某水库大坝挡水坝段坝后渗漏探测及有限元分析★

杨 磊，刘冠英，李毕德

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003; 2.黄河水利委员会三门峡水利枢纽管理局,河南 三门峡 472099)

0 引言

混凝土坝坝体渗漏是一种常见现象,对于运行年代长久坝段尤为突出。坝体渗漏虽然常见,但是影响混凝土坝安全的重要因素之一,如不及时处理,长期渗漏会使坝体内裂缝增大,严重的会造成骨料流失,形成渗漏通道,降低混凝土坝的力学性能,甚至会威胁到大坝安全运行[1-2]。因此,进行大坝的渗漏探测、定位坝体渗漏位置并采取合理防渗措施对大坝发挥正常社会效益具有重大意义[3]。

但要准确地进行渗漏探测,首先应该对渗漏机理及成因有一定认识。混凝土坝产生渗漏的主要原因：一是混凝土抗渗性能较差,其主要是因为建设期间存在质量缺陷,包括设计不合理、施工填筑材料不佳、碾压不密实等[4-5];二是坝体横缝止水设施质量差或漏埋、浇翻、浇空,以及坝体沉降变形、隆起、混凝土材料老化、钢筋锈蚀等[6]。

本文对某水库大坝2号—5号挡水坝段515 m高程坝后进行渗漏探测,采用自然电位法探测坝前渗漏入水口[7],采用钻孔取样、压水试验、井下电视、跨孔声波、单孔声波及注水试验等探测坝体内渗漏路径及渗漏集中区,找出坝后渗漏原因[8]。

1 工程概况

某水库是一座以防洪为主,灌溉、发电、供水等综合利用的大(Ⅰ)型水利枢纽工程。水库大坝为混凝土重力坝,由两岸挡水坝段、溢流坝段、电站坝段和底孔中孔泄流坝段及坝后式电站厂房和敷设于坝内的引、泄流孔道组成,共分为21个坝段。坝顶高程553.0 m,坝顶长315 m,最大坝高125.0 m,一般坝顶宽为16.5 m,最大19.0 m,最小13.0 m,大坝最大底宽131.0 m。某水利枢纽工程按千年一遇洪水设计、万年一遇洪水校核,水库设计洪水位548.55 m,校核洪水位551.02 m,正常高水位534.80 m,极限死水位495.00 m,水库总库容11.75×108m3,其中兴利库容5.10×108m3。近年来,当水库坝前水位高于523 m时,2号—5号挡水坝段坝后515 m高程附近横缝及水平缝出现局部渗漏水现象,其现场图如图1所示。

2 探测方法

2.1 探测步骤

针对2号—5号坝段渗漏现状,制定探测工作步骤：在坝后渗漏位置对应桩号范围内的坝前迎水面布置自然电位法测线,探测坝前渗漏位置;在520 m高程廊道内及下游坝面515 m高程以上进行钻孔取样。廊道内每个坝段布置3孔,钻孔命名为ZK+坝段号(1,2,3);下游坝面混凝土各坝段布置3孔,钻孔命名为WZK+坝段号(1,2,3)。廊道内钻孔主要检查坝体内部孔隙、裂缝分布,并判断与渗漏出口的连通性;下游坝面钻孔主要检测混凝土力学性能。钻孔钻进中分段进行压水试验,冲孔后进行井下电视检测、声波探测及注水试验。结合工程地质、设计、施工、测量、试验等资料,并以现场检测结果为主,进行综合分析判断,最后给出挡水坝段坝后渗水原因。

2.2 方法选择

2.2.1 自然电位法

坝前渗漏隐患探测采用自然电位法,利用形成电场的条件,通过检测过滤电场的电位,确定地下水流向及水流的位置判断渗漏部位。过滤场又称渗漏场,是由水的过滤作用产生的电场。当水透过岩土介质时,由于介质的过滤活动性而产生过滤电位,它们与介质孔隙空间的构造、孔度系数、渗透系数、过滤液体的化学成分及矿化作用有关。本次检测采用WDA-1数字直流电法仪作为测试主机,配合固体不极化电极开展现场探测,如图2所示。

2.2.2 钻孔取样

钻孔放样前结合施工图纸,避开坝体内部管线、钢筋、监测设备等。2号—5号坝段廊道内布置12个钻孔,钻孔直径110 mm,钻孔深度6 m,钻孔高程514 m～520 m;对应的下游坝面515 m高程以上布置12个钻孔,钻孔直径110 mm,钻孔深度0.5 m。钻孔取芯率不小于90%,弯曲度小于10°/(100 m),工程结束后按规范要求及时进行封孔。廊道内钻孔采用30型钻机,钻头为金刚石钻头;下游坝面钻孔采用便携式钻机。

