某水库工程坝基、坝体渗漏分析及稳定性研究

梁为邦

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021)

某水库工程坝基、坝体渗漏分析及稳定性研究

梁为邦

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021)

某水库建成后进行初期蓄水,大坝下游量水堰量测到的渗漏量随着库水位的上升而增加较快,渗漏严重。对左右岸坝基及绕坝渗漏段进行防渗灌浆处理后,渗漏量略有减少,渗漏依然严重。若继续处理,防渗灌浆工程量很大,工作难度也很大,且防渗处理的效果不明显。结合大坝及两岸坝肩观测管资料,对坝基及坝肩延长段进行渗漏分析,评价坝基、坝体渗流稳定性及坝体抗滑稳定性,提出适合的处置建议,总结经验教训,供其它工程借鉴。

坝基渗漏;观测分析;评价处理

坝基及坝肩渗漏是新建水库存在的主要工程地质问题之一,勘察阶段应查明坝址区水文地质条件,对坝基及坝肩渗漏、渗透变形等问题作出评价,并提出坝基防渗处理建议。防渗帷幕灌浆是处理坝基及坝肩渗漏、渗透变形的常用有效手段,通过帷幕灌浆,改善坝基岩(土)体防渗性能,使之适合于大坝稳定的需要,是筑坝工程的关键问题之一。坝基防渗处理不当,常会造成损失,轻者漏水,水库不能发挥应有效益；严重者,会招致大坝失事,造成灾难[1]。实践经验证明,坝基及坝肩防渗帷幕灌浆处理得好,大坝建成后,坝基渗漏小,满足坝基渗控要求,大坝安全可靠;反之,防渗帷幕灌浆处理若没有做好,则会留下隐患,大坝建成蓄水后,很难补救,有时常需限制水位运行,待防渗处理好后,才允许正常运行。

某水库建成完工初期蓄水后,渗漏严重,经勘察检测,系由防渗帷幕灌浆施工质量差所致,经多次补充灌浆处理,渗漏仍然严重,难以补救。本文针对水库渗漏现状,收集坝体、坝基及坝肩延长段观测管资料,对坝体、坝基及坝肩延长段进行渗漏分析,评价坝基、坝体渗流稳定性及坝体抗滑稳定性,提出处理建议；同时,总结经验教训,供其它工程借鉴。

1 工程概况

某水库地处澜沧江水系支流,河流多年平均流量约1.7×108m3。水库设计坝高89 m、坝轴线长282 m,正常蓄水位高程1 270.5 m,库容5 295×104m3。水库以农田灌溉为主,另具发电、防洪功能。大坝设计为防渗心墙风化料分区坝,布置有溢洪道、输水隧洞、泄洪隧洞,均设置于右岸。

坝址区地层主要为下古生界“澜沧群a段”(Pz1lna),由片岩、石英片岩、变粒岩组成。岩层产状:N25°～40°E,SE∠25°～50°,整体上倾向下游偏右岸,属斜向谷—纵向谷。发育有1条对工程有影响的断层,位于右岸坝坡,断裂走向NNE,倾向NNW,倾角50°～75°,基本平行于河流发育,贯通坝基上、下游,断裂破碎带宽10～15 m。发育有4组节理,岩体呈破碎—较破碎状。坝轴线沿左右岸凸出的山脊布置,右岸为河流凸岸,左岸坝轴线上下游均有冲沟切割,上、下游坝体左岸均设置有贴坡。

据勘探地质资料,坝基全强风化岩体及上部弱风化岩体,一般透水性中等,局部为强透水带,下部弱—微风化岩体,透水性弱—微(透水率q<5 Lu),可视为相对隔水层。左岸透水层厚度50～80 m,河床40 m左右,右岸30～70 m,估算坝基及绕坝渗漏量达508.3×104m3/a,坝基及坝肩存在渗漏问题。为此,设计要求对坝基及坝肩进行防渗帷幕灌浆处理,防渗帷幕底界深入相对隔水层5 m,两岸边界为水库正常蓄水位与水库蓄水前两岸地下水位相交处,防渗灌浆帷幕总长约463 m,左岸107 m,右岸165 m,坝基298 m,采用单排孔,孔距2.0 m。

