粘土心墙堆石坝坝基渗漏原因分析及处理

郭建设

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)

1 工程概况

某水库总库容为1 180万m3，有效库容为1 055万m3，相应的正常蓄水位为612.5 m，死水位为587.0 m。水库大坝采用粘土心墙堆石坝，坝顶长度为230 m，坝顶高程为615.6 m，防浪墙高程为616.2 m，最大坝高为52.5 m，坝顶宽度为7 m。上游坡比为1:2.25(1:2.75)，下游坡比为1:2.5。粘土心墙以坝顶中心线为中心对称布置，心墙顶部宽度为3.0 m，上下游坡度均为1:0.2，从上游至下游依此布置上游坡干砌石、上游堆石Ⅰ(高程592.0 m以上)、上游堆石Ⅱ(高程592.0 m以下)、上游过渡层、上游反滤层、上游粗砂碎石垫层、粘土心墙、下游反滤层、下游过渡排水层、下游填筑全强风化料、下游粗砂碎石垫层、下游坡排水棱体、下游砼框架草皮和干砌石护坡(大坝横断面如图1所示)。

图1 大坝标准横断面示意(单位：高程m,长度mm)

大坝上游区基础基本上开挖至全风化石英砂岩硬塑土，冲沟附近坝基开挖至强风化石英砂岩，下游区基础置于强风化基岩上，粘土心墙基础置于强风化基岩上。大坝防渗系统采用自上而下为：粘土心墙、灌浆砼盖重、断层砼塞、基础固结灌浆结合帷幕灌浆的形式，帷幕灌浆底线深入3Lu线以下5 m。

2 水库蓄水过程及渗漏情况

该水库于2009年12月开工，2012年9月填筑完成，2013年4月水库开始蓄水，至7月28日水位升至死水位587 m，此后，水库水位继续上升至589 m左右并持续了约1 a。2014年5月和8月库区普降暴雨，水位上升较快，2014年5月25日及2014年8月13日两次蓄高，各上升1 m左右，2014年8月26日水库蓄水最高水位592.98 m。

2014年水库平均水位为590.35 m，渗流量监测值为10～15 L/s，库水位从587 m上升至592 m，主坝区库水外渗的渗流量增加了5 L/s左右。2015年10月水库最高水位610.3 m时，最大渗漏量约85 L/s，明显大于设计允许渗漏量。

3 坝址地形地质条件

该坝址位于水库库盆东南面的冲沟沟口处，冲沟呈西北—东南向，两岸地形不太对称，左岸山体较雄厚，山脊高程为680～747 m，右岸山体较低矮单薄，山顶高程约为629 m，正常蓄水位612.5 m对应的沟谷宽度约166 m，沟底高程约为565 m，从剖面上看呈较开阔的“V”字型。

坝址地层岩性为寒武系石英砂岩、粉砂岩，产状为N40°～50°E/SE∠50°～60°，产状相对稳定，呈单斜构造，中—厚层状，裂隙发育，岩体较破碎。大坝基础为强风石英砂岩，断层和裂隙发育，多张开，裂面充填泥质或钙质。左岸建基面以下强风化厚度为 2.2～8 m；右岸建基面以下强风化厚度为7.9～12.5 m；河床建基面以下强风化厚度为1.2～2.3 m。

4 渗漏检测方法及结果

考虑从大坝坝顶钻孔可能破坏粘土心墙，本工程综合分析渗漏量变化情况及坝址地形地质条件，渗漏检测采用了自然电场法、伪随机流场法、大地电磁法、示踪、温度测试、电导等综合物探方法及在坝头钻斜孔检测等手段。现场布置自然电场法测线6条，伪随机流场法7条，大地电磁法2条，水温测试1条，电场梯度法测线2条，沉降观测孔温度测试2孔，右坝头布置2个斜孔，并对斜孔进行示踪、温度、电导等综合测试。

自然电场法检测结果见图2，综合测线探测成果，在灌浆帷幕上共发现5个低电位异常区间，在平面的分布位置对应的大坝桩号如下：0+060～0+070、0+080～0+094、0+130～0+144、0+166～0+174、0+204～0+214。

图2 自然电场法测线电位值曲线示意

伪随机流场法检测结果见图3，从流场法7条测线数据情况分析，主坝前没有明显的渗漏进水点，7条测线数据共同指向的异常区域是右坝肩山体凸起的部分。

图3 伪随机流场法电流密度3D表面示意

大地电磁法检测结果见图4，根据测线整个剖面电阻率分布情况，浅部电阻率偏低，深部电阻率偏高。左岸电阻率偏低部位主要集中在基岩面以下6～30 m深度范围内，范围较大，相对较深，中间和右岸电阻率偏低部位主要集中在基岩面以下13 m深度范围内，相对较浅，分布不尽连续。

图4 大地电磁法测线电阻率拟断面示意

斜孔电导率测试结果见图5，从图中发现，在高程560.86～562.63 m存在盐分扩散现象，说明存在渗漏情况；在高程588.67～590.44 m盐分已扩散完毕，说明该段存在较严重的渗漏。

