坝基防渗帷幕设计及渗漏分析

张双龙（博乐农五师全新勘测设计有限公司，新疆博乐833400）



坝基防渗帷幕设计及渗漏分析

张双龙
（博乐农五师全新勘测设计有限公司，新疆博乐833400）

灌浆技术具有施工便捷、安全环保、经济效益高等优点，被广泛应用在水利工程领域。防渗帷幕通过凝结颗粒填充岩土间的孔隙提升坝基防渗能力。本文结合工程复杂的地质情况，首先分析了坝基出现渗漏的原因，随后通过前期防渗帷幕设计进行坝基防渗处理，最后对前期灌浆后的坝基进行渗漏分析。研究表明：前期灌浆帷幕设计可有效地降低渗漏量，但是透水率仍偏高，需要在此基础上进行补强灌浆处理。

坝基防渗；前期灌浆；帷幕；补强灌浆

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.037

1 工程地质概况

本文研究的水库坝址区位于天山北麓，准噶尔盆地南缘，地势南高北低，自然坡降为5‰～8‰。岩性为第四系冲积堆积卵砾石层，以圆砾为主，层顶高程538.58～545.22m。肯斯瓦特以北至红山嘴出山口的低山丘陵区为地下水径流区，该区内地下水与地表水互相补给，地下水类型由单一的基岩裂隙水转化为孔隙、裂隙水共存。裂隙水以下降泉的形式排泄至玛河，形成第四系孔隙潜水，由于含水介质渗透性较好，因而径流、排泄条件也较好。含水层介质为透水性较好的卵石、砾石，地下水埋深由南向北随地面高程的降低而逐渐变浅。圆砾层磨圆度较好，多呈次圆状，分选性差，母岩成分主要为硬质岩石。该层天然密度2.01～2.10g/cm3，天然含水量3.2%～3.6%，不均匀系数32.25～108.4，曲率系数0.157～1.574，渗透系数为5.5× 10_2～7×10_2cm/s，重型动力触探锤击数为5～9击，埋深大于6m，承载力标准值280kPa。

水库坝址区年平均流量1.23m3/s，来流含沙量为0.32kg/m3，水库总库容量为2540万m3。该水库由大坝、输水隧洞、溢洪道组成，防洪等级按照50年一遇设计、洪水校核按照P=0.1%进行。该大坝采用粘土心墙，其坝基位于一条岩体破碎程度很大的卸荷带上。大坝轴线贯穿左右两岸的侵入岩和砂岩，坝址处的河谷呈“V”字型。大坝左岸地形坡度较缓，中上部基岩裸露，坝基为长期风化的闪长玢岩，该侧存在较大的裂隙，很难进行开挖施工。卸荷带岩体节理大多张开，少量还夹杂着淤泥和铁锈，节理走向为N5°W～N5°E。坝址区共有断层9条，大多为顺流方向，倾角在45°～80°。

2 基于遗传算法的灌浆设计

遗传算法是一种模拟自然界进化过程的优化算法，随着人工智能算法的进步，遗传算法开始应用于工程、控制、经济学等多个领域。遗传算法具有以下优点：

（1）不直接使用变量进行搜索，使用变量的编码；

（2）搜索中从一组解进行迭代，减少了局部最优解的出现概率；

（3）整个搜索过程是随机的；

（4）对空间的连通性没有要求，只需要计算目标函数。

遗传算法编码精度：

解码公式：

其中：Umax为最大值；Umin为最小值；l为编码串长度；

求解目标函数最大值的表达式为：

其中：Cmin为群体方差的函数。

传统的帷幕灌浆设计一般参考半经验公式进行，但是这样只能得出一个较好的设计方案，而不是最好的设计方案。因此，将帷幕灌浆造价定为最优函数，采用遗传算法进行优化。由于帷幕灌浆的目的是为了减少渗漏量，降低渗透压力，在保证水力梯度的基础上，以渗漏量和渗透压力为约束条件进行建模。