图3 补强灌浆防渗处理前后库水位—渗漏量关系曲线图Fig.3 The relationship of reservoir water level and seepage quantity before and after reinforcement grouting图中2012年库水位—渗漏量关系曲线为补强灌浆前,2014年库水位—渗漏量关系曲线为补强灌浆后。

2 水库蓄水初期渗漏及防渗处理情况

2.1 水库蓄水初期渗漏情况

水库于2003年10月开工兴建,2010年10月完工,2011年1月下闸蓄水。库水位1 225 m,渗流量17.2 L/s；库水位1 252 m,渗流量93.7 L/s；库水位1 258.0 m,渗流量110.2 L/s,左岸下游岸坡高程1 214～1 234 m出现渗水；库水位1 265.7 m,渗流量172.7 L/s,左岸大坝坝面高程1 214～1 239 m出现潮湿、渗水,右岸大坝坝面高程1 214～1 224 m潮湿、渗水。按渗漏量观测资料增长规律推测,正常蓄水位1 270.5 m,渗漏量将增加至225 L/s左右,渗漏严重,蓄水初期库水位—渗漏量关系曲线见图1。

图1 蓄水初期库水位—渗漏量关系曲线Fig.1 The relationship of reservoir water level and seepage quantity in early storage stage

2.2 渗漏原因初步分析

经查看现场渗漏情况,查阅坝体及两坝肩岸坡观测管资料,并沿大坝防渗帷幕线布置7个钻孔对大坝心墙、坝基及绕坝渗漏带的渗漏情况进行勘探检测。

坝体防渗心墙部位布置检测孔3个,经钻孔压(注)水试验检查,坝体3个钻孔共检查36段,渗透系数<1×10-5cm/s,满足设计防渗要求的有22段,合格率占61%；渗透系数1.3×10-5～4.0×10-5cm/s,不满足设计防渗要求的有14段,占39%。说明坝体心墙存在一定质量问题,经过坝体会有库水渗漏。取坝体心墙渗透系数最大值4.0×10-5cm/s,按坝体流网图采用数值法计算库水位在1 265.7 m时,经坝体产生的渗漏量约为10 L/s,说明经防渗心墙坝体渗漏的水量不大。

坝体防渗心墙部位坝基检测孔3个,共检查25段,透水率q>5 Lu不满足设计防渗要求的4段,占16%,坝基存在渗漏带；左岸绕坝渗漏段检测孔1个,共检查10段,透水率q>5 Lu的1段,仅占10%,左岸坝肩延长段渗漏不大；右岸绕坝渗漏段布置检测孔3个,共检查38段,透水率q>5 Lu的25段,占66%,右岸坝肩延长段存在渗漏地块或条带,渗漏严重。

2.3 防渗处理情况

依据渗漏原因分析,对存在渗漏的地块或条带进行补强灌浆处理。2012年9月—12月进行第一次补强灌浆处理,主要是对右岸坝基及绕坝渗漏段进行加密帷幕灌浆处理,加密形成孔间距1.0 m防渗帷幕,防渗灌浆处理长度106 m,灌浆总深度7 007 m/127孔。处理结束后,2013年1月再次蓄水,渗漏依然严重,对补强灌浆进行质量检查发现,右岸坝基及绕坝渗漏地块或条带仍然存在渗漏；2013年7月—12月进行了第二次补强灌浆处理,对左岸坝基及绕坝渗漏段进行加密帷幕灌浆,加密形成孔间距1.0 m防渗帷幕,防渗灌浆处理长度111 m,灌浆总深度7 493 m/120孔。2014年1月水库重新恢复蓄水,渗漏仍然存在,库水位与渗漏量关系曲线见图2。补强灌浆防渗处理前、后,库水位—渗漏量关系曲线见图3。

