某大壩右岸覆蓋層內(nèi)滲流性狀和防滲缺陷分析

呂高峰，王玉潔，朱錦杰，張 猛

(國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 310014)

1 工程概況

某大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩基開挖高程2530.00 m，壩頂高程2654.80 m，防浪墻頂高程2656.00 m，最大壩高124.5 m，壩頂寬14 m。

大壩河床及右岸由第四紀(jì)堆積層組成，其右岸覆蓋層最大深度達(dá)420 m。第四紀(jì)堆積層主要由中、上更新統(tǒng)卵礫石層、粉質(zhì)壤土及塊碎石組成，具有不同程度的液鈣質(zhì)弱膠結(jié)作用和超固結(jié)壓實作用，結(jié)構(gòu)緊密，具有成巖特征。該堆積層自下而上有5個巖組構(gòu)成。①第一巖組為弱膠結(jié)卵礫石層，最大厚度超過100 m，具有一定的透水性，該層上、下分別由透水性較弱的第二巖組覆蓋和一層深灰色塊碎石土層頂托，從而使該層內(nèi)的地下水具有埋藏深、承壓水頭高、動態(tài)穩(wěn)定等特點，且不與基巖裂隙承壓水直接發(fā)生交換。②第二巖組是壩址深部一巖組承壓水的隔水層，自壩址向上、下游延伸均達(dá)1.3～1.5 km，厚度自上游往下游逐漸變厚。向上游105 km附近基本尖滅，往右岸盆地中心延伸約600 m逐漸減至尖滅，并與上部第三巖組粉質(zhì)壤土層相搭接。③第三巖組是弱膠結(jié)卵礫石層與粉質(zhì)壤土互層，屬弱透水層。該層中的含礫粉質(zhì)壤土層進(jìn)入壩體后開始出現(xiàn)，到壩軸線以后逐漸密集，而卵礫石層壩體下游尖滅。④第四巖組是弱膠結(jié)卵礫石層，透水性在5個巖層中相對較大，分布于右岸壩肩一帶，在壩址處出露高程為2500～2560 m。⑤第五巖組為粉質(zhì)壤土夾含炭化植物碎屑層，分布于2650 m高程以上谷坡一帶。

考慮大壩右岸防滲問題，大壩右岸防滲壩0+343.500～壩0+610.000段采用“防滲墻+帷幕灌漿”處理，防滲墻最大深度約140 m，帷幕深入基礎(chǔ)相對隔水第二巖組內(nèi)5.0 m以上。防滲墻厚1.0 m，墻體分廊道上、下兩段，上層墻從壩肩分臺階施工，下層墻為廊道內(nèi)劈槽成墻;墻下為3排帷幕灌漿，最大帷幕深度120余m。壩0+610.000～壩0+710.000段右壩肩深厚覆蓋層繞滲區(qū)采用“懸掛式防滲墻”處理，墻體深入第三巖組一定高程下的粉質(zhì)壤土內(nèi)，為臺地上劈槽成墻，墻厚1.0 m，墻底高程約為2561 m，墻深78.5 m。

根據(jù)建壩蓄水后壩址區(qū)地下滲流場分析，右岸8號溝上游山坡的浸潤面偏高，右岸山坡的抗滑穩(wěn)定不能滿足要求，在右岸山體下游2561.00 m高程布置了一條長約300 m的排水廊道，沿廊道全線布置垂直向Φ100 mm排水孔，孔距3.0 m。同時，結(jié)合右壩肩廊道內(nèi)防滲墻施工需要，右岸還布置了兩條交通廊道，并在排水廊道下游80 m范圍內(nèi)的兩條交通廊道內(nèi)水平布置Φ100 mm排水孔，孔距3.0 m。

2 滲水性狀分析

2.1 滲水來源

為了監(jiān)測右岸滲流量，在1、2號交通廊道排水溝內(nèi)分別設(shè)置2個量水堰(1號交通廊道WE3－1和WE3－2、2 號交通廊道 WE4－1 和 WE4－2)。其中1 號交通廊道WE3(WE3－1、WE3－2之和)所測為壩0+440.00以左排水廊道和施工廊道滲漏量;2號交通廊道 WE4(WE4－1、WE4－2之和)所測為壩 0+440.00以右排水廊道和施工廊道滲漏量。在8號溝設(shè)置2個量水堰(WE7和WE8)，其中，WE7監(jiān)測8號溝靠近壩體側(cè)滲流量，WE8監(jiān)測其近右岸側(cè)滲流量。圖1是右岸施工排水廊道滲漏量測值過程線。

由圖1可知:

(1)WE3、WE4、WE7和WE8的滲漏量與庫水位呈明顯的正相關(guān)，庫水位對滲漏量影響很大，庫水是施工排水廊道滲漏的主要來源。因施工期間就已發(fā)現(xiàn)排水廊道內(nèi)有較大流量，地下水也是WE3、WE4滲流量的來源。WE7的滲漏量在庫水位降落到一定高程后趨于零，而WE8依舊有一定的滲漏量。從現(xiàn)場情況看，WE8所測滲漏量包含部分8號溝右側(cè)坡(遠(yuǎn)離庫水一側(cè)山坡)的地下水，因此，地下水對右岸8號溝滲漏量也有一定的影響。因當(dāng)?shù)亟涤贻^多，降雨對右岸8號溝總滲漏量也有一定的影響。

