝土底板结构缝等裂缝至底板下部排水系统形成通道，消力池底板顶面的淤积泥质由此通道进入无砂排水管，随渗水在无砂管管口排出。

图6 消力池底板混凝土钻孔取样图

图7 消力池底板混凝土破坏现状图

6.2 修复设计方案

根据消力池实际破损情况，采取如下修复设计方案[5]：

(1) 对表面混凝土已经剥蚀严重的部位进行清理，如原钢筋出露,应采用除锈剂除锈,锈蚀变形严重或者钢筋遗失时应割除并采用Ø22@20 cm×20 cm的钢筋网焊接修补；

(2) 为确保修复效果，底板混凝土采用全部加厚15 cm，修复均采用混凝土强度等级C35F100W8的硅粉抗冲耐磨混凝土；

(3) 新浇的高强混凝土表面布置钢筋网，钢筋网片为Ø8@10 cm×10 cm，老混凝土内布置Ø22插筋，深入老混凝土40 cm；

(4) 对原消力池底板破损的止水进行清理，将该处混凝土面凿除平顺，采用2～3 mm聚氨脂密封胶及SK手刮聚脲(厚度3～4 mm)修复[6]。对于破损止水切除后剩下的老止水，将其30 cm长范围内进行表面打磨(1～2 mm),后采用SK手刮聚脲(厚度3～4 mm)与修复部分连接，形成完整、封闭的止水系统。修复方案详见图8～9。

图9 消力池永久缝处理简图 单位：cm

7 结 语

本文针对苏只水电站泄洪闸消力池无砂排水管渗水带泥的问题，从设计、运行角度分析了消力池可能的破坏原因，通过综合示踪法进行测试分析，基本确定了渗漏原因和通道。为了进一步论证分析结论的可靠性，从消力池渗水与周边环境的相关性角度再次进行了分析论证。对消力池进行放空检查发现，底板磨蚀部位主要集中在右边孔和中孔下游消力池底板处，且临近1号无砂混凝土排水管，消力池无砂混凝土排水管渗水带泥来源于消力池底板顶面由结构永久缝止水破坏引起。针对消力池破坏情况，采取了相应的修复处理，处理后消力池运行正常，经检查排水管没有发现渗水流出。苏只水电站消力池无砂混凝土管排水带泥原因分析及工程处理取得了良好的效果。

[1] 张博,益波,吕琦,朱展博. 某水电站泄洪闸消力池基础渗水带泥原因检查及分析[J].西北水电，2014，(04)：31-36.

[2] 陈建生,刘建刚,董海洲,陈亮,等.环境同位素示踪法研究新安江右坝肩绕坝渗流[J].中国工程科学,2004，(1):57-63.

[3] 杜国平,曹建辉,李国凡,等.示踪技术在水库绕坝渗漏研究中的应用[J].地下水,1998，(12):172-177.

[4] 陈建生,张发明,杨立昂,等.探测库水绕坝基岩体渗漏的综合示踪方法[J].工程勘察,1999，(1):34-38.

[5] 吕琦,高月仙,王静,张博. 黄河苏只水电站消力池修复处理措施[J].水科学与工程技术，2014，(05)：66-69.

[6] 覃林涛,武世峰,但其宝. 聚合物混凝土在水下修补工程中的应用[J].西北水电，2012，(03)：29-31.

Cause Analysis and Handling Design of Seepage with Mud from Drainage Pipe in Base Slab of Stilling Basin, Suzhi Hydropower Project

WANG Si-de1, BA Jin-fu1, ZHANG Yu-feng1, ZHANG Bo2, LYU Qi2, HAN Yong1

(1.Huanghe Hydropower Development Co., Ltd, Xining 810001,China;2. POWERCHINA Xibei Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065,China)

Aiming at seepage with mud from drainage pipe in base slab of stilling basin, Suzhi Hydropower Project, possible failure causes of the stilling basin are analyzed in terms of design and operation. Furthermore, the general tracking method is applied to analyze the flow field test. Finally, seepage cause and passage are determined basically. The stilling basin is inspected by emptying and sludge removal while handling is performed. The analysis conclusion is verified. Namely, seepage with mud is from the failures of waterstops of the surface concrete and structure joints of the base slab of the stilling basin. Corresponding repair scheme is proposed. The handling measures achieve excellent effect.

base slab of stilling basin; concrete pipe; seepage; general tracking method; flow field test; design of handling

1006—2610(2015)02—0031—06

2014-11-15

王思德(1965- )，男，青海省湟中县人，高级工程师，主要从事水利水电工程建设管理工作.

TV653.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.009