某大坝右岸覆盖层内渗流性状和防渗缺陷分析

2015-10-21吕高峰王玉洁朱锦杰

水力发电 2015年11期

吕高峰，王玉洁，朱锦杰，张猛

(国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州 310014)

1 工程概况

某大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，坝基开挖高程2530.00 m，坝顶高程2654.80 m，防浪墙顶高程2656.00 m，最大坝高124.5 m，坝顶宽14 m。

大坝河床及右岸由第四纪堆积层组成，其右岸覆盖层最大深度达420 m。第四纪堆积层主要由中、上更新统卵砾石层、粉质壤土及块碎石组成，具有不同程度的液钙质弱胶结作用和超固结压实作用，结构紧密，具有成岩特征。该堆积层自下而上有5个岩组构成。①第一岩组为弱胶结卵砾石层，最大厚度超过100 m，具有一定的透水性，该层上、下分别由透水性较弱的第二岩组覆盖和一层深灰色块碎石土层顶托，从而使该层内的地下水具有埋藏深、承压水头高、动态稳定等特点，且不与基岩裂隙承压水直接发生交换。②第二岩组是坝址深部一岩组承压水的隔水层，自坝址向上、下游延伸均达1.3～1.5 km，厚度自上游往下游逐渐变厚。向上游105 km附近基本尖灭，往右岸盆地中心延伸约600 m逐渐减至尖灭，并与上部第三岩组粉质壤土层相搭接。③第三岩组是弱胶结卵砾石层与粉质壤土互层，属弱透水层。该层中的含砾粉质壤土层进入坝体后开始出现，到坝轴线以后逐渐密集，而卵砾石层坝体下游尖灭。④第四岩组是弱胶结卵砾石层，透水性在5个岩层中相对较大，分布于右岸坝肩一带，在坝址处出露高程为2500～2560 m。⑤第五岩组为粉质壤土夹含炭化植物碎屑层，分布于2650 m高程以上谷坡一带。

考虑大坝右岸防渗问题，大坝右岸防渗坝0+343.500～坝0+610.000段采用“防渗墙+帷幕灌浆”处理，防渗墙最大深度约140 m，帷幕深入基础相对隔水第二岩组内5.0 m以上。防渗墙厚1.0 m，墙体分廊道上、下两段，上层墙从坝肩分台阶施工，下层墙为廊道内劈槽成墙;墙下为3排帷幕灌浆，最大帷幕深度120余m。坝0+610.000～坝0+710.000段右坝肩深厚覆盖层绕渗区采用“悬挂式防渗墙”处理，墙体深入第三岩组一定高程下的粉质壤土内，为台地上劈槽成墙，墙厚1.0 m，墙底高程约为2561 m，墙深78.5 m。

根据建坝蓄水后坝址区地下渗流场分析，右岸8号沟上游山坡的浸润面偏高，右岸山坡的抗滑稳定不能满足要求，在右岸山体下游2561.00 m高程布置了一条长约300 m的排水廊道，沿廊道全线布置垂直向Φ100 mm排水孔，孔距3.0 m。同时，结合右坝肩廊道内防渗墙施工需要，右岸还布置了两条交通廊道，并在排水廊道下游80 m范围内的两条交通廊道内水平布置Φ100 mm排水孔，孔距3.0 m。

2 渗水性状分析

2.1 渗水来源

为了监测右岸渗流量，在1、2号交通廊道排水沟内分别设置2个量水堰(1号交通廊道WE3－1和WE3－2、2 号交通廊道 WE4－1 和 WE4－2)。其中1 号交通廊道WE3(WE3－1、WE3－2之和)所测为坝0+440.00以左排水廊道和施工廊道渗漏量;2号交通廊道 WE4(WE4－1、WE4－2之和)所测为坝 0+440.00以右排水廊道和施工廊道渗漏量。在8号沟设置2个量水堰(WE7和WE8)，其中，WE7监测8号沟靠近坝体侧渗流量，WE8监测其近右岸侧渗流量。图1是右岸施工排水廊道渗漏量测值过程线。

