浅析硗碛大坝坝体坝基及其连接处防渗效果

(云南鲁布革顾问有限公司，云南 昆明 650051)

水库蓄水后，必然会产生渗漏，但过大的渗漏将抬高坝体浸润线、增大基础扬压力，进而危及大坝安全[1-2]。据维也纳世界大坝失事数据站统计，因渗流控制不当引起大坝失事的比例为34%[3]。无疑，勘察、防渗设计及施工质量是减少渗漏的前提；而合理布设渗流监测设施，结合设计、规范等及时分析，尤其是重视发展趋势和相互关联[4-5]，则可为大坝运行、渗漏隐患发现及处理等提供科学依据。

硗碛水电站位于四川省宝兴县，为Ⅱ等大(2)型工程，水库总库容2.12亿m3，装机容量240MW。大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高125.50m，坝顶高程2143.00m，大坝按1级建筑物设计。正常蓄水位2140.00m，死水位2060.00m。坝基覆盖层深厚，大坝采用心墙通过廊道与防渗墙连接的防渗结构，属国内首创[3]，其受力条件十分复杂[6]，防渗措施要求较高；防渗墙底及左右岸采用灌浆帷幕深入弱风化基岩防渗。

本文拟根据渗流监测资料，分析评价坝体坝基及其连接处的防渗效果，以期为电站运行及类似工程设计提供参考。

1 工程地质及防渗排水设计

大坝坝基覆盖层深厚，厚57～72.40m，主要为含块(漂)碎(卵)石、卵砾石砂土、碎石土等，渗透性强，且其结构、渗透性差异较大；坝址区左右岸及河谷谷底主要为碳质千枚岩夹粉砂岩，遇水软化严重，力学强度迅速降低。

坝体通过砾石土心墙防渗，并在心墙上下游侧分别设置反滤和过渡层；坝基通过1.2m厚的混凝土防渗墙和灌浆帷幕防渗，其中防渗墙深入强风化基岩2m、弱风化基岩1m，帷幕深入弱透水岩体。防渗墙顶与心墙底部的灌浆廊道直接相连，施工质量要求较高。在廊道周边填筑高塑性黏土，并在廊道上下游侧布置土工膜延长渗径，下游侧土工膜底部设置水平反滤层。除上述反滤排水外，还在两岸灌浆平洞内帷幕下游侧设置排水管，长2.5m，纵向排距3.0m，右岸设置一个交通兼排水洞，将渗水排向下游。心墙、防渗墙与廊道连接结构见图1。

图1 心墙、防渗墙与廊道连接示意图(单位：m)

2 渗流监测设计

为监测坝体浸润线及坝基排水效果，在坝体纵0+115、纵0+215、纵0+315监测断面布置渗压计25支，编号P1～P25，其中河床最大坝高断面(纵0+215)P1～P20布置见图2。为监测防渗墙及连接处防渗效果，在坝基防渗墙纵0+192、纵0+215、纵0+225监测断面上、下游侧布置渗压计11支，编号P′1～P′11，见图2；此外，在防渗墙后沿坝基廊道布置测压管3根，编号UP13～UP15，见图3。为监测坝基帷幕防渗效果，在坝基廊道两岸平洞帷幕后布置测压管6根，编号UP10～UP12、UP16～UP18，见图3。为监测坝体坝基渗流量，在右岸交通兼排水洞出口布置量水堰WE1。

3 监测成果分析

3.1 坝体坝基渗压

3.1.1 渗压水位过程线

纵0+215断面心墙上游侧过渡料P1～P3、心墙P4～P9渗压水位过程线见图4～图5。由图及监测资料可知：

a. P1～P3在库水位低于埋设高程时，无压；高于埋设高程时，渗压随库水位变化；最高渗压水位与库水位接近。因其位于心墙上游侧过渡料中，属正常现象。

图2 纵0+192～纵0+225断面坝体和防渗墙渗压计布置注： Pi坏说明渗压计已失效

图3 UP10～UP18测压管布置 (单位：m)

b.心墙渗压计P4～P9除上部P4(埋设高程2126.50m)外，其余水位均随库水位升降而增减。在运行期，P4水位变化平稳，与库水位相关性不明显且高于库水位，最高达2146.39m，分析原因应为渗压计受施工期心墙填筑含水影响存在孔隙水，在心墙填筑完成后，该处透水性极弱，孔隙水压力未能完全消散所致。其余P5～P9在正常蓄水位2140.00m时，低于库水位20～68m。

图4 纵0+215断面心墙上游过渡料渗压水位过程线

图5 纵0+215断面心墙渗压水位过程线

c.心墙下游侧反滤料、过渡料中的P12、P14基本无压；心墙底部水平反滤层中的P18～P20亦为无压状态，说明渗压水位低于仪器埋设高程2018.00m，大坝防渗排水效果良好。

