粘土心墻堆石壩壩基滲漏原因分析及處理

郭建設(shè)

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

1 工程概況

某水庫總庫容為1 180萬m3，有效庫容為1 055萬m3，相應(yīng)的正常蓄水位為612.5 m，死水位為587.0 m。水庫大壩采用粘土心墻堆石壩，壩頂長度為230 m，壩頂高程為615.6 m，防浪墻高程為616.2 m，最大壩高為52.5 m，壩頂寬度為7 m。上游坡比為1:2.25(1:2.75)，下游坡比為1:2.5。粘土心墻以壩頂中心線為中心對稱布置，心墻頂部寬度為3.0 m，上下游坡度均為1:0.2，從上游至下游依此布置上游坡干砌石、上游堆石Ⅰ(高程592.0 m以上)、上游堆石Ⅱ(高程592.0 m以下)、上游過渡層、上游反濾層、上游粗砂碎石墊層、粘土心墻、下游反濾層、下游過渡排水層、下游填筑全強風化料、下游粗砂碎石墊層、下游坡排水棱體、下游砼框架草皮和干砌石護坡(大壩橫斷面如圖1所示)。

圖1 大壩標準橫斷面示意(單位：高程m,長度mm)

大壩上游區(qū)基礎(chǔ)基本上開挖至全風化石英砂巖硬塑土，沖溝附近壩基開挖至強風化石英砂巖，下游區(qū)基礎(chǔ)置于強風化基巖上，粘土心墻基礎(chǔ)置于強風化基巖上。大壩防滲系統(tǒng)采用自上而下為：粘土心墻、灌漿砼蓋重、斷層砼塞、基礎(chǔ)固結(jié)灌漿結(jié)合帷幕灌漿的形式，帷幕灌漿底線深入3Lu線以下5 m。

2 水庫蓄水過程及滲漏情況

該水庫于2009年12月開工，2012年9月填筑完成，2013年4月水庫開始蓄水，至7月28日水位升至死水位587 m，此后，水庫水位繼續(xù)上升至589 m左右并持續(xù)了約1 a。2014年5月和8月庫區(qū)普降暴雨，水位上升較快，2014年5月25日及2014年8月13日兩次蓄高，各上升1 m左右，2014年8月26日水庫蓄水最高水位592.98 m。

2014年水庫平均水位為590.35 m，滲流量監(jiān)測值為10～15 L/s，庫水位從587 m上升至592 m，主壩區(qū)庫水外滲的滲流量增加了5 L/s左右。2015年10月水庫最高水位610.3 m時，最大滲漏量約85 L/s，明顯大于設(shè)計允許滲漏量。

3 壩址地形地質(zhì)條件

該壩址位于水庫庫盆東南面的沖溝溝口處，沖溝呈西北—東南向，兩岸地形不太對稱，左岸山體較雄厚，山脊高程為680～747 m，右岸山體較低矮單薄，山頂高程約為629 m，正常蓄水位612.5 m對應(yīng)的溝谷寬度約166 m，溝底高程約為565 m，從剖面上看呈較開闊的“V”字型。

壩址地層巖性為寒武系石英砂巖、粉砂巖，產(chǎn)狀為N40°～50°E/SE∠50°～60°，產(chǎn)狀相對穩(wěn)定，呈單斜構(gòu)造，中—厚層狀，裂隙發(fā)育，巖體較破碎。大壩基礎(chǔ)為強風石英砂巖，斷層和裂隙發(fā)育，多張開，裂面充填泥質(zhì)或鈣質(zhì)。左岸建基面以下強風化厚度為 2.2～8 m；右岸建基面以下強風化厚度為7.9～12.5 m；河床建基面以下強風化厚度為1.2～2.3 m。

4 滲漏檢測方法及結(jié)果

考慮從大壩壩頂鉆孔可能破壞粘土心墻，本工程綜合分析滲漏量變化情況及壩址地形地質(zhì)條件，滲漏檢測采用了自然電場法、偽隨機流場法、大地電磁法、示蹤、溫度測試、電導(dǎo)等綜合物探方法及在壩頭鉆斜孔檢測等手段?，F(xiàn)場布置自然電場法測線6條，偽隨機流場法7條，大地電磁法2條，水溫測試1條，電場梯度法測線2條，沉降觀測孔溫度測試2孔，右壩頭布置2個斜孔，并對斜孔進行示蹤、溫度、電導(dǎo)等綜合測試。

自然電場法檢測結(jié)果見圖2，綜合測線探測成果，在灌漿帷幕上共發(fā)現(xiàn)5個低電位異常區(qū)間，在平面的分布位置對應(yīng)的大壩樁號如下：0+060～0+070、0+080～0+094、0+130～0+144、0+166～0+174、0+204～0+214。

圖2 自然電場法測線電位值曲線示意

偽隨機流場法檢測結(jié)果見圖3，從流場法7條測線數(shù)據(jù)情況分析，主壩前沒有明顯的滲漏進水點，7條測線數(shù)據(jù)共同指向的異常區(qū)域是右壩肩山體凸起的部分。