2.2.3 井下电视

钻孔光学成像可用于直接观测坝体混凝土内部质量,检测钻孔裂缝、空洞、不密实区等。在测试前先对钻孔充分冲洗,去掉孔壁杂质及附着物,确保水体清澈透明。本次检测工作采用RS-TV02钻孔电视仪,见图3。该仪器通过主机平板以无线方式操控绞车,探头采用数字高清摄像头,成像清晰度为1 440 P,绞车电缆为半自动排线,采用直流或交流供电,现场边采集边保存,采集完成后进行图像拼接,可显示平面展开图。测试自上而下进行,电缆匀速下放,控制升降速度为1 m/min～2 m/min,每隔1 m进行深度校正。

2.2.4 单孔声波

检测利用“一发双收”探头和声波仪测试混凝土声波波速。其工作方法如图4所示：发射换能器T至接收换能器R1间的距离为L,称其为“源距”;接收换能器R1与接收换能器R2间的距离为ΔL,称其为“接收间距”。当一发双收换能器T置于岩体或混凝土钻孔的中心发射的声波,满足入射角等于第一临界角的声线,在岩体或混凝土孔壁的声波折射角将等于90°,即声波沿着钻孔孔壁滑行,然后又分别折射回孔中,由接收换能器R1和R2分别接收。本次检测采用WSD-2A数字声波仪,探头源距30 cm,接受间距20 cm,如图5所示。

2.2.5 跨孔声波

跨孔声波的检测方法也称为穿透声波法。其检测原理与单孔声波相同,检测目的用于了解孔间岩体质量。对垂直孔而言,检测对缓倾斜角结构面、裂隙等反应灵敏。检测时是将收、发换能器分别置于两个钻孔中,观测系统如图6所示。发射换能器F激发的声波穿透岩体到达传收换能器S,通过声波仪读出首波的到达时间t。由于F,S在孔中的位置已知,根据F,S点坐标,算出两点间的空间距离L,便可得出两点之间岩体的声波速度,如式(1)所示：

Vp=L/t

(1)

然后再根据声波速度评价两孔之间的岩体质量。跨孔声波检测采用仪器与单孔声波相同,探头直径40 mm,发射频率为20 kHz。探头如图7所示。

2.2.6 压水试验

依据SL 31—2003水利水电工程钻孔压水试验规程[9]有关要求,对2号—5号坝段12个钻孔均开展压水试验,试验随钻孔加深自上而下采用单栓塞分段隔离进行,每孔进行2段压水试验,试段长度为3 m。当试段埋深较浅时,宜适当降低试验压力;当试段漏水严重时,不能满足规定压力时,不再进行试验。

3 探测布置及成果分析

3.1 探测布置

探测布置包括测线布置和孔位布置。坝前渗漏检测采用自然电位法,在垂直于坝轴线方向布置一个不极化电极N作为无穷远极,以另一个不极化电极作为M极。探测过程中M极沿测线移动,在每个测点位置停留稳定后,利用主机测量MN间的自然电位并记录。现场共布置测线4条,编号分别为测线1—测线4。测线位于2号—6号坝段,均在坝前平行于坝轴线布置起点为大坝桩号0+021 m,终点为大坝桩号0+098 m,所在高程分别为517.6 m,515.6 m,513.6 m,511.6 m。测线点距1 m。测线统计表如表1所示,布置示意图见图8。现场钻芯取样布置如图9所示。

表1 自然电位法测线统计表

3.2 成果分析

3.2.1 自然电位法

自然电位法的探测成果为自然电位曲线。测线1—测线4的探测成果见图10,图10中纵轴为自然电位的测值,单位mV,横轴为距离,单位m,0点为1坝段和2坝段分缝。从图10中可以看出,不同高程上的各条测线所测得的自然电位比较一致,从2坝段至6坝段总体呈从高到低的趋势,在距离零点47 m～65 m的范围内(大坝桩号0+063—0+074,4号—5号坝段横缝位置)自然电位有陡增陡降的现象,推测该范围内有存在渗漏现象。

3.2.2 钻孔取样

2号—5号坝段坝体内部混凝土对应混凝土强度等级C13,下游坡外部混凝土对应混凝土强度等级C18。根据SL/T 352—2020水工混凝土试验规程相关要求[10],开展2号—5号坝段混凝土抗压强度试验。520廊道内单孔选取1组3个芯样,共计12组36个芯样,下游坝面515 m高程各坝段选取3个芯样组成1组强度试验芯样,混凝土芯样截取长径比为1∶1。经试验,2号—5号坝段廊道混凝土抗压强度实测值范围18.60 MPa～35.96 MPa,下游坝面混凝土抗压强度实测值范围为20.44 MPa～40.20 MPa,满足设计混凝土强度要求。混凝土抗压强度试验成果见表2。

