堤壩帷幕灌漿效果評價

李維朝，梁 鐸，蔡 紅，房彥梅

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.北京市南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100071）

在堤壩中，防滲帷幕是最常見的防滲處理措施，主要是通過灌漿在壩基中建造一道連續(xù)、完整、小于壩基滲透性、平面上呈條帶狀、立面上形似舞臺上帷幕的防滲結(jié)構(gòu)，其施工流程主要包括鉆孔、沖洗、壓水試驗、水泥制漿、灌漿、封口等［1-3］。由于防滲帷幕完全位于地下，具有隱蔽性，且施工過程中會受到地質(zhì)條件、施工方法、灌漿壓力等條件的影響，導(dǎo)致施工后的帷幕在連續(xù)性、滲透性、完整性等條件上難以滿足原設(shè)計的要求，這就需要對帷幕灌漿效果進(jìn)行評估。

堤壩經(jīng)防滲帷幕處理后，滲漏量及壩基中的滲透比降是灌漿效果評估的主要內(nèi)容。其中滲漏量主要用于評估帷幕的防滲效果，滲透比降用于評估帷幕灌漿后壩基的滲透穩(wěn)定。本文以某實際工程為例，從原位壓水試驗、室內(nèi)滲透穩(wěn)定試驗及基于數(shù)值計算的敏感性分析三方面出發(fā)，分別對透水性、滲透穩(wěn)定性、滲漏量、貫通缺陷影響等進(jìn)行分析，并在這些分析的基礎(chǔ)上對帷幕灌漿效果進(jìn)行綜合分析，并給出全面準(zhǔn)確的評價。

1 工程概況

某均質(zhì)壩壩頂標(biāo)高62.5m，上游壩坡坡比為1∶3，下游壩坡坡比為1∶2.5，坡腳設(shè)有排水體，如圖1所示。壩體和壩基以中細(xì)砂為主，夾雜有卵礫石，滲透系數(shù)為1.0×10-2cm/s，滲透性較好?；鶐r以泥巖和砂巖為主，滲透系數(shù)為2.0×10-5cm/s，滲透性較低。鑒于壩體滲透性較好，為防止蓄水后滲漏嚴(yán)重，在壩體的上游坡鋪設(shè)土工膜，并在上游壩趾附近進(jìn)行帷幕灌漿，灌漿后的帷幕貫穿整個壩基，穿入基巖，如圖1所示。

灌漿區(qū)上方存在倒虹吸和退水渠的混凝土結(jié)構(gòu)。實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌漿壓力較大時，會導(dǎo)致灌漿區(qū)上方的倒虹吸和退水渠抬升，從而有可能會對倒虹吸和退水渠的混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷，因此在施工過程中會對灌漿壓力進(jìn)行控制。原設(shè)計中，帷幕灌漿后的透水率為5Lu?？刂乒酀{壓力后，帷幕的灌漿效果會受到相應(yīng)影響，難以滿足設(shè)計要求。這就需要對此狀態(tài)下的防滲帷幕灌漿效果進(jìn)行綜合評價，從而判斷此狀態(tài)是否可以安全使用。

2 壓水試驗分析

為了檢查大壩防滲帷幕的灌漿效果，在F1和F2豎井內(nèi)分別布置6個和7個檢查孔，在兩豎井之間布置3個檢查孔（圖2），合計16個檢查孔來分別進(jìn)行靜力和泵壓壓水試驗。檢查孔的布置參照了灌漿孔的布置方式，且與相應(yīng)位置灌漿孔相平行。這樣布置的壓水試驗檢查孔與原有注漿孔基本成平行布置，考慮了灌漿的整個斷面，可以起到檢查帷幕整個斷面灌漿效果的目的。