图5 斜孔电导率测试示意

5 渗漏原因分析

根据物探成果反映，心墙部分电阻率相对均匀，未发现明显的渗漏异常区。在坝基有5处可疑渗漏区域。

斜孔ZKB01压水成果反映，斜孔深31.34 m(高程587.9 m)以上范围岩层为强风化—弱风化上带，透水率在6.8～56.1 Lu之间，均大于设计要求的3 Lu；斜孔深31.34 m(高程587.9 m)以下为弱风化下带，透水率小于设计要求的3 Lu。

斜孔ZKB02压水成果反映，斜孔深57.9 m(高程582.2 m)以上范围岩层为强风化—弱风化上带，压水试验透水率在8.55～73.59 Lu之间，均大于设计要求的3 Lu，个别异常段采用注水，K值在1.00×10-3～5.80×10-3cm/s之间；斜孔深57.9 m(高程582.2 m)以下，除斜孔深67.9～72.9 m(高程573.0～576.1 m)之间因少数裂隙张开，裂面充填约3 mm的次生泥质导致压水试验段透水率为20 Lu外，其他各段透水率小于设计要求的3 Lu。2个检测孔均反映强风化带—弱风化上带透水率大。斜孔ZKB01孔内示踪试验和孔中电导率测试成果反映，高程588.67～590.44 m盐分自然扩散比较严重。

综合分析各方法成果，可以确定大坝粘土心墙完好，未出现渗漏；渗水部位主要在心墙砼垫层以下的强风化带和弱风化上带浅层基岩范围。

6 坝基补强处理措施

为确保坝基防渗补强实施过程尽可能减少对心墙的影响，先开展坝肩灌浆试验、坝体心墙开孔试验、灌浆压力及灌浆材料试验、封孔试验等，确定了安全可靠和效果可行施工工艺，主要包括：① 灌浆孔段长按0.5 m、2 m、3 m、5 m设置，灌浆压力第1段和第2段为0.3 MPa、第3段为0.5 MPa、第4段为0.8 MPa、第5段为1.2 MPa、第6段及以下各段为1.5 MPa；② 灌浆材料采用水泥膨润土浆液和纯水泥浆液，水灰比采用8:1、5:1、3:1、2:1、1:1、0.5:1等6个等级；③ 采用自上而下分段卡塞式灌浆。

根据各项试验成果，确定对补强处理设计方案分期实施。一期先实施心墙深度在20 m以内部位，即右岸桩号0+187.250～0+283.250，其中0+187.250～0+203.250范围孔距为2 m，0+203.250～0+229.250范围孔距为1 m，0+229.250～0+283.250范围孔距为1.5 m。2016年5月底完成一期处理孔。

根据左岸斜孔检测情况，决定实施二期左岸桩号0-010.500～0+093.500范围垂直孔帷幕灌浆，其中桩号0-010.500～0+069.500范围孔距为1 m，桩号0+069.500～0+093.500范围孔距为2 m，2016年8月中完成左岸帷幕补强处理。

根据处理效果，2016年8月中开展右岸垂直深孔部分补强灌浆，心墙深度控制在35 m以内，即桩号0+164.250～0+187.250范围，孔距2 m。根据防渗补强处理效果，于2016年9月7日决定结束大坝防渗补强处理工作，共计完成防渗补强垂直孔152个孔，进尺6 817 m。

7 坝基补强处理效果

该工程在一期处理实施过程中，发现桩号0+205.000～0+225.000之间砼盖重以下第3段～第5段吸浆量大，是渗水的主要通道之一，通过对该部位重点处理后，量水堰测得渗水量降至约35 L/s(当时水库水位600 m左右)。

二期左岸实施了桩号0-010.500～0+093.500范围后，量水堰渗水量变化不太明显，随后通过实施右岸桩号0+164.250～0+187.250范围深孔，特别是在实施桩号0+164.250～0+176.250过程中，浅层透水率大，吸浆量大，每个孔实施前后量水堰测得渗水量都有明显变化，该范围实施前后量水堰测得渗水量由25 L/s以上降至10 L/s(当时水库水位592～605 m左右)，且渗水量随水库水位变化没有明显变化。

防渗补强处理后，水库库水位在接近正常蓄水位时，经3 d高水位检验，量水堰测得坝基渗漏量约6 L/s，小于设计允许渗流量。

坝基补强处理前后渗流量随库水位变化过程见图6，从图中明显看出，坝基补强处理之前，渗漏量随着水位升高逐渐变大。通过2015年11月到2016年9月为期近1 a的补强灌浆处理，水库水位维持在592～605 m，渗漏量随着灌浆处理进展逐渐减少，灌浆处理结束后，将库水位抬高至610 m以上，渗漏量没有随水位抬高明显变化，坝基防渗补强取得很好的效果。

图6 大坝渗流量-库水位过程示意

8 结语

1) 本工程粘土心墙堆石坝的渗漏检测方法主要采用综合物探和钻斜孔相结合的方法，最大程度避免检测过程对大坝粘土心墙防渗体造成破坏，且有效检测出坝基心墙砼垫层以下的强风化带和弱风化上带浅层基岩为主要渗水部位，该方法值得类似工程借鉴。

2) 本工程坝基防渗补强采用循序渐进的分期处理方式，根据渗漏原因分析，有针对性的对对大坝影响小且渗漏量大的部位先开展防渗处理，避免全面开花，根据处理过程中渗漏量的变化情况，条件成熟时再确定进一步的处理部位，改经验对类似工程有很好的借鉴意义。