(2)截止到2014年3月7日，WE3的最大測值為4.17L/s，WE4的最大測值為137.36L/s，且滲漏量主要集中在量水堰WE4－1。說明壩0+440.00以左排水廊道和施工廊道滲漏量很小，滲漏量主要集中在壩0+480.00以右排水廊道。

2.2 滲水路徑

為了解蓄水過程和運行期防滲體下游地下水位的變化及繞壩滲流的途徑和態(tài)勢，在右岸灌漿帷幕端頭和下游岸坡，選擇適當(dāng)位置分別布置20個地下水位孔。地下水位孔布置和其2013年11月26日測值分布見圖2。

圖1 量水堰滲漏量過程線

圖2 大壩右岸岸坡水位孔2013年11月26日測值分布(單位:m)

由圖2可知:

(1)水位孔測值整體上呈現(xiàn)從上游向下游遞減，右岸向壩體方向遞減的規(guī)律，GC07位于7號沖溝內(nèi)，測值非常接近上游庫水位，由于排水廊道上游側(cè)的GC12和GC13位于第三巖組，其滲透系數(shù)較大，因排水廊道的排水作用，導(dǎo)致其測值小于排水廊道下游側(cè)的GC08和GC16;另一方面，GC07～GC09測值整體上呈現(xiàn)從上游到下游的遞減。說明庫水通過防滲墻右側(cè)的7、8號溝進(jìn)入下游的可能性極大。

(2)位于壩0+543.50的GC11測孔測值明顯大于其左右兩側(cè)測孔GY4、GC6，說明壩0+543.50附近防滲墻存在較為明顯的滲漏現(xiàn)象，且該孔正對下游側(cè)的排水廊道內(nèi)的排水孔滲漏量較大，該孔位置與雷達(dá)探測結(jié)論中疑似滲漏的樁號段0+503～0+516非常接近。

2.3 滲流穩(wěn)定

根據(jù)鄰近水位孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算鄰近水位孔的平均滲透坡降，靠近排水廊道的水位孔，根據(jù)水位孔到排水廊道的最近距離和假定孔口出逸計算排水廊道出逸滲透比降，根據(jù)靠近地表出逸點的水位孔數(shù)據(jù)和出逸點高程計算出逸點滲透坡降。計算表明:

(1)各水位孔之間平均滲透坡降最大值整體都很大，對邊坡穩(wěn)定不利。

(2)根據(jù)靠近排水廊道的水位孔計算得到的排水廊道滲透坡降測值整體較大，尤其是GC08平均滲透坡降最大值達(dá)到了1.80，已超過該部位所處的第四巖組的允許滲透坡降(允許滲透坡降為1.0～1.1)，出逸位置靠近前期滲水含沙量較大的排水孔X1、X3和X61。從前期運行情況看，X61排水孔(壩0+486.00、攔0+132.40)分別于2008年12月3日、18日兩次出現(xiàn)渾水現(xiàn)象，渾水呈青灰色，其中含大量粉土、粉細(xì)砂和少量腐植質(zhì)，可能還含部分水泥。

(3)GC03與滲漏點S06的最大滲透坡降為1.14，滲透坡降也較大。下游滲漏點S06處于第四巖組，其允許滲透坡降在1.0～1.1，計算的滲透坡降是兩孔間平均滲透坡降的最大值，局部滲透坡降最大值還要高于計算值，滲漏點易產(chǎn)生滲透破壞。

結(jié)合現(xiàn)場查看情況看，右岸邊坡局部破壞較為嚴(yán)重(局部混凝土預(yù)制塊下回填的砂卵石、反濾層及原本的堆積體都已被嚴(yán)重掏空，局部漿砌石擋墻被護(hù)坡嚴(yán)重擠壓變形)。反濾層和外側(cè)堆石體的掏空及漿砌石擋墻的擠壓變形對邊坡穩(wěn)定極為不利。

3 防滲系統(tǒng)缺陷及影響分析

3.1 防滲系統(tǒng)缺陷

滲壓計主要布置在大壩防滲墻下游施工廊道頂拱附近、底板附近、防滲墻中部和防滲墻底部，滲壓計測值表明:

(1)在蓄水前(2005年1月1日)，同一高程的滲壓計測值較為接近，高程越高，滲壓計測值越大;蓄水后，滲壓計測值整體增大，越靠近右岸越大，庫水主要繞過防滲墻右側(cè)進(jìn)入下游。

(2)壩0+315斷面防滲墻底部的P43滲壓計在2013年11月26日的測值甚至超過了壩0+610斷面相應(yīng)部位P52的測值，且P43的測值均大于同斷面上部的P42和P41，該斷面防滲墻底部附近有可能沒有進(jìn)入相對隔水層，防滲墻底部存在明顯的滲流。壩0+405斷面防滲墻底部滲壓計P46的測值也大于相同斷面上部的P45和P44，該斷面防滲墻底部附近也可能存在滲流現(xiàn)象，且該部位施工廊道頂部滲壓計大于兩側(cè)同高程的滲壓計，接頭帷幕可能存在缺陷。

