混凝土面板堆石壩滲漏規(guī)律研究

王秘學(xué) ，徐 軼，田金章

(1．長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，430010，武漢；2．國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，430010，武漢)

混凝土面板堆石壩是近30年迅速發(fā)展起來的一種壩型，由于其具有較優(yōu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和地基適應(yīng)性，迅速得到推廣應(yīng)用。我國自1985年引入現(xiàn)代面板堆石壩筑壩技術(shù)后，經(jīng)歷了引進(jìn)消化、自主創(chuàng)新、突破發(fā)展三個(gè)階段，分別以西北口、天生橋一級(jí)、水布埡面板堆石壩為代表。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2015年，全世界已建面板堆石壩超過600座，中國占比接近50%。尤其是近15年發(fā)展迅速，2000年我國建成100 m以上的面板堆石壩僅10座，至2015年已增加至80余座。

我國混凝土面板堆石壩建設(shè)在取得顯著成就的同時(shí)，也有許多不足。不少工程運(yùn)行后普遍發(fā)生了滲漏等病害，乃至發(fā)生過慘痛的事故。如青海溝后水庫因防滲體失效發(fā)生滲漏而導(dǎo)致潰壩，是國際壩工史上第一次同類型大壩潰決；還有相當(dāng)數(shù)量的面板堆石壩因嚴(yán)重滲漏而不得不放空水庫進(jìn)行加固，如湖南株樹橋水庫和白云水庫、廣西磨盤水庫等。滲漏已經(jīng)成為混凝土面板堆石壩的高發(fā)病害，不僅影響水庫效益的正常發(fā)揮，而且長(zhǎng)期滲流會(huì)帶走墊層料中的細(xì)顆粒，導(dǎo)致面板變形加大甚至破壞，進(jìn)而加劇滲漏，形成惡性循環(huán)，影響大壩安全。隨著大量已建面板壩工程運(yùn)行期增長(zhǎng)，其防滲體系的可靠性和安全性等問題已經(jīng)引起工程界的高度重視。結(jié)合已建工程的滲漏病害情況、防滲體系的缺陷與處理，對(duì)混凝土面板堆石壩的滲漏及安全狀態(tài)進(jìn)行技術(shù)總結(jié)，并深入研究相關(guān)對(duì)策非常必要。

一、混凝土面板壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

混凝土面板堆石壩采用堆石料或砂礫石料分層碾壓填筑，并采用混凝土面板作為上游主要防滲體。該壩型對(duì)地基的適應(yīng)性較強(qiáng)，可修建在巖石地基或覆蓋層地基上，其壩體往往根據(jù)不同的材料類型、顆粒尺度和受力特性劃分為不同的分區(qū)，圖1所示為面板堆石壩典型結(jié)構(gòu)示意圖。

對(duì)于趾板建在基巖上的面板堆石壩，其防滲結(jié)構(gòu)主要由防浪墻、混凝土面板、趾板、接縫止水及帷幕灌漿等組成。對(duì)于趾板建在覆蓋層上的面板堆石壩，其防滲結(jié)構(gòu)主要由防浪墻、混凝土面板、趾板、連接板、接縫止水及混凝土防滲墻等組成。此外，壩體上游一般布置黏土鋪蓋區(qū)及蓋重區(qū)作為輔助防滲體。上述結(jié)構(gòu)在面板堆石壩上游面構(gòu)成一道完整的防滲體系，在正常情況下能夠保證相對(duì)不透水，但這一防滲體系直接依附于堆石壩壩體，出現(xiàn)病害和缺陷則會(huì)導(dǎo)致大壩滲漏。

面板堆石壩壩體為散粒料填筑體，具有變形大且持續(xù)變形時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，而上游薄層面板作為主要防滲體依托在堆石體上部，兩者物理性能的巨大差異決定了整體結(jié)構(gòu)運(yùn)行性態(tài)的復(fù)雜性。面板堆石壩中堆石體與防滲體是相互依存的結(jié)構(gòu)，堆石體與防滲體變形不協(xié)調(diào)、施工質(zhì)量參差不齊、不可控外力作用是導(dǎo)致面板變形破壞、接縫止水結(jié)構(gòu)破壞、面板脫空、面板裂縫等各種病害發(fā)生的主要原因，而面板堆石壩出現(xiàn)各種病害破壞的最終表現(xiàn)形式均為大壩滲漏，即滲漏量突然增大，明顯超過壩體正常運(yùn)行的滲漏量。這也是面板堆石壩滲漏病害區(qū)別于其他壩型的重要特點(diǎn)。