圖3為依據(jù)壓水試驗得出的帷幕灌漿斷面單位透水率等值線圖，從中可以看出：（1）檢測范圍內(nèi)的單位透水率大于原設(shè)計值5Lu，大部分位于10～20Lu之間，局部甚至略高于20Lu；（2）F1豎井右下方和F2豎井下方的單位透水率略大于其它位置，最大值超過20Lu；（3）兩豎井之間位置的單位透水率相對小于兩豎井下方，主要介于10～16Lu之間；（4）單位透水率換算成滲透系數(shù)后，各檢查孔滲透系數(shù)基本在（1～2）×10-4cm/s之間，但局部超過3×10-4cm/s，最大部位達(dá)到4×10-4cm/s。

3 壩基材料滲透穩(wěn)定試驗分析

3.1 滲透破壞分析 壩基材料滲透穩(wěn)定試驗分析的目的是依據(jù)地勘和豎井開挖期間的材料顆粒組成，選擇具有代表性的材料進(jìn)行滲透穩(wěn)定性試驗，提出材料的滲透系數(shù)和允許抗?jié)B比降，為判斷地基的整體滲透穩(wěn)定提供依據(jù)。該試驗在直徑為0.3m的大型垂直滲透變形儀中進(jìn)行，筒身為透明有機(jī)玻璃板，可以直接觀察試驗現(xiàn)象，進(jìn)出口和中間均設(shè)有測壓管，可以量測試樣實際承受的水頭。

表1為砂礫石料的滲透及滲透變形試驗成果，從中可以得出如下結(jié)論：（1）砂礫石料1的滲透系數(shù)為2.58×10-2cm/s，砂礫石料2的滲透系數(shù)為3.24×10-2cm/s，砂礫石料3的滲透系數(shù)為6.06×10-4cm/s，砂礫石料4的滲透系數(shù)為8.80×10-1cm/s，4種砂礫石料的滲透性差異較大，最大最小相差約3個數(shù)量級。（2）4種砂礫石料的臨界水力比降位于0.20～0.53之間，破壞水力比降位于0.24～1.35之間，變動的幅度較大。（3）砂礫石料1和砂礫石料2的滲透破壞型均為過渡型，砂礫石料3的滲透破壞型為流土型，砂礫石料4的滲透破壞型為管涌型。

表1 砂礫石料滲透及滲透變形試驗結(jié)果

3.2 粉細(xì)砂與砂礫石之間的層間關(guān)系分析 圖4為利用砂礫石料顆粒分析曲線繪制的級配范圍。從顆分曲線可知，砂的不均勻系數(shù)為2.2，d85=1.0mm。豎井位置砂礫石料的上包線D15=0.32mm，平均級配D15=0.45mm，下包線的D15=2.8mm。

根據(jù)規(guī)范［4］初步判斷，這兩種材料之間的層間關(guān)系滿足反濾要求，如式（1）所示。這表明二者之間關(guān)系密切，砂層不會有滲透穩(wěn)定問題。

4 灌漿效果數(shù)值評價

壓水試驗表明灌漿后的透水率高于設(shè)計值。鑒于工程的重要性和帷幕灌漿的隱蔽性，灌漿后帷幕的滲透性及帷幕中有無存在貫通性缺陷對滲流場的影響最為重要，因此基于巖土工程中常用的滲流數(shù)值模擬商業(yè)軟件SEEP/W，就帷幕的作用效果及灌漿中潛在缺陷對滲流的影響進(jìn)行了敏感性分析。

4.1 水力比降及浸潤線位置影響分析 在壩體中，浸潤線的位置會直接影響到壩坡的穩(wěn)定性，水力比降會影響壩體的滲透穩(wěn)定性，因此通過壩體和壩基中的浸潤線位置及其水力比降對大壩帷幕灌漿后的效果進(jìn)行敏感性分析，可以了解帷幕灌漿效果對大壩穩(wěn)定性的影響。

圖5—圖9分別為壩體在灌漿前、不同帷幕滲透系數(shù)（分別為1.8×10-3cm/s、1.8×10-4cm/s、1.8×10-5cm/s）和帷幕中有貫通缺陷時的浸潤線位置和水力比降分布。通過對比可以看出：