图2 补强灌浆处理后库水位—渗漏量关系曲线图Fig.2 The relationship of reservoir water level and seepage quantity after reinforcement grouting

坝基及绕坝渗漏段补强灌浆防渗处理后,大坝下游坝面潮湿渗水面积有所减小,潮湿渗水并未彻底消除。库水位1 265.7 m,补强灌浆前下游量水堰测得渗漏量172.7 L/s；补强灌浆后渗漏量152.0 L/s,渗漏量减小了20.7 L/s,较处理前减小了约12%,总体来看渗漏量减小不明显。补强防渗灌浆处理的效果不理想,渗漏仍旧较为严重。

3 渗漏原因分析

大坝及岸坡共布置有21支观测管,具体布置见图4。可通过分析心墙、坝体、排水体及两岸观测管水位变化情况,查找渗漏原因。

图4 大坝及岸坡观测管布置示意图Fig.4 Sketch map of observation pipe arrangement for dam and bank

3.1 大坝心墙分析

大坝心墙内布置有4支观测管,观测管水位变化情况见表1。

表1 大坝心墙观测管水位变化情况Table 1 Variation of water level in observation pipe of dam core wall

水库正常蓄水位1 270.5 m,心墙观测管内水位与库水位相差21.7～22.4 m,符合心墙土石坝库水位与心墙水位一般相差20～30 m的正常规律。心墙实际观测浸润线与设计计算的浸润线基本相同,大坝各断面坝体浸润线在通过心墙后至坝壳料区第一排测压管的坝体内均能整体降落到较低,河床段下游坝体内浸润线基本位于水平排水体内,说明大坝心墙防渗功能正常,下游坝体排水体排水功能正常,没有异常情况,心墙的防渗性能较好,没有出现严重渗漏情况。

3.2 下游坝体分析

下游坝体风化坝壳料内布置有7支观测管,左岸坝体为H2、H3、H5、H6,右岸坝体为H10、H11、H13,观测管水位变化情况见表2。

表2 大坝下游左、右坝体观测管水位变化情况Table 2 Variation of water level in observation pipe of left and right dam in downstream

7支观测管内水位均随库水位变化而波动,观测管内水位变化与库水位变化的滞后时间极短,几乎同时反应,库水位与观测管内水位密切相关。比较坝基补强灌浆处理前后观测管水位,在库水位为1 265.8～1 265.9 m时,大坝下游坝体观测管内水位,H2、H3、H10、H13分别降低0.1 m、0.3 m、0.2 m、1.1 m,H5、H6、H11分别升高0.9 m、1.2 m、1.1 m,观测管内水位变幅-1.1～1.2 m,补强灌浆处理后坝体内观测管水位未能有效降低,有些管内水位反而上升,说明灌浆处理的效果不理想,坝基没有形成有效防渗帷幕。

3.3 下游排水体分析

坝体最大断面上,原河床段水平排水体内布置有2支观测管H9、H7,观测管水位变化情况见表3。

表3 下游排水体观测管水位变化情况Table 3 Water level variation of observation pipe in downstream drain

补强灌浆处理后,库水位从1 259.4 m上升至1 270.5 m,H9观测管内水位变幅为0.1 m,H7水位变幅为0.6 m,观测管内水位不随库水位变化而大幅波动,说明坝体下游反滤和排水体渗流较为稳定,排水体运行正常。

3.4 左、右坝肩情况分析

左岸布置有4支观测管I1-I4,右岸布置有4支观测管I5-I8,观测管水位变化情况见表4。

3.4.1 补强灌浆处理前

左坝肩延长线上布置有I1,距离左坝端点32 m,观测管内水位一直稳定在1 270.3～1 271.1 m,不随库水位变动而产生大幅变动；下游山体岸坡上布置有I2-I4,观测管内水位不随库水位变动而产生大幅变动,说明左岸坝肩延长段产生的绕坝渗漏很少。

