水库大坝防渗帷幕渗流模拟试验研究

饶承彪 张细和

摘要：

为了研究水库大坝坝基和廊道析出物的来源以及水库蓄水后相应水化学环境下坝基渗流场帷幕水泥结石中钙质的溶出与腐蚀特征、流失规律，分析不同介质灌浆后形成的水泥结石组分与结构特征，模拟了防渗帷幕体在不同工况下的渗流试验、强度试验和微观试验。结果表明：坝基等析出物来源于帷幕体而非基岩；不同模拟介质灌浆后形成的水泥结石成分大体相同；对灌浆效果较好的帷幕体系，在水库蓄水后相应水化学环境下，坝基渗流场中帷幕水泥结石在充填裂隙中会有一个持续自闭合的过程，使防渗帷幕的防渗效果逐渐得以强化。

关键词：

水库大坝； 防渗帷幕； 灰岩； 英安岩； 渗流模拟； 析出物分析

中图法分类号：TV32+2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.015

文章编号：1006-0081（2023）04-0089-08

0 引 言

防渗帷幕是水电站或水库大坝防渗堵漏的关键组成元素，在长期高压渗透水流的作用下，其水文化学环境复杂，大坝的防渗帷幕体系将因持续遭受侵蚀而老化衰减。帷幕体防渗性能的衰减问题，至今仍备受工程界和学术界的广泛关注。对非岩溶地区，大坝渗漏以裂隙性渗漏为主；对岩溶地区，渗流场较为复杂，兼具岩溶管道和裂隙性渗漏特点。在水利水电工程项目建设中，周边地质条件通常较为复杂。在水库蓄水后，地下水位抬升会明显改变水文地质条件，这是引起渗漏的关键因素。中国约一半水库建成于20世纪50～70年代，大多属于“边勘测、边设计、边施工”，工程标准低、施工质量差，许多防渗工程达不到要求。经过几十年的运行，部分防渗帷幕出现老化，造成渗漏增大，使水库大坝处于病险状态。

目前，国内对地基、基础处理研究较多，正式出版了JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》和《地基处理手册》等规范和工具书。姚惠芹等［1］对华东某水电站的坝前、坝体、坝基等点位进行水样采集分析，详细论证大坝坝基帷幕防渗性状，指出防渗帷幕运行过程中，局部防渗性能有降低。戴宏基［2］研究发现河湾地块岩体以弱透水和中等透水为主，透水性较大岩体基本分布于灌漿帷幕底线以上。高珊［3］总结面板和防渗帷幕组成面板堆石坝的防渗结构，并进行了防渗帷幕不同程度劣化渗流分析。国内水库大坝的建设规模有越来越大的趋势，高水头条件下防渗帷幕更容易出现渗漏，帷幕灌浆的施工也存在一定难度，姚飞雄，张维等［4-5］针对高水头、软岩等不利条件，提出了防渗帷幕的新型施工工艺。施华堂等［6］对乌东德水电站防渗帷幕布置方案进行了优化研究，使现场灌浆易于施工。高培培［7］针对高渗透压力下防渗帷幕的渗漏问题，开展了高压水道帷幕体性能演化机理的研究，总结了帷幕体性能演化机理、幕后析出物特征及形成机理等研究成果。渗流计算和模拟分析是研究防渗帷幕性能的重要形式。冯亚新等［8］开发三维渗流分析程序，建立渗流模型，研究防渗帷幕尺寸参数及坝基参数对大坝渗流的影响。钟正恒［9］研究了如美水电站的工程地质环境，利用Visual Modflow软件对中坝址区蓄水前后的渗流场进行分析和对比，讨论了防渗帷幕深度对渗漏量的影响，并对防渗帷幕处理的范围进行了工程地质类比研究。宁钟祥［10］利用三维数值模拟，得出防渗帷幕与坝后地下水的流动特征。随着研究不断深入，对防渗帷幕的评价方法也开始越来越多元，余波等［11］采用综合分析方法，对混凝土坝基防渗帷幕体的老化模式及识别指标进行了探讨。