（1）無灌漿時的浸潤線位置及水力比降分布與灌漿后有著顯著的差別。無灌漿時，浸潤線由上游至下游光滑下降，而灌漿后，浸潤線會在帷幕處出現(xiàn)驟降；無灌漿時，水力比降分布相對均勻，上游側(cè)由左向右逐漸增加，下游側(cè)由左向右逐漸減小，呈中間高兩側(cè)漸遠(yuǎn)漸小的變化趨勢，而灌漿后，帷幕下游側(cè)壩基內(nèi)的水力比降大幅減小，水力比降的變化主要位于帷幕內(nèi)，且帷幕內(nèi)水力比降數(shù)值較大。

（2）對比帷幕在不同滲透系數(shù)下的浸潤線位置和水力比降分布可以看出，帷幕滲透系數(shù)數(shù)量級在10-4和10-5cm/s時的浸潤線位置和水力比降分布相似，而滲透系數(shù)數(shù)量級在10-3cm/s時，帷幕下游浸潤線明顯抬升，水力比降分布也產(chǎn)生了明顯變化，與無帷幕時的情況接近。這表明帷幕滲透系數(shù)降低至一定程度時，滲透系數(shù)的降低對浸潤線位置和水力比降分布的影響降低。

（3）與完整灌漿的帷幕相比，當(dāng)灌漿帷幕中存在貫通性缺陷時，帷幕下游側(cè)浸潤線的位置抬高，貫通區(qū)砂層附近水力比降分布有顯著的變化，且存在較高的水力比降。本計算中砂層水力比降值最高達(dá)到4，但顆粒分析表明細(xì)砂與砂礫石間滿足層前關(guān)系，因而不會產(chǎn)生滲透破壞。

4.2 滲漏量影響分析 帷幕中出現(xiàn)貫穿性缺陷的厚度與滲漏量的大小有著緊密的關(guān)系，但此厚度在實際中往往難以確定，因此本文僅對帷幕不同數(shù)量級滲透性條件下的滲漏量進(jìn)行了計算評估。

圖10為單寬滲漏量與帷幕滲透性的敏感性雙對數(shù)分析圖，從中可以看出，帷幕灌漿后滲透系數(shù)越高則單寬滲漏量越大，但當(dāng)帷幕滲透系數(shù)大到一定程度時，單寬滲漏量的增幅減小。

5 結(jié)論

本文以某實際工程為例，從原位壓水試驗、室內(nèi)滲透穩(wěn)定試驗及基于數(shù)值計算的敏感性分析三方面出發(fā)，對灌漿后透水率不滿足設(shè)計要求的防滲帷幕進(jìn)行了綜合分析，并得出如下結(jié)論：（1）帷幕灌漿后，當(dāng)滲透性降低到一定程度時，滲透性的降低雖然對大壩的滲漏量還有一定的影響，但對大壩內(nèi)浸潤線和水力比降的分布影響較小。因此在帷幕灌漿中，當(dāng)在灌漿后的滲漏量滿足要求的條件下，可以不必強(qiáng)求帷幕的滲透性降低到過低的指標(biāo)。（2）在砂層中進(jìn)行帷幕灌漿后，當(dāng)帷幕中存在貫通性的缺陷時，缺陷位置的砂層會承受較大的水力比降，存在滲透破壞的可能性。因此針對帷幕中可能存在貫通性缺陷的情況，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行滲透破壞試驗評估。本實例中，因細(xì)砂與砂礫石間滿足層間關(guān)系，所以滲透穩(wěn)定。（3）本文就灌漿效果對滲流影響的敏感性進(jìn)行了分析，可給大壩帷幕灌漿效果后評價提供有益的借鑒。

［1］孫釗.大壩基巖灌漿［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［2］孝臣，盛金昌，何淑媛，等.防滲帷幕隨機(jī)缺損的模擬及對壩基滲流的影響［J］.河海大學(xué)學(xué)報，2009，37（5）：582-585.

［3］王立彬，畢明亮，許小東.深厚砂礫石層防滲帷幕灌漿施工技術(shù)［J］.災(zāi)害與防治工程，2009（1）：68-71.

［4］SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.