表4 左、右坝肩岸坡观测管水位变化情况Table 4 Variation of water level in observation pipe of left and right dam abutment

右坝肩延长线溢洪道附近布置有I5,观测管内水位随着库水位涨落而几乎同时反应,库水位1 258.2 m升至1 265.8 m,观测管内水位由1 252.4 m升至1 256.9 m,与库水位相差5.8～8.9 m,说明库水位与I5观测管之间存在透水的渗漏带,水力联系密切,右岸坝肩延长段产生的绕坝渗漏较严重。

3.4.2 补强灌浆处理后

右岸坝肩I5及下游岸坡I6观测管内水位仍随库水位涨落相应变化,库水位1 265.9 m升至1 270.5 m,I5观测管水位从1 256.9 m升至1 258.7 m,变幅1.8 m；I6观测管水位从1 247.5 m升至1 255.6 m,变幅8.1 m。说明库水位与右岸观测管之间水力联系密切,补强灌浆处理效果较差,右岸坝基及坝肩延长段仍然存在较为严重的渗漏。

3.5 观测管水位变化情况分析结论

经过补强灌浆处理后,仍然存在较大的渗漏量,渗漏较为严重。推测原因主要为:①补强灌浆施工质量差,没有形成有效的防渗帷幕,没能完全封闭坝基透水带,仍然存在渗漏条带；②坝址区为纵向谷,坝基岩性主要为片岩,片理面陡倾,灌浆浆液扩散半径小,难以形成连续、有效的防渗帷幕；③防渗帷幕体范围外可能存在别的渗漏途径。

如果继续进行防渗处理,由于坝高89 m,需要灌浆处理的坝体以下坝基段,深度超过100 m,防渗处理工程量很大,现有的施工技术较难进行帷幕灌浆处理,难以形成有效的防渗帷幕。

4 渗流稳定分析

如果不再进行防渗处理,基于现状渗漏情况下,坝基、坝体渗流是否稳定？坝体长时间潮湿、渗水情况下稳定性如何？为此,需进行坝基、坝体的渗流稳定分析,坝体稳定性分析。采用北京理正软件设计研究所编制的渗流分析软件5.6版计算,计算方法选用有限元法,计算成果见表5。

表5 渗流稳定计算成果表Table 5 Calculation results of seepage stability

4.1 心墙及坝体渗流稳定分析

心墙填筑材料为粘性土,液限WL范围值50.9%～55.8%,比重Gs=2.77～2.82,孔隙率n=42.4%～50.8%,抗渗凝聚力C=6 kPa,渗透系数K<4.0×10-5cm/s；坝体填筑材料为强、弱风化片岩,比重Gs=2.70,孔隙率n<27%,渗透系数K=4.9×10-5～1.8×10-3cm/s,平均2.8×10-4cm/s。心墙防渗料、坝壳料的临界水力比降、允许水力比降计算值见表6。

心墙防渗土体为粘性土,渗透变形主要是流土和接触流失两种类型,允许水力比降>1.7,心墙防渗土体最大出逸比降0.72,最大出逸比降小于防渗土体允许水力比降,心墙不会产生流土型渗透变形破坏；心墙两侧设置有反滤砂层对防渗土体进行保护,不会发生接触流失渗透变形破坏。

表6 心墙防渗体、坝壳料临界水力比降、允许水力比降计算值Table 6 Calculation results of critical hydraulic gradient and allowable hydraulic gradient of impervious core body and dam shell material

坝壳料区坝体粗、细颗粒区分粒径按公式d=(d70·d10)0.5计算,区分粒径d范围值为1.5～4.6 mm,细粒含量P=36%～37%。试验测得风化坝壳料不均匀系数Cu>5,根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)“土的渗透变形判别”[3],当细粒含量P≥35%时,风化坝壳料渗透变形类型判别为流土。综合风化坝壳料的各指标特性,坝体允许水力比降0.45～0.70,坝体最大出逸比降0.30,坝体最大出逸比降小于坝体允许水力比降,坝体不会产生渗透变形破坏。