从上述研究可知，当前防渗帷幕的研究主要围绕施工技术、数值模拟和防渗性能定性评价等，针对防渗帷幕析出物的研究和室内模拟试验还相对较少。本文重点通过模拟试验研究各种防渗帷幕模型中水泥结石形成过程、防渗帷幕体结构与组成，水泥结石遭受侵蚀的机理、过程和影响因素，突出水泥结石与现浇混凝土的差异，研究坝基和廊道析出物与可溶岩、非可溶岩、水泥结石之间的关系，分析总结蓄水前后不同时期坝基和防渗帷幕沿线的水文、环境水文地质变化规律，为水电工程防渗帷幕设计、材料、施工工艺改进以及防渗帷幕长期运行后的安全评价和补强处理提供理论基础及指导思路。

帷幕灌浆的实质是水泥浆液在高压作用下充填岩溶管道或者孔隙（裂隙）的过程。实际的地质体规模巨大，物质组成和结构异常复杂，为了在试验室中模拟出帷幕体的形成和变化过程，本文将设计帷幕体，模拟帷幕体在高压水流的渗透作用下发生物理冲蚀和化学反应。考虑试验过程水流从帷幕体中流过的实际情况，采取有水压和无水压两种工况。其中，无水压工况采取自由渗透的方式进行；有水压工况对混凝土抗渗试验的渗透试验方法进行调整，使高压情况下持续有水流从帷幕体中间流过并向外渗出，同时收集渗出的水流，对比渗透前后水样。此外，为了模拟非岩溶地区和岩溶地区的区别，选取英安岩和灰岩分别模拟非岩溶地区和岩溶地区。

1 原材料性能及配合比设计

1.1 原材料性能

本次研究采用的原材料包括海螺P.O42.5水泥、灰岩和英安岩加工的人工骨料。其中，水泥密度为3.07 g/cm3，比表面积为308 m2/kg，标准稠度为27.6%，初凝时间162 min，终凝时间262 min，28 d抗压强度50.8 MPa，28 d抗折强度7.7 MPa，安定性合格，水泥化学成分见表1。

试验用骨料自行加工，骨料最大粒径80 mm，母岩分为灰岩和英安岩。分别对灰岩原岩和英安岩原岩进行力学性能检测。结果表明：灰岩干密度2 735 kg/m3，干抗压强度93.5 MPa，饱和抗压强度71.0 MPa，弹性模量均值47.7 GPa，泊松比0.23；英安岩干密度2 613 kg/m3，干抗压强度89.2 MPa，饱和抗压强度66.3 MPa，弹性模量均值46.7 GPa，泊松比0.21。灰岩人工骨料和英安岩人工骨料物理性能均满足DL/T 5144-2015《水工混凝土施工规范》要求。

按照DL 5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》中“2.36碳酸盐骨料的碱活性试验”和“2.37骨料碱活性检验（砂浆棒快速法）”，分别进行灰岩骨料碱活性试验，通过英安岩碱-硅酸盐反应测试其碱活性。试验结果表明：灰岩骨料为非活性骨料，不存在碱-碳酸盐反应和碱-硅酸盐反应；英安岩骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料，当采用25%及以上的粉煤灰掺量时，28 d试件膨胀率小于0.1%。

1.2 配合比设计方案

对于无水压渗透试验，采用拌制的混凝土进行试验。对于混凝土配合比的选择，主要从混凝土抗渗性及层面结合强度考虑，排除其他条件干扰。为保证实现大孔隙率、高渗透性的效果，混凝土配制选取中石和砂的组合，水灰比为1.2，含砂率20%；对于有水压的渗透试验，仅选用粗骨料和水泥浆液模拟灌浆的过程进行试验，石子级配选取中石∶小石=60∶40和100%中石两种情况。两种工况条件下的配合比见表2，3。

2 渗透试验

将拌制成型后的混凝土试件在温度20±2 ℃、相对湿度95%以上标准养护室中养护至28 d，后取出试验整体，分别进行无水压和有水压渗透试验，并定期收集来自帷幕体中渗出的水样。其中，对于无水压工况，水流通过模拟的帷幕体整体，模拟长期渗透过后帷幕被击穿的过程。对于有水压工况，采取增加水压的方式，每8 h逐级增加一级水压至1.0 MPa时测量渗水量，以计算其渗透速度。