二、混凝土面板壩滲漏規(guī)律

1.國內(nèi)外混凝土面板壩滲漏病害案例

正常的混凝土面板壩滲漏特點(diǎn)是滲漏量隨著服役時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)減少或不變的趨勢(shì)，滲漏量隨著時(shí)間延長(zhǎng)不斷加大則預(yù)示著出現(xiàn)了滲漏病害。根據(jù)收集到的資料，國內(nèi)外混凝土面板堆石壩大多表現(xiàn)較好的運(yùn)行狀態(tài)，如水布埡（壩高233 m，滲漏量48~86 L/s）、鯉魚塘（壩高 130 m，滲漏量 30 L/s）、洪家渡（壩高 179.5 m，滲漏量 20 L/s）、公伯峽（壩高 132.2 m，滲漏量14 L/s）等工程，但也有相當(dāng)數(shù)量大壩特別是一些高壩出現(xiàn)諸如面板結(jié)構(gòu)損傷乃至破壞、大壩滲漏量大等問題。表1為國內(nèi)外部分混凝土面板堆石壩主要參數(shù)及其滲漏病害情況。

2.混凝土面板壩滲漏病害分類

根據(jù)收集到的國內(nèi)外混凝土面板壩滲漏病害案例，可以將混凝土面板壩滲漏分為面板破損滲漏、面板分縫滲漏、壩基滲漏和繞壩滲漏4種。

（1）面板破損滲漏

混凝土面板裂縫、破損、錯(cuò)臺(tái)、塌陷或局部缺失產(chǎn)生滲漏。面板局部破損后，因滲漏水流長(zhǎng)期作用，容易將其周圍部位墊層料區(qū)內(nèi)的細(xì)顆粒帶走，導(dǎo)致墊層料區(qū)脫空嚴(yán)重，形成疏松墊層料，使得面板失去可靠支撐，面板可能出現(xiàn)更大范圍的開裂、塌陷等破壞，導(dǎo)致滲漏量不斷增大。

（2）面板分縫滲漏

面板分縫（面板垂直縫、水平縫、周邊縫、趾板縫等）止水損壞、失效產(chǎn)生的滲漏。面板分縫止水狀況是面板堆石壩滲流控制成敗與否的關(guān)鍵，止水結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞，將直接導(dǎo)致大壩滲漏增大，并造成面板破壞。

（3）壩基滲漏

滲水通過壩基的透水層，從壩腳或壩腳以外覆蓋層的薄弱部位逸出而產(chǎn)生壩基滲漏。特別是對(duì)于強(qiáng)透水的砂礫石或砂層地基，易產(chǎn)生接觸滲透變形，地層允許滲流出逸坡降較小，若出逸部位沒有完善的反濾保護(hù)措施，隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，細(xì)顆粒逐漸流失，滲漏會(huì)越來越嚴(yán)重，甚至流出渾水或翻砂。

（4）繞壩滲漏

水庫蓄水后，庫水通過兩岸壩肩山體內(nèi)的透水層滲向下游，并從下游岸坡逸出而產(chǎn)生繞壩滲漏。繞壩滲漏可能沿著壩岸結(jié)合面，也可能沿著岸坡松散的坡積層和巖石風(fēng)化層或裂隙發(fā)育的基巖滲向下游。繞壩滲漏將使岸坡或壩體內(nèi)的浸潤線抬高，使壩坡或岸坡背后出現(xiàn)潮濕、軟化和集中滲漏，甚至引起壩坡或岸坡塌陷或滑坡，影響大壩安全。

圖1 面板堆石壩典型結(jié)構(gòu)示意圖

3.混凝土面板壩滲漏成因分析

（1）面板破損滲漏成因

導(dǎo)致面板破損滲漏主要原因有：混凝土強(qiáng)度偏低，高寒高海拔地區(qū)面板堆石壩混凝土抗凍強(qiáng)度偏低易導(dǎo)致混凝土凍融破壞及脫殼、面板裂縫等；混凝土面板配筋缺陷；堆石體材料與密實(shí)度設(shè)計(jì)不合理，堆石體變形過大易導(dǎo)致面板裂縫、脫空乃至擠壓破壞；堆石體填筑結(jié)束后變形尚未收斂就澆筑混凝土面板會(huì)因堆石體變形過大導(dǎo)致面板裂縫；大壩不均勻沉降變形和面板受力不均勻引起面板裂縫。