由图1可知:

(1)WE3、WE4、WE7和WE8的渗漏量与库水位呈明显的正相关，库水位对渗漏量影响很大，库水是施工排水廊道渗漏的主要来源。因施工期间就已发现排水廊道内有较大流量，地下水也是WE3、WE4渗流量的来源。WE7的渗漏量在库水位降落到一定高程后趋于零，而WE8依旧有一定的渗漏量。从现场情况看，WE8所测渗漏量包含部分8号沟右侧坡(远离库水一侧山坡)的地下水，因此，地下水对右岸8号沟渗漏量也有一定的影响。因当地降雨较多，降雨对右岸8号沟总渗漏量也有一定的影响。

(2)截止到2014年3月7日，WE3的最大测值为4.17L/s，WE4的最大测值为137.36L/s，且渗漏量主要集中在量水堰WE4－1。说明坝0+440.00以左排水廊道和施工廊道渗漏量很小，渗漏量主要集中在坝0+480.00以右排水廊道。

2.2 渗水路径

为了解蓄水过程和运行期防渗体下游地下水位的变化及绕坝渗流的途径和态势，在右岸灌浆帷幕端头和下游岸坡，选择适当位置分别布置20个地下水位孔。地下水位孔布置和其2013年11月26日测值分布见图2。

图1 量水堰渗漏量过程线

图2 大坝右岸岸坡水位孔2013年11月26日测值分布(单位:m)

由图2可知:

(1)水位孔测值整体上呈现从上游向下游递减，右岸向坝体方向递减的规律，GC07位于7号冲沟内，测值非常接近上游库水位，由于排水廊道上游侧的GC12和GC13位于第三岩组，其渗透系数较大，因排水廊道的排水作用，导致其测值小于排水廊道下游侧的GC08和GC16;另一方面，GC07～GC09测值整体上呈现从上游到下游的递减。说明库水通过防渗墙右侧的7、8号沟进入下游的可能性极大。

(2)位于坝0+543.50的GC11测孔测值明显大于其左右两侧测孔GY4、GC6，说明坝0+543.50附近防渗墙存在较为明显的渗漏现象，且该孔正对下游侧的排水廊道内的排水孔渗漏量较大，该孔位置与雷达探测结论中疑似渗漏的桩号段0+503～0+516非常接近。

2.3 渗流稳定

根据邻近水位孔的监测数据，计算邻近水位孔的平均渗透坡降，靠近排水廊道的水位孔，根据水位孔到排水廊道的最近距离和假定孔口出逸计算排水廊道出逸渗透比降，根据靠近地表出逸点的水位孔数据和出逸点高程计算出逸点渗透坡降。计算表明:

(1)各水位孔之间平均渗透坡降最大值整体都很大，对边坡稳定不利。

(2)根据靠近排水廊道的水位孔计算得到的排水廊道渗透坡降测值整体较大，尤其是GC08平均渗透坡降最大值达到了1.80，已超过该部位所处的第四岩组的允许渗透坡降(允许渗透坡降为1.0～1.1)，出逸位置靠近前期渗水含沙量较大的排水孔X1、X3和X61。从前期运行情况看，X61排水孔(坝0+486.00、拦0+132.40)分别于2008年12月3日、18日两次出现浑水现象，浑水呈青灰色，其中含大量粉土、粉细砂和少量腐植质，可能还含部分水泥。

(3)GC03与渗漏点S06的最大渗透坡降为1.14，渗透坡降也较大。下游渗漏点S06处于第四岩组，其允许渗透坡降在1.0～1.1，计算的渗透坡降是两孔间平均渗透坡降的最大值，局部渗透坡降最大值还要高于计算值，渗漏点易产生渗透破坏。

结合现场查看情况看，右岸边坡局部破坏较为严重(局部混凝土预制块下回填的砂卵石、反滤层及原本的堆积体都已被严重掏空，局部浆砌石挡墙被护坡严重挤压变形)。反滤层和外侧堆石体的掏空及浆砌石挡墙的挤压变形对边坡稳定极为不利。