2.1 试验方案

2.1.1 无水压状况下试验

（1） 制作铁质圆柱形试件桶，试件桶一端开口一端封闭，桶尺寸为Φ40 cm×80 cm。

（2） 将拌制的大孔隙混凝土分两次装入试件桶中，同时将带有塑料堵头的进水管埋入混凝土中，埋入深度大致为试件桶的中间位置，如图1所示。

（3） 用捣棒将混凝土捣实，待模拟的帷幕体置于静养间48 h后，用一头尖锐的钢筋伸入高压水管中，将塑料小套捅破，并将帷幕体放入混凝土养护室养护28 d。

（4） 连接无压缓慢水流，无压水流由进水管注入试件，自由流出。

（5） 收集从帷幕体中渗出的水流。

2.1.2 有水压状况下试验

（1） 将抗滲仪的试模放置在一块干净的硬纸板上，向其中装入级配比例配置好的粗骨料。

（2） 按照一定稠度比例配制好水泥浆液，快速将水泥浆液加入试件桶中，模拟灌浆过程（低压慢灌）。

（3） 待模拟的帷幕体置于静养间24 h后，将帷幕体放入混凝土养护室养护至28 d。

（4） 对试件进行试验，定期收集渗出的水样（图2）。

2.2 有水压工况下帷幕体渗透试验结果及分析

有水压工况下帷幕体渗透速度计算结果见表4。由表4可知：① 相同水压条件下，随着时间的延长，渗透速度逐渐变小；② 模拟灌浆的方法影响渗透速度的大小，先加骨料后灌水泥浆液的方式渗透速度较小；③ 水灰比越小，渗透速度越小；④ 骨料级配良好，渗透速度越小；⑤ 不同试件同一时间周期，随着施加水压的增大，渗透速度增大；⑥ 英安岩骨料渗透速度低于灰岩骨料渗透速度。

随时间的推移，前期未完全水化的物质在后期逐渐水化，后期水化的硅酸二钙生成较粗大晶体，使结构更加密实。水中一些细小杂质入混凝土中，堵塞渗流通道；水中还存在一些矿物质、离子等，长期

在水流更新状况下可能会与水泥结石或岩石中的某些成分产生化学反应生成细小晶体，发生膨胀而堵塞通道。英安岩骨料为活性骨料，未加入抑制碱骨料反应的粉煤灰等抑制碱活性掺合料，后期碱硅反应会产生微膨胀作用（该过程发生需要较长的时间，短期试验基本无影响）堵塞通道，导致渗流量减少，渗透速度减小。

随着水压的增大，水泥结石内部晶体结构遭到轻微破坏，水流通道得到一定缓解。但随时间推移，渗水量依旧会减少，60 d后的渗透速度基本保持不变。这是由于试件内部晶体基本稳定，少许内部水化反应慢慢堵塞水流通道。混凝土的这种缩小内部裂隙、阻塞水流通道的情况被称为混凝土的自闭合现象［12］。长期1.0 MPa的水压下并无增加渗出水量和渗流通道的现象出现。

由于模拟的帷幕体具有“自闭合”过程，通过冻融方式进行验证。将成型的试块在最初成型后置于2 ℃以下冻融，使混凝土内部产生小裂隙，再进行渗透试验观察混凝土是否产生“自闭合”现象。本次帷幕体“自闭合”现象验证只选用英安岩，冻融造缝结果见表5。

试件成型后先冻融再养护有利于造缝。在先冻融的情况下，随着冻融时间的增加，渗透水量呈现增加趋势，表明此时裂缝的宽度和数量有所增加。而先养护的情况下，随着冻融时间的增加，渗透水量呈现减小趋势，表明裂缝宽度和数量有所减少。由于模拟的帷幕体成型之后，水化反应持续进行，先冻融情况下，即在水化热初期（前7 d）进行-15 ℃冻融试验，帷幕体内部水分还未发生大量的水化热反应或延缓了水化热反应；内部存在大量的小水珠，受到低温影响冻成小冰粒，随着冻融时间的增加，小冰粒数量增加，冻融过后开始养护，导致内部小冰粒开始融化，小冰粒原先存在的位置将会变成水流通道，小冰粒越多，水流通道越多越大，所以渗流量随着时间的增加变大。先养护情况下，初期（前7 d）水泥水化热得到了较为充分的反应，帷幕体内部的剩余小水珠较少，受到帷幕体中小水珠结晶的影响很小，在低温下水泥水化热依旧缓慢进行。因此，随着冻融时间的增加，开始进行渗透的时间滞后，不利于水流通道的形成，导致渗流量减少。

