廣東某水閘工程防滲墻滲漏探測研究

夏兵兵+車友明+陳亮

摘 要：本論文針對廣東某水閘工程在2013年出現(xiàn)的消力池底板破壞及滲漏現(xiàn)象，作者根據(jù)現(xiàn)場實際滲流情況，在1#閘孔至14#閘孔閘室底板布設(shè)探測孔，采用人工示蹤方法對滲漏區(qū)域的滲流參數(shù)進(jìn)行探測，實際檢測時發(fā)現(xiàn)探測孔內(nèi)存在明顯的垂向流現(xiàn)象，分析探測數(shù)據(jù)，并采用Geostudio對閘基滲流場進(jìn)行有限元模擬，綜合分析判定該水利樞紐滲漏是由于防滲墻深度不夠?qū)е拢笃诠こ绦迯?fù)針對防滲墻進(jìn)行深部修補(bǔ)，至今該水利樞紐未出現(xiàn)明顯滲漏現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：防滲墻；滲漏；垂向流

中圖分類號：TV139.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）2-0077-03

水利工程滲漏問題是世界各國都面臨的問題，在中國90%以上的水庫存在著滲漏現(xiàn)象，其中30%存在著較為嚴(yán)重的滲漏。滲漏直接關(guān)系到大壩的安全運(yùn)行。大壩的滲漏的原因非常復(fù)雜，如壩體施工質(zhì)量問題引起的滲漏，庫水通過順河道斷裂帶或破碎帶產(chǎn)生的繞壩基滲漏，以及防滲墻出現(xiàn)空洞產(chǎn)生的滲漏等。水利工程滲漏除險加固工程中，由于沒有查清堤壩滲透破壞產(chǎn)生的原因，而造成的浪費占有相當(dāng)?shù)谋壤?。解決滲漏問題的關(guān)鍵是調(diào)查清楚滲漏產(chǎn)生的原因以及確定滲漏通道所在的位置。常規(guī)的調(diào)查堤壩滲漏的方法包括：自然電位法、高密度電阻率法、探地雷達(dá)、水位、水量平衡、鉆孔中滲漏流速測定、連通試驗等。

本文利用人工示蹤法并結(jié)合Geostudio有限元模擬分析，在廣東某水利樞紐工程中探測到滲漏通道的具體位置及其發(fā)生滲漏的原因，即防滲墻深度不足使得滲流路徑小于設(shè)計值，使得下游消力池面板在大水頭差條件下隆起及斷裂，導(dǎo)致水利樞紐出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏問題，后期工程修復(fù)針對防滲墻進(jìn)行深部修補(bǔ)，運(yùn)行至今該水閘未出現(xiàn)滲漏情況，為今后類似水利工程滲漏除險加固工程提供有價值的參考。

1 工程概況

廣東某水利樞紐工程壩址以上集水面積為27503km3，屬Ⅰ等大（1）型工程。樞紐主要由連接土壩、河床式發(fā)電廠房、船閘及攔河水閘等建筑物組成。壩頂高程34.05m，正常蓄水位25.50m；攔河水閘19孔，單孔凈寬14m。電站安裝位于樞紐靠右岸側(cè)，高程9.0m，最大水頭9.43m，平均水頭7.10m，裝機(jī)6臺，總裝機(jī)容量75MW。

2013年4月電站工作人員發(fā)現(xiàn)泄洪閘下游河水渾濁，然后發(fā)現(xiàn)5～13號閘門后消力池斜坡砼板塊、消力池底板、消力坎連續(xù)拱起。為避免險情擴(kuò)大，全部閘門關(guān)閉，通過發(fā)電方式盡量降低水位。

經(jīng)過踏勘發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場閘孔下游消力池底板，1#～14#閘孔下游消力池底板破損嚴(yán)重，普遍存在斷裂及隆起現(xiàn)象，如圖1所示。

2 現(xiàn)場工作開展

為了實施滲漏探測方案，現(xiàn)場在1號閘孔至14號閘孔底板鉆孔，鉆孔數(shù)量總計14個，各鉆孔深度約為30m，鉆孔布置示意圖如下圖2和圖3所示。

3 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)分析

本論文分析以6號探測孔為例進(jìn)行論述，6號探測孔垂向流級水平流檢測數(shù)據(jù)分析如下：

從圖4上可以明顯看出：

垂向流速度計算通過波峰的移動，波峰1（深度17m）移動到波峰2（深度14m），經(jīng)過距離時間28分鐘，垂向流速約為6m/h；

水閘底板下方（3～4m深度）水流向下運(yùn)動，由于水閘結(jié)構(gòu)決定，在底板處的滲水距離最短，水流通過底板下的滲徑最小，所以這種情況較常見，流速不大，但需要補(bǔ)強(qiáng)以防止隨著水閘的運(yùn)行流速變大導(dǎo)致閘下滲漏引起進(jìn)一步的破壞；

5～21m深度為排泄區(qū)，淺層與深層垂向流均通過此地層排泄，示蹤劑一邊隨垂向流運(yùn)動，一邊向下游水平耗散，此位置處于防滲墻深度范圍內(nèi)，曲線說明此位置防滲體相對良好；

21～25m深度為補(bǔ)給區(qū)，由曲線可以明顯看出，示蹤劑濃度在此深度范圍急劇下降，垂向流從深度24m處開始向上移動，此層在防滲墻深度以下，說明防滲墻深度不滿足抗?jié)B要求。

4 滲流場有限元模擬分析

4.1 有限元模擬分析思路

采用Geostudio對閘基滲流場進(jìn)行計算分析。通過對比原設(shè)計情況下與實際情況下的水閘基礎(chǔ)滲流場的差異，分析閘基防滲系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求。