3.1.2 坝体浸润线

纵0+215断面坝体在典型库水位时的浸润线如图6所示。可知，心墙对水头的消杀作用显著，在正常蓄水位时水力坡降约3.43，略大于三维渗流计算的心墙最大渗流梯度3.27，但小于室内、现场渗透变形试验所得心墙料的平均破坏坡降5.66～7.31、6.91～12.95。同时，心墙与反滤料联合抗渗试验研究表明：心墙抗渗破坏坡降可达31～51.32，联合抗渗效果明显。因此，心墙在反滤料保护下是安全的。

图6 纵0+215断面坝体典型浸润线

3.1.3 心墙位势

当渗流场稳定后，在同库水位条件下，心墙位势应基本相同。据此，计算得到有代表性的心墙渗压计P6～P9在最高库水位时的典型位势，见表1。位势计算公式如下：

φ=[(hi-H2)/(H1-H2)]×100%，H2≥H3

(1)

φ=[(hi-H3)/(H1-H3)]×100%，H2

(2)

式中，φ为位势，%；hi为测点水位，m;H1为库水位，m;H2为下游水位，m;H3为心墙建基面高程，为2017.50m。

可见，正常蓄水位附近时，心墙轴线处的位势在79.7%～93.7%之间，高于心墙下游侧P9的位势47.1%～51.9%。心墙轴线处的位势与类似工程(位势多在70%～90%之间)基本一致，且同库水位时，位势相差不大，说明心墙渗流场相对稳定，心墙防渗性能良好。

表1 心墙位势特征值统计

3.2 防渗墙后渗压

防渗墙后P′6～P′8渗压计和UP13～UP15测压管水位过程线见图7～图8，渗压水位沿高程分布见图9。

图7 纵0+192断面防渗墙后渗压水位过程线

图8 纵0+197～0+227断面防渗墙后测压管水位过程线

图9 防渗墙后渗压水位沿高程典型分布图(库水位2140.19m)(单位：m)

从图7～图8及监测资料可知，防渗墙前渗压计P′1、P′5在失效前的渗压水位与库水位相关性较好，最小水头差小于5m，属正常现象；防渗墙后渗压计测压管水位受库水位影响呈年周期性波动，但变幅明显小于防渗墙前渗压水位。从图9可知，防渗墙底与帷幕连接处渗压水位最高，防渗墙顶与廊道连接处次之，防渗墙中部最低，表明防渗墙与廊道及帷幕连接处存在渗水，但最高渗压水位与库水位水头差大于92m，说明渗水轻微。

另一方面，纵0+227断面UP14测压管水位在蓄水初期较高，远高于两侧UP13、UP15(相距30m、29m)水位，且与库水位密切相关，如2008年10月28日库水位2139.70m时，UP14水位为2085.91m，超过设计控制指标2030.00m[7]，仅消杀了46.21%的水头。根据监测数据，结合地质、设计、施工等资料综合分析，认为最可能的原因是UP14对应防渗墙段或防渗墙与廊道连接处存在防渗缺陷。之后于2009年初对UP14对应防渗墙段进行了灌浆处理。处理后至今，该测压管水位低于2027m，表明灌浆已封堵渗漏通道。

3.3 坝基两岸帷幕后渗压

坝基左岸帷幕后UP10～UP12测压管水位过程线见图10，位势沿轴线分布见图11。由图及监测资料可知：

图10 坝基左岸帷幕后测压管水位过程线

a.左岸UP10～UP12测压管水位与库水位相关，在蓄水初期水位较高，如2008年11月23日(库水位2139.05m)，UP10～UP12水位分别为2071.63m、2058.37m、2066.53m，相应消杀水头55.70%、66.65%、59.91%，帷幕可能存在防渗薄弱部位。但UP10在2011年之后，UP11、UP12在2009年之后，水位均有降低且渐趋于稳定，如2018年10月27日(库水位2138.58m)，UP10～UP12水位分别为2055.11m、2052.25m、2059.59m，相应消杀水头69.23%、71.60%、65.51%。分析原因应为随时间推移，细颗粒淤堵部分渗水通道，帷幕防渗效果渐好。

b.右岸UP16～UP18测压管水位与库水位相关，蓄水初期水位有所波动，最高2065.75m(UP16，2007年10月23日，库水位2118.49m)；后期水位基本呈逐年下降趋势，2018年10月27日(库水位2138.58m)，最高水位2037.80m(UP16)，消杀水头达83.58%。帷幕防渗效果良好。

c.防渗墙的防渗效果优于两岸帷幕，左岸帷幕优于右岸。近年来，同库水位时，位势分布规律相差较小，渗流场基本稳定。

3.4 渗流量

渗流量可直观反映大坝防渗效果[1]。坝体坝基渗流量随库水位升降周期性波动，见图12。去除受灌浆施工影响测值，最大渗流量29.72L/s，未超设计值58.50L/s。2009年初对右岸中部2183m高程灌浆平洞35号出水点灌浆封堵后，渗流量明显变小，且逐年仍有所减小，近年来最大值小于16.50L/s，也表明大坝防渗效果良好。