3.2 防滲系統(tǒng)缺陷影響

以施工廊道頂部防滲墻接頭帷幕可能存在缺陷的壩0+405斷面為分析對象，建立有限元模型，分析施工廊道頂部帷幕接頭缺陷對滲流的影響。網(wǎng)格區(qū)域包括壩軸線上游735 m到下游650 m，總長1385 m;壩軸向總長50 m;在高程方向，網(wǎng)格從壩頂高程2654.5 m到基巖2220 m高程，包含已勘測查明的所有覆蓋層。防滲結(jié)構(gòu)包括壩體的瀝青混凝土心墻，上下分段式防滲墻、帷幕灌漿接頭，深入基礎(chǔ)相對隔水第二巖組內(nèi)5.0 m以上的帷幕。帷幕灌漿接頭網(wǎng)格形態(tài)按設(shè)計圖紙形態(tài)建立，底部帷幕厚度為3 m。有限元網(wǎng)格見圖3。

圖3 有限元網(wǎng)格

根據(jù)工程前期試驗等資料，計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù) cm·s－1

為分析施工廊道頂部帷幕接頭缺陷對滲流的影響，初擬兩種計算方案，兩種方案中上游水位均為2650 m，方案1計算參數(shù)如表1所示;方案2防滲墻接頭帷幕出現(xiàn)破損，對應(yīng)破壞單位滲透系數(shù)為3×10－1cm/s，其他參數(shù)同方案1。

圖4為方案1浸潤線和等勢線整體分布，從圖4可以看出，浸潤線在防滲墻部分較為密集，覆蓋層第一巖組(Ⅰ)的滲透系數(shù)為 1 ×10－5cm/s，滲透系數(shù)很小，相當(dāng)于相對隔水層，該部位水頭等勢線也較為密集。

圖4 方案1浸潤線和水頭等勢線整體分布(單位:m)

圖5為方案1和方案2浸潤線和水頭等勢線防滲系統(tǒng)局部分布。由圖5可知:滲壓計P44、P45和P46埋設(shè)部位的計算值與方案1的實測值非常接近。P54埋設(shè)位置位于施工廊道頂部帷幕內(nèi)，水頭等勢線在防滲墻接頭帷幕內(nèi)均勻分布，該部位因滲透系數(shù)小于防滲墻，所以其水頭等勢線較防滲墻稀疏，但較覆蓋層密集，水頭等勢線密集對該處的滲壓計測值影響較大，在較小的距離變化，測值將發(fā)生較大的變化，滲壓計測值在防滲墻接頭帷幕內(nèi)極其敏感。接頭帷幕上下游側(cè)水頭值分別與防滲墻上下游表面水頭值一致。由此也可推斷，防滲墻上下游側(cè)水頭值(等同于接頭帷幕上下游側(cè)水頭值)受覆蓋層材料、壩體材料和防滲系統(tǒng)共同影響，防滲墻接頭帷幕內(nèi)水頭等勢線分布受接頭帷幕形態(tài)影響，且有極強(qiáng)的敏感性。防滲墻接頭帷幕局部破損后，且其滲透系數(shù)為3×10－1cm/s時，施工廊道頂部水頭等勢線變疏，將增大防滲墻下游側(cè)水頭，滲壓計P54所在部位水頭值也會增大。因帷幕接頭破損后，防滲墻底部的水頭值變化很小，P54埋設(shè)位置水頭實測值與防滲墻底部滲壓計所在部位實測值的差值越大，防滲墻接頭帷幕損壞的概率越高。

圖5 方案1和方案2浸潤線和水頭等勢線防滲系統(tǒng)局部分布(單位:m)

當(dāng)防滲墻接頭帷幕破損后，將增大接頭帷幕附近覆蓋層內(nèi)的滲透坡降，容易造成局部破壞。從現(xiàn)階段排水廊道排水孔滲漏水中含沙量看，局部滲透坡降超過覆蓋層的允許滲透坡降。

4 結(jié)論

(1)右岸滲漏量整體較大，庫水是滲水的主要來源，地下水和降雨也是滲水的組成部分。庫水通過防滲墻右側(cè)的7、8號溝進(jìn)入下游的可能性極大。

(2)各水位孔之間、水位孔與排水孔之間以及水位孔與滲水點平均滲透坡降的最大值整體都很大，已經(jīng)超過第四層覆蓋層的允許滲透坡降，對邊坡穩(wěn)定和排水孔滲流穩(wěn)定不利。

(3)從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，GC11測孔附近防滲墻可能存在滲漏現(xiàn)象，且該孔與雷達(dá)探測 結(jié)論中重點關(guān)注的樁號段0+503～0+516非常接近。壩0+315和0+405斷面防滲墻也存在滲流現(xiàn)象。

(4)防滲墻接頭帷幕局部破壞將增大防滲墻下游水頭和浸潤線高程。并將增大附近覆蓋層內(nèi)的滲透坡降，容易造成局部破壞。

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