4.2 坝基及坝肩延长段渗流稳定分析

坝基及坝肩延长段岩体为强风化片岩,碎裂结构,允许水力比降>5。坝基最大出逸比降0.49,坝基最大出逸比降远小于坝基允许水力比降,因此,坝基不会产生渗透变形破坏；坝肩延长绕渗段最大出逸比降0.60,也远小于坝肩岩体允许水力比降,坝肩延长段不会产生渗透变形破坏。

5 大坝稳定分析

大坝稳定分析采用观测管实测浸润线,主要计算断面为左岸断面及河床最大断面,在稳定计算时考虑了左岸坝体坝面的渗水情况。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001),采用“土质边坡稳定分析STAB—2009程序”进行计算,分析方法采用有效应力法,采用毕肖普法计算[4]。筑坝材料参数采用施工阶段坝料复核试验统计资料,坝体抗剪强度指标φ=34.5°、C=40 kPa。计算工况为:①正常运用工况稳定渗流期；②非常运用工况稳定渗流期；③正常运行工况+地震工况(见表7)。

表7 坝坡稳定(毕肖普法)计算成果表Table 7 Calculation results of dam slope stability (Bishop)

计算结果显示,坝体在三种工况时,上、下游坝坡的抗滑稳定系数K>[K],大坝坝坡稳定。但左岸坝体断面下游坡的抗滑稳定系数K仅比安全稳定系数[K]大0.01～0.05,安全富裕度很小,坝坡已处于极限稳定状态,建议采取排水措施,降低下游坝体浸润线,提高坝坡抗滑稳定性。

6 处理建议

经2次补强灌浆防渗处理,大坝运行工况有所改善,但渗漏量仍然较大,鉴于该工程坝高89 m,需要灌浆处理的坝体以下坝基段,深度超过100 m,现有的施工技术较难进行防渗帷幕灌浆处理。如果进行深度超过100 m的防渗灌浆处理,施工质量也很难保证,不能形成有效的防渗帷幕。

按推测库水位至正常蓄水位时渗漏量可能达到175 L/s,按此渗漏量计算,水库正常蓄水位运行时,日渗漏量约1.51×104m3/d,年渗漏量约551×104m3/a。该水库为多年调节水库,年漏水量占河流多年平均流量的3.2%,小于多年调节水库允许百分比5%,渗漏水量不影响水库正常效益[5]。现状渗漏坝基及绕坝不会产生渗透变形破坏,坝体也不会产生渗透变形破坏,大坝坝坡抗滑稳定,能够安全运行。因此,建议不再进行防渗灌浆处理,但左岸下游坝坡安全富裕度很小,建议采取排水措施,降低坝体浸润线,提高坝坡抗滑稳定安全系数,在水库运行期间,加强坝体变形、渗漏量监测及分析,确保大坝稳定安全。

7 水库运行情况

2014年12月,水库进行竣工技术验收后正式投入使用,2015年1月水库水位首次达到正常蓄水位1 270.5 m时,量水堰测得渗漏量为182.5 L/s；运行一段时间,水位降落后再重新升高蓄水至1 270.5 m时,渗漏量为169.8 L/s,渗漏量呈循环逐次减少之势,水库运行2年,目前正常蓄水位1 270.5 m时,渗漏量155.9 L/s,较蓄水初期减少了26.6 L/s,约减少了14.5%,说明碾压式土石坝处于安全运行状态[6]。经过2年 (历时长)高水位工况考验,大坝沉降、位移观测值呈逐年收敛减小,未出现加速变形、开裂塌陷等异常情况,自2010年10月大坝建成开始观测起算,目前坝顶最大沉降总量117 mm,占坝高约0.13%,远小于同类工程的技术警戒值1%。坝体无开裂、塌陷、滑动等不良情况发生,水库总体上能够发挥正常效益,大坝运行安全。