帷幕灌浆设计优化模型为：

约束条件：

其中：P为帷幕灌浆工程造价；tc为帷幕灌浆厚度；hc为深度；kc为渗透系数；Q为总渗透量；F为总渗透压力；G为坝基最大水力梯度。

帷幕灌浆设计流程图见图1。

图1 帷幕灌浆设计流程图

2007～2013年的注水试验和压水试验结果表明：

（1）右岸ZK03、右岸ZK09、左岸ZK003处孔深12m以上的岩体属于极强-强透水层，孔深12～38m的岩体属于中透水层，38m以下属于弱透水层；

（2）河床ZK2处孔深14.5m以上的岩体属于强透水层，孔深14.5～30m的岩体属于弱透水层；

（3）左岸ZK001、右岸ZK01处孔深13m以上的岩体属于极强-强透水层，孔深13～40m的岩体属于中透水层，40m以下属于弱透水层；

从试验结果看，不同深度下透水率均大于3Lu，尤其是左岸ZK003的9.45～14.55m段的透水率竟达13.9Lu，与设计规范要求相差较大。透水率小于5Lu的隔水层埋藏深度在25～70m。由于坝址区山坡坡度较大，不利于设备施工，需要在右岸山体开挖2m×3m灌浆平洞，右岸帷幕向山体方向移动46m，深度约为25m。根据遗传算法结果，前期帷幕灌浆分为3个序孔，施工中的灌浆压力随灌浆位置、灌浆孔序变化，将前期帷幕灌浆工作量列于表1。

表1 前期帷幕灌浆工作量

3 灌浆后渗漏分析

对坝基进行前期灌浆处理后，需要对施工后的渗漏量进行校核，校核仍采用钻孔压水实验法和注水实验法，校核试验共布置了29个校核监测孔。其中，检测孔JK1、JK2为早期帷幕灌浆测量孔，JK8为补充检测孔，其余均为坝基帷幕校核孔。从试验结果看，钻孔岩芯获取率仅为20%～60%，且取出的岩石大多为张开状，存在明显缝隙发育。甚至有些处于卸荷带的校核孔岩芯取样率低于20%。

研究表明：JK2和JK3的取样效果较好，岩芯呈现出弱透水性，但透水率小于3Lu的部分位于坝顶以下75.4～82.1m处。JK4岩芯的透水性较强，大部分区段的透水率在10Lu以上，说明前期防渗灌浆仅对部分区域起作用。表2列出了JK4岩芯不同深度的透水率情况。

表2 JK4岩芯不同深度的透水率情况

虽然经过前期防渗处理后，坝基渗水有一定好转。但是从表2中的数据看，大部分区段的透水率均仍大于10Lu。针对这个问题，需要在坝基前期灌浆的基础上对渗透带进行补强灌浆，这个问题也是今后的研究方向。

4 结语

随着科学技术的进步，水利工程对灌浆技术的要求不断提高。灌浆技术十分注意技术总结和理论研究，但是灌浆理论往往滞后于施工经验。结合工程复杂的地质情况，首先分析了坝基出现渗漏的原因，随后通过前期防渗帷幕设计进行坝基防渗处理，最后对前期灌浆后的坝基进行渗漏分析。研究表明：前期灌浆帷幕设计可有效的降低渗漏量，但是透水率仍偏高，需要在此基础上进行补强灌浆处理。

［1］李刚，李军，杨开华.某土石坝帷幕灌浆渗流监测成果分析［J］.长江科学院院报，2012（05）：86-89.

［2］杨良权，李波，雷安平，樊艳云，高焕芝，魏定勇.南水北调大宁调蓄水库帷幕灌浆试验与分析［J］.水利水电技术，2013 （01）：73-78.

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1672-2469（2016）01-0118-03

2015-06-22

张双龙（1984年—），男，工程师。