华东地区某大坝坝基水质特征及防渗帷幕性状评价

姚惠芹，刘冬梅

(1.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

随着国家经济和水利水电建设事业的快速发展，国内修建的大坝越来越多，地质条件良好的坝址也越来越少，目前在我国水电建设较多的区域，尤其西南地区，普遍存在基岩风化、节理、裂隙、岩溶发育等问题，有时还存在断层、破碎带和软弱夹层等缺陷[1]。这些区域修建大坝地基处理、水库周边和库区渗漏通道的防渗处理极为重要，对于混凝土重力坝而言，坝基灌浆防渗帷幕存在普遍性。灌浆作为一种特殊的施工方法，在土木、水利、交通等许多领域中得到了广泛的应用，尤其是防渗帷幕灌浆投资少、通用性强、效果好、施工干扰较少、工期质量有保证，在水利水电行业得到了广泛应用。灌浆帷幕工程一般规模大、材料用量较多、成本高，灌浆形成的帷幕防渗体为隐蔽工程，不便于检测，工作环境复杂，一旦出现安全隐患很难及时发现，而其质量和耐久性关系到工程的安全和正常使用。建坝后，大坝周边自然环境及地质环境发生剧烈变化。在大坝的多年运行中，人们逐渐发现有数量众多的灌浆帷幕防渗效果随时间开始衰减，坝基渗漏溶蚀现象普遍发生，导致坝基渗漏，有的甚至影响到大坝安全[2- 4]。因而，正确分析评价防渗帷幕的完好程度，可望为大坝是否正常运行的判定提供重要的依据。

据相关研究证明，大坝运行多年后，坝基帷幕及混凝土腐蚀现象普遍，也会造成坝基帷幕防渗性能的衰减，可以根据pH值、水中Ca2+和胶状析出物三项指标进行定量评价[5]。本文基于对坝前坝后库水水位、廊道渗水、坝体渗漏水量、坝体渗流、渗压监测数据等开展地下水宏观动态分析和区域水质、化学成分、pH值和Ca2+浓度等地下水微观动态分析等研究结果，结合大坝岩基对坝基析出物进行研究，检测析出物的物理、化学特性和矿物成分以及排水孔水质和水中微生物，可对岩基稳定性及防渗帷幕耐久性做出初步推断。

1 工程概况

华东地区某水电站枢纽位于闽江流域中游一级支流的Y河上，是Y河梯级开发中的第三级电站。电站枢纽由碾压混凝土重力坝、引水隧洞、厂房及开关站等组成。拦河坝为整体式碾压混凝土重力坝，最大坝高63 m，大坝于1995年10月竣工投入运行，至今已在发电、防洪等方面取得了显著的经济效益和社会效益。大坝建成后，在蓄水条件下，坝区上下游之间形成较大的水头差，坝体介质受到较大的渗透压力，导致坝体出现少量渗漏，坝体廊道壁上出现明显析出物。长此以往，坝基少量水的漏失问题会造成水与岩石之间、水与帷幕、混凝土之间的相互作用，可能引起坝基软弱岩层的化学潜蚀等问题，从而影响坝基的稳定和帷幕的防渗性能，甚至危及大坝安全。

2 库水及坝基水质特征与水化学分析

2.1 库水及坝基水质特征

防渗帷幕长期服役过程中容易受到坝基内具有侵蚀性的环境水化学作用，大坝运行一段时间后，水环境发生了变化，大量污染物在水库长时间滞留，库水中有机质的富集可导致下层库水和部分坝基地下水的侵蚀性加强，对混凝土有溶出性和软水性侵蚀，侵蚀帷幕水泥结石、基础混凝土和坝基岩石，从而造成坝基帷幕防渗材料逐渐丢失，使帷幕防渗效果大大降低。因此，在前期研究的基础上，在研究区域相应坝段进行库水取样，通过水化学分析研究不同水中水化学类型、pH值和Ca2+浓度，坝基水的pH值及有关参数可以作为评价防渗帷幕性状的重要指标。

该水电站在2017年后出现少量渗漏，每年5月和8月分别对该电站坝前库水、坝基幕后地下水、坝体渗水水质进行采样和化验分析，每次每个采样点位均采集10个样本。

对坝前库水进行取样，采集坝前中泓水面、库中、水底3个点位的库水水样，坝前库水的水质特征演变如图1所示。由图1可知：①坝前库水的pH值在7.0～7.9之间，为弱碱性水；②存在少量的游离二氧化碳和侵蚀性二氧化碳，坝前库水溶解氧随着水深的增加呈下降趋势，库底溶解氧较低；③水硬度在36.9～51.5 mg/L之间，为极软水；④坝前库水矿化度和各离子权重变化都较大。