8 经验教训

分析本工程防渗灌浆不成功的原因主要有:①坝址区为纵向谷,坝基岩性主要为片岩,片理面陡倾,灌浆浆液扩散半径小,难以形成连续、有效的防渗帷幕。在纵向谷片岩地区进行防渗帷幕灌浆设计,应选择加密孔间距、设置双排或多排孔,而防渗灌浆帷幕选择为单排孔。②防渗心墙与坝基接触部位未全断面设置混凝土灌浆盖板,导致心墙与坝基防渗帷幕接触不好,易产生接触冲刷,严重渗漏。③灌浆施工质量差,灌浆工作质量控制不严。水库蓄水后出现渗漏,布置的7个质量检测孔,压(注)水试验检测发现坝基及坝肩延长段大量存在不满足设计防渗要求的试段,说明施工质量差。④补强灌浆施工质量差,施工处理难度大、效果差。由于大坝已经建成,坝高89 m,灌浆处理的非灌段较多,灌浆孔深度超过100 m,不可避免的会产生钻孔孔斜,施工质量难以控制,处理难度大,且处理效果差,难以形成连续有效的防渗帷幕。

本工程教训惨痛,防渗灌浆工程工作者应引以为戒,避免类似工程出现此类施工质量事故。坝基防渗灌浆处理,应给予足够的重视,灌浆工程是隐蔽工程,灌浆施工是勘探与施工平行进行作业,要求灌浆工程的业主、设计、监理、施工各方人员应具有必要的灌浆工程经验,并对灌浆过程进行正确的监管,严格按照技术规范要求施工,严把质量关。对于地质复杂情况地段,应随时根据施工过程中发现的新情况,总结经验,修改设计灌浆参数和施工工艺,确保工程获得成功[7]。

[1] 李茂芳,孙钊.大坝基础灌浆[M].第二版.北京:水利电力出版社,1987.

[2] 刘杰.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训[M].北京:中国水利水电出版社,2006:38-56.

[3] 陈德基,司富安,蔡耀军,等.水利水电工程地质勘察规范:GB 50487—2008[S]. 北京:中国计划出版社,2009:110-112.

[4] 甘宪章,孙胜利,钱忠柔,等.碾压式土石坝设计规范:SL 274—2001[S]. 北京:中国水利水电出版社,2002:111.

[5] 王惠民,彭土标,李文纲,等.水力发电工程地质勘察规范:GB 50287—2006[S]. 北京:中国计划出版社,2008:82-83.

[6] 方大凤,刘峻,徐诚,等.碾压式土石坝设计手册[M].北京:能源部、水利部水利水电规划设计总院,1989:574-576.

[7] 夏可风,赵存厚,肖恩尚,等.水电水利工程覆盖层灌浆技术规范:DL/T 5267—2012[S]. 北京:中国电力出版社,2012:45.

(责任编辑：于继红)

Research on the Stability and Seepage of Dam Foundation and Dam Body

LIANG Weibang

(YunnanProvinceHydraulicInvestigation,Design&ResearchInstitute,Kunming,Yunnan650021)

When the constructed reservoir was initially impounded,leakage measured by weir in dam downstream increases rapidly with the increase of reservoir water level,and the extent of the leakage is serious. After the foundation and seepage section of the dam treated by impervious grouting,the leakage decreased slightly but still serious. If we continue to deal with the large amount of work,the work is very difficult,and the effect of the anti-seepage treatment is not obvious. Based on the observation data of dam and abutment on both sides,the leakage situation of foundation and extension section of the dam is analyzed,the seepage stability of dam foundation and dam body is evaluated,some suitable disposal proposals are kicked out. This experience has been summarized,and it can be used for reference to other projects.

seepage of dam foundation; analysis of observation; evaluation and treatment

2017-06-23;改回日期:2017-06-30

梁为邦(1967-),男,高级工程师,工程地质与水文地质专业,从事工程地质勘察工作。E-mail:641513129@qq.com

TV697.3+2

A

1671-1211(2017)04-0410-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.013

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170628.1113.002.html 数字出版日期:2017-06-28 11:13