2.3 不同工况下水样试验结果及分析

选用贵阳市生活用水进行渗透试验，对渗透前的水样进行水质分析（表6），并对比后期试验，这样有利于微观粒子的比较。

2.3.1 无水压渗透试验水样

无水压渗透试验是在长期无水压水流的冲蚀下进行，同时选用骨料进行等时间浸泡（对比水样），渗透出来的离子是来自基岩还是帷幕体。灰岩骨料和英安岩骨料帷幕体经过无水压渗透试验后。比对水样分析结果如图3，4所示。

根据图3，4可得出：① 无水压工况下的渗透试验中各离子含量呈先增加后减小的变化趋势，这是

由于混凝土表面存在很多細小微粒，会在水流的浸泡、冲刷中不断流出且含量呈现增加趋势；随着无压水流的不断冲蚀，帷幕体逐渐稳定，流出水样中各离子含量随之逐渐减小。② 渗透前后的水样中SO42-和HCO3-大量减少，说明两种离子在模拟帷幕体中进行了反应，生成其他化合物胶结在帷幕体中，有可能堵塞水流通道［13］。③ 与渗透后水样比较，砂石骨料长时间浸泡试验表明：砂石中离子含量仅有较小的增加趋势且变化可忽略，即单纯浸泡骨料，很难有离子析出。此外，发现SO42-有减少现象，表明微量SO42-和浸泡的骨料可发生反应。

2.3.2 有水压渗透试验水样

根据有水压渗透试验水样分析结果，对灰岩骨料和英安岩骨料帷幕体有压水渗透试验后Cl-和CO32-的变化规律（图5，6）进行分析。

根据图5，6（3组试验）可得出以下结论：① 有水压工况下的渗透试验，除个别特殊点外，各离子含量变化呈现逐渐减小的趋势；有水压工况选择恒定水压，固定的压力会使“帷幕体”受到较均匀压力渗出水流，水质分析呈现的规律性好于无水压工况。② 对比渗透前后的水样，仍发现SO42-和HCO3-大量的减少，表明两种离子在模拟帷幕体中进行了反应，生成其他化合物胶结在帷幕体中，有可能堵塞水流通道。③ 与渗透后水样比较，砂石骨料长时间浸泡试验的水样中未发现CO32-，初步判断帷幕渗流出的离子来自帷幕而非基岩。

3 强度试验

在150 mm混凝土立方体抗压试模中加入中石和中、小石混合的配比，用相同的低压慢灌方式模拟帷幕体养护，等待适当的龄期后取出试验，试验结果见表7。

采用回弹仪对渗透过程中的模拟帷幕体进行抗压强度试验，180 d龄期的灰岩骨料和英安岩骨料模拟帷幕体和试模成型试件（未渗透）抗压强度试验结果如图7所示。

从表7和图7可知：骨料级配良好的模拟试件抗压强度更高，英安岩骨料试件抗压强度普遍高于灰岩骨料。相同龄期条件下，经过长期渗透的模拟帷幕体抗压强度值高于抗压试模成型试件（未渗透），说明在长期水流渗透情况下，水化反应持续进行。

4 微观试验

4.1 XRD和XRF试验

收集试验过程中从帷幕体中渗出的白色絮状物质，将其放置在烘箱中烘干。用XRF和XRD分别进行化学成分分析和晶相分析［3］，XRF试验结果如表8所示，XRD试验结果如图8，9所示。

由XRF和XRD试验结果（表8和图8，9）可知：① 帷幕体中析出物的成分与岩样性质和试验工况相关性不大，主要成分均为CaO和CO2，初步分析来源于帷幕体中的水泥。② 无水压和有水压工况下，帷幕体中渗出的白色絮状物衍射峰几乎一样，且该衍射峰与方解石的衍射峰极为相似。这表明白色絮状物最终生成的是方解石的晶相结构，形成过程如下：Ca（OH）2从帷幕体中渗出，暴露在空气中后被氧化生成CaCO3，形成白色絮状物，CaCO3经过烘箱脱水最后形成三系的方解石结构。③ 岩溶地区和非岩溶地区的试样析出物结构成分一样，表明渗出的离子来自帷幕体而非基岩。

4.2 内部晶相结构分析

通过取芯的方法将试件内部（中心）帷幕体取出，选取未受到破坏且外观良好的试件，分别对先冻融后养护渗透60 d的纯水泥浆液、未冻融渗透180 d的纯水泥浆液和未冻融渗透180 d的骨料与水泥浆液结合体进行XRD晶相内部结构分析。