图12 渗流量过程线

进一步以多元逐步回归统计模型对渗流量影响因子进行探讨，模型构造如下[8-9]：

式中，xHi、xθj、xRk、xTl分别为水压、时效、降雨、温度因子；ai、bj、ck、dl为待定系数，const为常数。

选取2007年12月—2018年9月共377个测值建模。不考虑多场耦合作用而未计入温度因子。考虑到渗流量存在滞后效应，选取观测当日、前10日、前30日平均水位与基准日、基准日前10日、30日平均水位差的1、2、3次方ΔH1、(ΔH1)2、(ΔH1)3，ΔH10、(ΔH10)2、(ΔH10)3，ΔH30、(ΔH30)2、(ΔH30)3等9个水压因子，W1、W10、W30等3个降雨因子，t/100、ln(t/30+1)、1-e-0.01t、lg(t+1)等4个时效因子，另外，为反映右岸中部2183m高程灌浆平洞35号出水点灌浆封堵效果，增加1个时效因子lg(t0+1)，总计17个影响因子进行分析。

经计算，求得的最优模型方程如下：

Q=19.36+0.1409ΔH1+0.0009(ΔH10)2+0.1598ΔH30+0.0024(ΔH30)2+0.00002(ΔH30)3-0.1057W30+19.8056(1-e-0.01t)-8.8612log(t+1)+0.6003log(t0+1)

观测值、拟合值、拟合误差过程线见图13，分量过程线见图14。方程相关系数R、显著性检验值F、标准差σ分别为0.9623，510.27，1.6472。观测值和计算值拟合较好，有95.49%的残差在±2σ范围内，可用于渗流量监控预报。

图13 渗流量观测值、拟合值和拟合误差过程线

图14 渗流量水压、降雨、时效分量过程线

计算结果表明，水压分量对渗流量影响最大，占71.4%，呈周期性变化；降雨影响较小，仅占4.4%；时效分量占24.2%，初期略有增大，之后特别是35号出水点灌浆处理后，呈逐渐减小趋势，符合一般变化规律，有利于坝体坝基的渗透稳定。预测2019年12月31日渗流量为15.23±3.30L/s。

4 防渗效果评价

a.硗碛大坝心墙渗压水位随库水位升降呈周期性波动，因埋设高程不同，与库水位水头差介于20～68m之间；心墙对水头的消杀作用显著，在正常蓄水位时水力坡降约3.43，在设计计算及试验范围内，心墙在反滤料保护下是安全的；心墙轴线处的位势在79.7%～93.7%之间，与类似工程基本一致，且历年同库水位条件下相差不大。心墙防渗性能良好。

b.心墙下游侧过渡料、反滤料和心墙底部水平反滤层中渗压基本为零，表明大坝防渗排水效果良好。

c.防渗墙后渗压水位与库水位有关，但变幅明显小于墙前渗压水位；防渗墙顶与廊道连接处、墙底与帷幕连接处存在轻微渗水，但不影响正常运行；蓄水初期发现的防渗墙缺陷经灌浆处理后，墙后测压管水位迅速降低并趋于稳定，灌浆处理效果明显。

d.坝基防渗墙的防渗效果优于两岸帷幕，两岸帷幕后测压管水位基本稳定或逐年有所下降，目前消杀水头65.51%～83.58%，防渗效果良好。

e.坝体坝基总渗流量不大，随时间推移呈减小趋势，有利于大坝稳定。

综上，各种渗流监测资料均表明硗碛大坝砾石土心墙、防渗墙及其连接处保持了完整性，整体防渗效果显著。但鉴于大坝较高、防渗结构特殊等，后期仍应密切关注其渗流渗压变化。

5 结 语

硗碛水电站砾石土心墙堆石坝具有坝高、覆盖层深厚、防渗结构特殊等特点，因此设计布置了较为完善的渗压计、测压管和量水堰等渗流监测设施。同时，业主对安全监测工作较为重视。电站蓄水运行后，监测分析过程中采用定性和定量分析方法相结合，针对发现的异常测值，在验证数据无误的前提下，结合工程地质、设计、施工等因素及时综合分析查找原因，提出处理建议，反馈业主和设计单位，相应采取处理措施，确保了电站的长期安全稳定运行。

此外，受现场条件限制，硗碛大坝监测坝体坝基总渗流量的量水堰布置于右岸交通兼排水洞出口，未能很好地拦截坝基渗流，以致总渗流量偏小。

再者，对于高土石坝，应重视分区渗流量的监测设计，条件允许时，应分别在坝基左右岸灌浆廊道、坝肩中部左右岸灌浆廊道等部位，以及坝基下游挖截水槽后设置量水堰；若能观测每个排水孔的渗流量则更好。

最后，对于深厚覆盖层上高土石坝采用防渗墙通过廊道与心墙连接的防渗体系，连接处的防渗止水以及三者的变形协调性尤为重要。在做好前期勘察和设计模拟计算工作的同时，运行期根据监测资料，适时对其抗渗稳定性和变形协调性进行计算分析也是必要的。