表2 2号—5号坝段廊道及下游坝面混凝土抗压强度试验成果统计表

3.2.3 井下电视

根据钻孔情况,2号—5号坝段520廊道共布置钻孔全景光学成像测孔12个。根据SL/T 291.1—2021水利水电工程勘探规程 第1部分：物探有关要求[11],对全景光学成像实测资料进行了处理,并输出了各测孔的成果图件,2号—5号坝段高程520 m廊道钻孔电视检测结果见表3,混凝土质量缺陷典型图像如图11所示。

表3 2号—5号坝段高程520 m廊道钻孔电视检测结果表

3.2.4 单孔声波

根据钻孔情况,2号—5号坝段廊道共布置单孔声波测孔11个,其中钻孔ZK4-2因漏水严重,不具备检测条件,未开展检测。根据SL/T 291.1—2021水利水电工程勘探规程 第1部分：物探相关要求,对单孔声波实测资料进行了处理,2号—5号坝段520 m廊道单孔声波成果统计见表4,并对检测数据进行处理,典型测孔检测成果见图12。

3.2.5 跨孔声波

根据现场检测实际,共布置8个检测剖面,跨孔声波检测布置及成果统计表见表5。对检测数据进行处理,典型钻孔之间成果见图13。

3.2.6 压水试验

查阅相关资料,坝体内部混凝土标号为R90150S4DW,坝顶及下游坡外部混凝土标号为R90200S4D50,参考混凝土渗透系数与抗渗标号换算经验公式,抗渗标号S4换算渗透系数≈0.783×10-8cm/s。依据SL 31—2003水利水电工程钻孔压水试验规程有关要求,2号—5号坝段12个钻孔均开展压水试验,每孔进行2段压水试验,试段长度为3 m。经计算,2号—5号坝段渗透系数范围均位于n×10-6cm/s～n×10-5cm/s,且钻孔ZK3-1,ZK4-2,ZK4-3和ZK5-1部分孔段因渗水严重,水泵供水无回水压力,无法开展试验。各坝段透水率和混凝土渗透系数见表6。检测结果表明,2号—5号坝段混凝土抗渗不满足设计要求。

表5 2号—5号坝段廊道跨孔声波检测布置及成果表

3.2.7 注水检查

根据压水试验、井下电视、单孔声波、跨孔声波等初步检测结果显示,3号、4号、5号坝段520 m廊道下混凝土存在明显缺陷,与下游坝坡存在渗漏通道可能性较大。钻孔检测时,库区上游水位较低,下游无出渗现象。为验证上述猜想,对3号、4号、5号坝段520 m廊道钻孔进行注水检查。

表6 2号—5号坝段高程520 m廊道压水试验成果统计表

8月15日8时,5号坝段开始注水检查。当ZK5-3钻孔开始注水时,ZK5-1,ZK5-2钻孔内水位明显上升,表明钻孔间混凝土内存在渗漏通道;ZK5-1,ZK5-2和ZK5-3钻孔先后注满水后停止注水,钻孔水位均下降明显,10 min后孔内水位基本稳定无明显变化;隔日检查发现下游坝面515 m高程、4号—5号坝段横缝附近出现明显窨湿现象,表明5号坝段高程520 m廊道以下沿下游方向混凝土与坝后坡存在渗漏通道,见图14。

4号坝段ZK4-1,ZK4-3先后注满水后停止注水,孔内水位无明显变化,隔日检查坝后无明显窨湿现象;ZK4-2注水2 h未注满,且注水时孔内间隔性传出“轰隆隆”声,经检查孔内注水从高程494 m廊道4号坝段下游侧壁流出,表明4号坝段高程520 m廊道和高程494 m廊道之间混凝土存在垂向渗漏通道,见图14。

3号坝段ZK3-1,ZK3-2和ZK3-3先后注满水后停止注水,孔内水位无明显变化,隔日观察坝后无明显渗水现象。

4 坝体渗流有限元分析

查阅相关资料,2号—5号坝段高程515 m～521 m范围内混凝土采用“金包银”碾压混凝土施工,515 m高程附近为常态混凝土与碾压混凝土接触面。为研究此状态下大坝渗流场特性,利用ABAQUS有限元软件,建立大坝数值模型。

4.1 模型原理

ABAQUS中专门设有孔压单元,较常规应力位移单元多一个孔隙水压自由度,能够方便进行渗流分析[12]。根据渗流基本原理和基本方程,当渗流方向与总体坐标一致时,可以得到其二维平面渗流场,其渗流基本微分方程为：