从XRD的衍射峰可以看出，无论何种情况，衍射峰均呈现一致状态，分析出的物质为Ca（OH）2，表明水质分析渗出的水流为强碱性，水化反应产物为Ca（OH）2，再次证明渗出的离子来自帷幕体而非基岩。

4.3 压汞分析（MIP）

试验采用AUTOPORE Ⅳ全自动压汞仪测定模拟帷幕体的孔隙特征。本次试验样品的压汞试验累积进汞体积微分曲线如图10～12所示。试验主要针对模拟帷幕体经过长期渗透后的浆液材料，选用不同渗透龄期的对比分析试验。

根据各组样品浆体中累积进汞体积以及体积密度数据，可按照公式（1）计算得到经过长期渗透后的硬化浆体孔隙率［13］：

φpore=VTIV×ρbulk×100%（1）

式中：VTIV为累积进汞体积；ρbulk为体积密度；φpore为浆体孔隙率。

本文按照小于5，5～20 ，20～50 ，50～100 ，100～200  nm和大于200 nm的粒径范围，将混凝土孔分为6个等级，对混凝土孔结构孔径分布进行研究，结果见表9。

从压汞试验结果可知：经过60 d和90 d的渗透以后，有害孔隙越来越大，但是再经过长期的渗透到180 d后，有害孔隙有变小或较小增长的过程，表明混凝土存在缩小内部裂隙、阻塞水流通道的“自闭合”现象。

4.4 内部渗流通道观察及分析

通过取芯方法将试件内部（中心）的帷幕体取出，选取未受到破坏且外观良好的试件，按照其组成可分为纯水泥浆液试件和骨料与水泥浆液结合试件。按照其养护方式可分为先冻融后养护再渗透的试件和未冻融长期渗透的试件。采用扫描电子显微镜（SEM）进行镜面晶体结构的观察，观察结果如图13～16所示。

由镜面晶体结构观察结果可知：不论冻融与否，试件晶体镜面结构上都出现大量的晶簇，为水化反应生成的Ca（OH）2结构，其他无明显的区别。对于纯水泥浆液试件和骨料与水泥浆液结合的试件，骨料和水泥浆液发生明显的反应生成Ca（OH）2结构晶簇，且表现的晶簇细小和繁多，有利于混凝土和帷幕体的防渗。

5 结 论

（1） 模拟防渗帷幕渗透试验和微观试验结果分析表明，水利水电工程大坝析出物主要来自帷幕体而非基岩。

（2） 不同介质（岩溶地区或非岩溶地区）灌浆后形成的水泥结石的成分大体相同，帷幕体中析出的白色絮状物质为三系的方解石结构。

（3） 析出物成分与试验工况和岩样性质无关，不管渗透试验是否施加水压力，岩溶地区和非岩溶地区析出物成分差别甚微。

（4） 对混凝土内部孔结构分析表明，在一定的时间内，随着渗透时间的增长，混凝土内部有害孔隙减少，出现水流通道阻塞的“自闭合”现象，防渗帷幕防渗效果会逐渐得以强化。

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（编辑：李 慧）

Simulation test research on seepage of anti-seepage curtain of dams and reservoirs

RAO Chengbiao ，ZHANG Xihe

（Powerchina Guiyang Engineering Corporation Limited，GuiYang 550081，China）Abstract：

In order to study the source of precipitation in the dam foundation and the verandage of the reservoir，the dissolution and corrosion characteristics and loss rules of calcium in curtain cement stone in seepage field of dam foundation under the corresponding hydrochemical environment after reservoir impoundment，and analyzed the composition and structural characteristics of cement stone formed by grouting with different media，the simulated seepage test，strength test and microscopic test of the curtain body under different working conditions were performed.The results showed that the precipitates of dam foundation were derived from curtain body rather than bedrock.The composition of cement stones formed after grouting with different simulated media was roughly the same.For the curtain system with better grouting effect，the curtain cement stone in the seepage field of dam foundation had a continuous self-healing process in the filled fissure under the corresponding hydrochemical environment after the reservoir impoundment，and the anti-seepage effect of the anti-seepage curtain was gradually strengthened.

Key words：

reservoirs and dams； anti-seepage curtain； limestone； dacite； permeability simulation； precipitate analysis

收稿日期：

2022-07-12

作者简介：

饶承彪，男，工程师，主要从事建筑材料方面的工作。E-mail：raochengbiao_gyy@powerchina.cn