3 防渗系统缺陷及影响分析

3.1 防渗系统缺陷

渗压计主要布置在大坝防渗墙下游施工廊道顶拱附近、底板附近、防渗墙中部和防渗墙底部，渗压计测值表明:

(1)在蓄水前(2005年1月1日)，同一高程的渗压计测值较为接近，高程越高，渗压计测值越大;蓄水后，渗压计测值整体增大，越靠近右岸越大，库水主要绕过防渗墙右侧进入下游。

(2)坝0+315断面防渗墙底部的P43渗压计在2013年11月26日的测值甚至超过了坝0+610断面相应部位P52的测值，且P43的测值均大于同断面上部的P42和P41，该断面防渗墙底部附近有可能没有进入相对隔水层，防渗墙底部存在明显的渗流。坝0+405断面防渗墙底部渗压计P46的测值也大于相同断面上部的P45和P44，该断面防渗墙底部附近也可能存在渗流现象，且该部位施工廊道顶部渗压计大于两侧同高程的渗压计，接头帷幕可能存在缺陷。

3.2 防渗系统缺陷影响

以施工廊道顶部防渗墙接头帷幕可能存在缺陷的坝0+405断面为分析对象，建立有限元模型，分析施工廊道顶部帷幕接头缺陷对渗流的影响。网格区域包括坝轴线上游735 m到下游650 m，总长1385 m;坝轴向总长50 m;在高程方向，网格从坝顶高程2654.5 m到基岩2220 m高程，包含已勘测查明的所有覆盖层。防渗结构包括坝体的沥青混凝土心墙，上下分段式防渗墙、帷幕灌浆接头，深入基础相对隔水第二岩组内5.0 m以上的帷幕。帷幕灌浆接头网格形态按设计图纸形态建立，底部帷幕厚度为3 m。有限元网格见图3。

图3 有限元网格

根据工程前期试验等资料，计算参数见表1。

表1 计算参数 cm·s－1

为分析施工廊道顶部帷幕接头缺陷对渗流的影响，初拟两种计算方案，两种方案中上游水位均为2650 m，方案1计算参数如表1所示;方案2防渗墙接头帷幕出现破损，对应破坏单位渗透系数为3×10－1cm/s，其他参数同方案1。

图4为方案1浸润线和等势线整体分布，从图4可以看出，浸润线在防渗墙部分较为密集，覆盖层第一岩组(Ⅰ)的渗透系数为 1 ×10－5cm/s，渗透系数很小，相当于相对隔水层，该部位水头等势线也较为密集。

图4 方案1浸润线和水头等势线整体分布(单位:m)

图5为方案1和方案2浸润线和水头等势线防渗系统局部分布。由图5可知:渗压计P44、P45和P46埋设部位的计算值与方案1的实测值非常接近。P54埋设位置位于施工廊道顶部帷幕内，水头等势线在防渗墙接头帷幕内均匀分布，该部位因渗透系数小于防渗墙，所以其水头等势线较防渗墙稀疏，但较覆盖层密集，水头等势线密集对该处的渗压计测值影响较大，在较小的距离变化，测值将发生较大的变化，渗压计测值在防渗墙接头帷幕内极其敏感。接头帷幕上下游侧水头值分别与防渗墙上下游表面水头值一致。由此也可推断，防渗墙上下游侧水头值(等同于接头帷幕上下游侧水头值)受覆盖层材料、坝体材料和防渗系统共同影响，防渗墙接头帷幕内水头等势线分布受接头帷幕形态影响，且有极强的敏感性。防渗墙接头帷幕局部破损后，且其渗透系数为3×10－1cm/s时，施工廊道顶部水头等势线变疏，将增大防渗墙下游侧水头，渗压计P54所在部位水头值也会增大。因帷幕接头破损后，防渗墙底部的水头值变化很小，P54埋设位置水头实测值与防渗墙底部渗压计所在部位实测值的差值越大，防渗墙接头帷幕损坏的概率越高。