(2)

当水和土体不可压缩时,即Ss=0,式(2)就变为各向异性二维稳定渗流基本微分方程,即为Dancy定律：

(3)

4.2 模型建立及参数选取

在工程概况资料基础上,利用ABAQUS有限元软件建立大坝典型坝段几何模型。因为不同坝段在垂直方向上混凝土类型分布相同,所以选择建立二维平面模型进行分析,典型坝段选取5号坝段桩号0+076断面,典型断面图如图15(a)所示,坝段混凝土分为：Ⅰ-坝外混凝土、Ⅱ-常态混凝土、Ⅲ-碾压混凝土;网格划分图如图15(b)所示,典型断面节点数13 189,单元数12 927,单元类型为CPE4P(平面应变4节点孔压单元);参数选取主要为渗透系数,详细参数见表7。其中,碾压混凝土渗透性呈正交各异性,表现为水平渗透系数大于垂向渗透系数[13],垂向渗透系数ky取与常态混凝土相同,水平方向渗透系数取kx=ky×102。

本文主要对坝体下游开始出渗水位及正常运行水位开展渗流场特征参数分析。其中,工况①：下游开始出渗时库区上、下游水位分别为523 m、无水;工况②：正常运行水位上、下游水头分别为534.80 m、无水。

表7 5号坝段坝体混凝土系数参数表

4.3 模拟计算结果

4.3.1 孔隙水压力

图16给出了不同工况条件下的孔隙水压力分布云图。由图16可知,坝段孔隙水压力随高程依次降低,呈层状分布;随着库区上游水位升高,浸润线位置随之升高;当上游水位为523 m时,下游坝段浸润线位置位于515 m高程附近。

4.3.2 流速矢量

流速矢量图可以观察不同工况条件下坝体内部流速分布及流动方向。图17为各工况下坝体内流速云图,结果表明各工况下碾压混凝土与常态混凝土交界处流速最大,且最大流速随上游水位增大而增大,当上游水位是523 m时,最大流速为1.33×10-6m/s,当正常高水位运行时最大流速为3.07×10-6m/s。此外,由于上部介质吸力作用,少部分水穿过浸润面进入非饱和区。

4.3.3 总水头分布

坝段整体总水头分布即等势线图,而等势线之间的间隔为水力坡降,5号坝段总水头分布云图详见图18。计算结果表明各工况情况下,下游坝坡最大水力坡降分别为0.377,0.402,而混凝土水力坡降允许值[i]=50～60,计算值远小于规范允许值,不会发生渗流破坏。但鉴于下游515 m高程为结构纵缝,受混凝土保护作用较小,且流速矢量图显示下游坝坡混凝土交界处为主要渗流区域,随着大坝长时间运行,下游515 m高程结构纵缝存在渗水风险。

5 渗漏异常区域分析

根据上述检测结果,得出如下渗漏异常区域：1)大坝桩号0+063 m～0+074 m(4号—5号坝段横缝位置)、高程511.6 m～517.6 m范围内存在渗漏异常,推测4号—5号坝段横缝止水设施破损,为渗漏入水口;2)2号、3号坝段部分区域存在混凝土缺陷现象,但不同钻孔之间混凝土及垂直方向未出现渗漏异常现象;3)4号坝段桩号0+047.5 m—0+052.5 m、高程517.40 m～519.5 m范围内混凝土存在振捣不密实、离析、空洞现象,且注水试验证明4号坝段桩号0+047.5 m—0+051.3 m、高程495.30 m～517.40 m存在垂向渗漏通道;4)5号坝段桩号0+065.3 m～0+071.2 m、高程517.90 m～519.4 m范围内混凝土存在振捣不密实、离析、空洞现象,注水试验表明5号坝段钻孔之间混凝土存在平行于坝轴线的渗漏通道,桩号范围为0+064 m—0+071.2 m。坝体渗漏异常区域详见图19,本图大坝底部高程为510 m。

6 结论

通过自然电场法、钻孔取样、井下电视、单孔声波和跨孔声波等方法对某水库大坝2号—5号挡水坝段进行了渗漏位置及混凝土质量检测,并通过ABAQUS有限元软件对典型坝段进行建模计算,并分析坝体内流场及流速分布,最终得出下游坝坡515 m高程渗水原因：当库区水位较高时,坝前水体通过4号—5号坝段横缝进入坝体;水体通过横缝深入坝体后,由于坝段内常态混凝土抗渗性能不足,横缝渗水在坝内向下游扩散,根据有限元分析结果,渗水易趋向于从碾压混凝土和常态混凝土交界面流出,最终引起坝后515 m高程附近内以横缝为中心,向两侧纵缝出渗现象。