4.2 工程地質(zhì)及計算參數(shù)選取

根據(jù)本工程原設(shè)計資料，主要模擬地層是含礫粗砂、含卵石礫質(zhì)粗砂、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層，閘基滲流計算主要參數(shù)如表1。

表1中的“高壓旋噴防滲墻”的設(shè)計滲透系數(shù)取值主要依據(jù)以下兩個方面：

（1）根據(jù)《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T5200-2004）中表5.0.3規(guī)定，由于本工程高噴墻墻體處于“含卵石礫質(zhì)粗砂”地層中，故其滲透系數(shù)設(shè)計取值范圍應(yīng)在，（）。

（2）本水利樞紐工程初步設(shè)計報告內(nèi)容，由于閘基下臥層含卵石礫質(zhì)粗砂層較其底部全風(fēng)化土的滲透系數(shù)高出3個數(shù)量級，故認(rèn)為全風(fēng)化巖體為相對不透水層。鑒于含卵石礫質(zhì)粗砂層屬強(qiáng)透水層，為滲漏或繞滲通道，需做連續(xù)封閉防滲處理，原設(shè)計要求防滲墻墻底高程需入巖2m。根據(jù)工程經(jīng)驗，即本工程上游防滲墻的防滲設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求不低于全風(fēng)化巖層的滲透性能。初設(shè)報告和竣工工程地質(zhì)報告中規(guī)定，閘基砂巖全風(fēng)化帶土一般呈含砂粘質(zhì)土狀，滲透系數(shù)大部分為2.8×10-7cm/s～6.4×10-5cm/s，初設(shè)報告中采用值為3.5×10-5cm/s。

綜上兩方面原因，鑒于高壓旋噴灌注樁設(shè)計接頭較多，工程施工質(zhì)量控制較困難，故本次計算“高壓旋噴防滲墻”的設(shè)計滲透系數(shù)取其上限值3.5×10-5cm/s，即與閘基相對不透水層相同。

4.3 計算工況及分析

本次有限元模擬分析以上下游水頭差2.5m為標(biāo)準(zhǔn)（上游17.96m，下游15.46m）作為相應(yīng)計算工況的邊界條件。本次對該類工況進(jìn)行了模擬：

（1）防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，記為模型A（如圖5）；

（2）面板出現(xiàn)出水漏洞，防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，11m以下防滲效果失效，記為模型B（如圖6）。

模型A中，上下水頭差2.5m，防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，混凝土面板完好時，由圖7可知：整個模型結(jié)構(gòu)流速分布在含卵石礫質(zhì)粗砂層中，流速在閘室底板下及消力池底板下分布較均勻，最大滲透流速出現(xiàn)在PVC排水管出口處為1.246E～05m/s，即1.246E～03 cm/s，地層內(nèi)最大滲透流速為3.8 E～06m/s，即3.8 E～04cm/s，平均滲透流速在1E～04 cm/s左右，閘室底板及消力池底板凸出部位與含卵石礫質(zhì)粗砂層接觸處流速較其他深度流速稍大。從以上結(jié)果可以推斷出，在正常滲流狀態(tài)下，堤身結(jié)構(gòu)的滲透流速值的數(shù)量級為1.0E～04（cm/s）。

模型B中，上下水頭差2.5m，面板出現(xiàn)出水漏洞，防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，11m以下防滲效果失效，由圖8可知：整個模型結(jié)構(gòu)流速分布在含卵石礫質(zhì)粗砂層中，最大滲透流速出現(xiàn)在面板出水漏洞出口處為2.21E～04m/s（系統(tǒng)默認(rèn)流速單位為m/s），即2.21E～02 cm/s，地層內(nèi)最大滲透流速出現(xiàn)在防滲墻防滲性能失效區(qū)域為1.12 E～04m/s，即1.12 E～02cm/s，含卵石礫質(zhì)粗砂層中平均滲透流速在3E～05m/s即3E～03cm/s左右。從以上計算結(jié)果推斷，面板出現(xiàn)出水漏洞，防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，11m以下防滲效果失效時，堤身結(jié)構(gòu)的滲透流速值的數(shù)量級為1.0E～03（cm/s）。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)垂向流測試結(jié)果及分析，可以得出6#探測孔都存在明顯的垂向流現(xiàn)象。正常工況下，即防滲墻完全封堵相對透水層時，并且防滲墻底部深入強(qiáng)風(fēng)化層時，防滲墻后的地下水水流基本呈水平運(yùn)動，但6#探測孔存在異常垂向流，表明防滲墻深部存在滲漏區(qū)域。

（2）根據(jù)有限元數(shù)值模擬，上下水頭差2.5m及8.2m條件下，當(dāng)防滲墻防滲效果良好時，防滲墻后的滲透流速數(shù)量級分別為1.0E～04（cm/s）；上下水頭差2.5m條件下，當(dāng)防滲墻深度不足時，該位置防滲墻后的滲透流速數(shù)量級為1.0E～03（cm/s），可以判定防滲墻深度不滿足抗?jié)B要求。

（3）綜合現(xiàn)場檢測及有限元模擬可判定該工程滲漏通道的具體位置及其發(fā)生滲漏的原因，即防滲墻深度不足使得滲流路徑小于設(shè)計值，使得下游消力池面板在大水頭差條件下隆起及斷裂，導(dǎo)致水利樞紐出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏問題，后期工程修復(fù)針對防滲墻進(jìn)行深部修補(bǔ)，為今后類似水利工程滲漏除險加固工程提供有價值的理論及實踐參考。

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