如巴西肯柏諾沃面板堆石壩壩高202 m，正常蓄水位660 m，2005年下閘蓄水。當(dāng)初次蓄水水位接近水庫正常蓄水位時(shí)，面板L6、L7之間出現(xiàn)垂直縫擠壓破壞。擠壓破壞的位置位于面板頂部，范圍從防浪墻底部延伸至水下，長(zhǎng)約25 m。此外，在二、三期面板分縫處還觀測(cè)到長(zhǎng)達(dá)300 m的水平向裂縫，裂縫處混凝土嚴(yán)重?cái)D壓剝落，最大滲漏量達(dá)1 300 L/s。

表1 混凝土面板壩的滲漏病害案例

巴西巴拉格蘭德面板堆石壩壩高185 m，正常蓄水位 647 m，2005年7月5日開始蓄水，7月末到8月初正值雨季,庫水位平均每3 d上升約20 m。2005年9月19日庫水位達(dá)到630.3 m時(shí)，水庫滲漏量達(dá)到220 L/s。3 d后庫水位達(dá)到634 m，滲漏量增至428 L/s，中部19/20面板垂直縫發(fā)生擠壓破壞。檢查發(fā)現(xiàn)，破壞延伸至水下約100 m。同時(shí)22號(hào)面板所在的壩頂防浪墻也發(fā)生擠壓破壞，破壞部位的面板脫空，脫空間隙最大達(dá)12 cm。2005年11月，滲漏量達(dá)到1 284 L/s。

（2）面板分縫滲漏成因

面板分縫發(fā)生滲漏的成因主要有：壩體填筑材料的特性和壓實(shí)不密實(shí)、垂直縫變形過大造成止水損壞；大壩壩體與兩岸基巖變形不協(xié)調(diào)，周邊縫變形過大造成止水損壞；面板止水結(jié)構(gòu)存在缺陷；墊層料級(jí)配不良，墊層密實(shí)性和滲透性不滿足要求，發(fā)生滲漏時(shí)止水起不到保護(hù)作用；過渡料不合要求，對(duì)墊層料不能起到反濾作用。

如白云面板堆石壩河谷狹窄（大壩高120 m，壩頂長(zhǎng)約 200 m，寬高比1.67），兩岸陡峻，壩體與兩岸基巖發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致接縫特別是該部位周邊縫變形較大，而止水系統(tǒng)因不能適應(yīng)較大的變位導(dǎo)致止水破壞。白云水庫放空后，發(fā)現(xiàn)左岸L4～L7面板高程450～490 m范圍內(nèi)出現(xiàn)兩處面積約500 m2的塌陷破損區(qū)，最大塌陷深度約2.5 m，周邊縫處底部銅止水可見明顯的拉裂破壞。

（3）壩基滲漏的成因

混凝土面板壩壩基發(fā)生滲漏的成因主要有：壩基存在透水性較強(qiáng)覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化巖體，清基不徹底；壩基存在透水巖層或巖溶發(fā)育地層、巖體裂縫發(fā)育，帷幕灌漿質(zhì)量較差；趾板基礎(chǔ)斷層處理不到位。

（4）繞壩滲漏的成因

繞壩滲漏的成因主要有：壩體與岸坡接觸帶清基不徹底；岸坡巖層風(fēng)化破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育以及斷層、巖溶等，巖層透水性大，未采取有效的帷幕防滲措施等。

三、結(jié) 語

不同面板堆石壩由于地形特點(diǎn)、地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)形式等存在差異，其發(fā)生滲漏病害的具體表現(xiàn)及成因也各不相同?？偨Y(jié)面板壩滲漏病害的典型特點(diǎn)和一般規(guī)律，對(duì)于工程滲漏分析與評(píng)價(jià)、現(xiàn)場(chǎng)滲漏檢測(cè)以及滲漏加固處理都具有重要的指導(dǎo)意義。