图1 坝前库水水质特征演变分析

对坝体渗水采集坝肩外平台和坝体排水孔进行取样，采集坝体渗水左坝肩裂缝(0+165)、坝体中部94平台坝体排水孔(0+119)、左坝肩外平台3个点位的水样，对水样进行分析，坝体渗水水质特征演变结果如图2所示。由图2可知：①坝体渗水pH值在9.1～11.0之间，均呈碱性；②存在游离二氧化碳和侵蚀性二氧化碳；③坝体水孔渗水矿化度变化不大，但各离子权重变化较大；④坝体排水孔渗水介于极软水和软水之间。

图2 坝体渗水水质特征演变分析

对坝基幕后地下水从坝体廊道内排水孔取样，采集坝基幕后地下水排10号孔(0+156.5)、排35号孔(0+88.3)、排43号孔(0+66)和排49号孔(0+49)4个点位的水样。对水样进行分析，坝基幕后地下水水质特征演变结果如图3所示。由图3可知：①坝基幕后地下水与坝肩地下水的水质特征相似；②地下水的pH值在10.4以上，均呈强碱性；③不存在游离二氧化碳和侵蚀性二氧化碳；④排10号孔的水硬度在143～185mg/L之间，属于中等硬水；⑤地下水矿化度和各离子权重变化都较大，因而水化学类型不同时期不同。

图3 坝基幕后地下水水质特征演变分析

由于坝基各排水孔内积聚了大量的底质，存在大量的有机物，因此，各排水孔所取的地下水均含有硫化氢等物质，坝基幕后地下水中铵离子含量普遍比坝体渗水和坝前库水大。

2.2 库水及坝基水化学分析

3 坝体析出物的基本特征及其主要性质

受环境温度的影响，廊道内排水孔的排水量会随着不同时期温度的变化而发生变化。由于热胀冷缩的原因，当气温高时，坝体膨胀而密实，廊道排水孔排水量相对较少；当气温低时，坝体收缩，缝隙增大，廊道排水孔排水量明显增多。坝体的析出物随着排水量的变化而变化，受排水量影响，低温时析出物的排出点增多，表面潮湿，析出物的排出量也增加[6]。结合近3年对坝体不同位置析出物进行采样分析，析出物的基本特征如表1所示。

表1 电站坝体析出物分析 %

通过对析出物的样品进行分析可知，上游廊道壁与下游廊道壁析出物的主要化学成分差别不大。上游廊道壁析出物的主要化学成分为CaO，析出物的烧失量和SiO2的含量也较多，其余成分Fe2O3、Al2O3、MgO、MnO、K2O、Na2O、P2O5的含量较小；下游廊道壁析出物的主要化学成分为CaO，且比重最大，析出物的烧失量也较大，含量较大的化学成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3等，其余成分MgO、MnO、K2O、Na2O、P2O5的含量较小。

分析可知，坝体析出物是一定环境下渗透水流作用形成的，其物理化学组分、理化指标、宏微观状态及颗粒分析等诸多方面表明，析出物是化学侵蚀作用的产物，非机械管涌的产物，主要成分不同的析出物对坝基岩体强度的影响不同，以SiO2、Al2O3为主要成分的析出物是坝基岩石(尤其软弱夹层)遭受溶蚀的标志，说明软弱岩层在水长期浸泡下性状发生了变化。这一过程非常缓慢，即时清除析出物可避免其导致坝基帷幕防渗性能衰减，甚至失效。

4 坝基防渗帷幕性状评价

坝基及库水水质特征是评价坝基防渗性状完好与否的重要指标，通过华东地区某大坝库水及坝基水质分析和现场测试(pH值、水化学成分、析出物成分)，得出以下结论：

(1)部分坝基库水pH值从库前7.0～7.9之间的弱碱性水变为10.4以上的强碱性水，库水从极软水变为库后的软水甚至中硬水，Ca2+浓度明显增加,,说明坝基帷幕防渗性能出现局部薄弱地段。

(3)通过对析出物与样品的对比分析，初期下游廊道壁析出物的主要化学成分与上游廊道壁的析出物差别不大，但是运行一段时间后，析出量逐渐增加，析出物的主要化学成分为CaO且比重最大，SiO2也成为析出物的主要成分，说明坝基岩石(尤其软弱夹层)遭受溶蚀，在水长期浸泡下性状发生了变化。

综上所述，综合评价该大坝防渗帷幕的整体防渗效果是基本完好，但局部坝段的坝基帷幕防渗性能有一定程度的衰减。在大坝的后续运行中，对防渗性能有衰减的坝段需要开展进一步研究，对目前运行良好坝段的防渗帷幕需要加强监测，根据防渗帷幕运行状况动态综合评判帷幕的防渗性能，及时发现防渗帷幕的防渗能力衰减情况，并据此做出及时的补强措施。