圖3 偽隨機流場法電流密度3D表面示意

大地電磁法檢測結(jié)果見圖4，根據(jù)測線整個剖面電阻率分布情況，淺部電阻率偏低，深部電阻率偏高。左岸電阻率偏低部位主要集中在基巖面以下6～30 m深度范圍內(nèi)，范圍較大，相對較深，中間和右岸電阻率偏低部位主要集中在基巖面以下13 m深度范圍內(nèi)，相對較淺，分布不盡連續(xù)。

圖4 大地電磁法測線電阻率擬斷面示意

斜孔電導(dǎo)率測試結(jié)果見圖5，從圖中發(fā)現(xiàn)，在高程560.86～562.63 m存在鹽分擴散現(xiàn)象，說明存在滲漏情況；在高程588.67～590.44 m鹽分已擴散完畢，說明該段存在較嚴重的滲漏。

圖5 斜孔電導(dǎo)率測試示意

5 滲漏原因分析

根據(jù)物探成果反映，心墻部分電阻率相對均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的滲漏異常區(qū)。在壩基有5處可疑滲漏區(qū)域。

斜孔ZKB01壓水成果反映，斜孔深31.34 m(高程587.9 m)以上范圍巖層為強風化—弱風化上帶，透水率在6.8～56.1 Lu之間，均大于設(shè)計要求的3 Lu；斜孔深31.34 m(高程587.9 m)以下為弱風化下帶，透水率小于設(shè)計要求的3 Lu。

斜孔ZKB02壓水成果反映，斜孔深57.9 m(高程582.2 m)以上范圍巖層為強風化—弱風化上帶，壓水試驗透水率在8.55～73.59 Lu之間，均大于設(shè)計要求的3 Lu，個別異常段采用注水，K值在1.00×10-3～5.80×10-3cm/s之間；斜孔深57.9 m(高程582.2 m)以下，除斜孔深67.9～72.9 m(高程573.0～576.1 m)之間因少數(shù)裂隙張開，裂面充填約3 mm的次生泥質(zhì)導(dǎo)致壓水試驗段透水率為20 Lu外，其他各段透水率小于設(shè)計要求的3 Lu。2個檢測孔均反映強風化帶—弱風化上帶透水率大。斜孔ZKB01孔內(nèi)示蹤試驗和孔中電導(dǎo)率測試成果反映，高程588.67～590.44 m鹽分自然擴散比較嚴重。

綜合分析各方法成果，可以確定大壩粘土心墻完好，未出現(xiàn)滲漏；滲水部位主要在心墻砼墊層以下的強風化帶和弱風化上帶淺層基巖范圍。

6 壩基補強處理措施

為確保壩基防滲補強實施過程盡可能減少對心墻的影響，先開展壩肩灌漿試驗、壩體心墻開孔試驗、灌漿壓力及灌漿材料試驗、封孔試驗等，確定了安全可靠和效果可行施工工藝，主要包括：① 灌漿孔段長按0.5 m、2 m、3 m、5 m設(shè)置，灌漿壓力第1段和第2段為0.3 MPa、第3段為0.5 MPa、第4段為0.8 MPa、第5段為1.2 MPa、第6段及以下各段為1.5 MPa；② 灌漿材料采用水泥膨潤土漿液和純水泥漿液，水灰比采用8:1、5:1、3:1、2:1、1:1、0.5:1等6個等級；③ 采用自上而下分段卡塞式灌漿。

根據(jù)各項試驗成果，確定對補強處理設(shè)計方案分期實施。一期先實施心墻深度在20 m以內(nèi)部位，即右岸樁號0+187.250～0+283.250，其中0+187.250～0+203.250范圍孔距為2 m，0+203.250～0+229.250范圍孔距為1 m，0+229.250～0+283.250范圍孔距為1.5 m。2016年5月底完成一期處理孔。

根據(jù)左岸斜孔檢測情況，決定實施二期左岸樁號0-010.500～0+093.500范圍垂直孔帷幕灌漿，其中樁號0-010.500～0+069.500范圍孔距為1 m，樁號0+069.500～0+093.500范圍孔距為2 m，2016年8月中完成左岸帷幕補強處理。

根據(jù)處理效果，2016年8月中開展右岸垂直深孔部分補強灌漿，心墻深度控制在35 m以內(nèi)，即樁號0+164.250～0+187.250范圍，孔距2 m。根據(jù)防滲補強處理效果，于2016年9月7日決定結(jié)束大壩防滲補強處理工作，共計完成防滲補強垂直孔152個孔，進尺6 817 m。

7 壩基補強處理效果

該工程在一期處理實施過程中，發(fā)現(xiàn)樁號0+205.000～0+225.000之間砼蓋重以下第3段～第5段吸漿量大，是滲水的主要通道之一，通過對該部位重點處理后，量水堰測得滲水量降至約35 L/s(當時水庫水位600 m左右)。

二期左岸實施了樁號0-010.500～0+093.500范圍后，量水堰滲水量變化不太明顯，隨后通過實施右岸樁號0+164.250～0+187.250范圍深孔，特別是在實施樁號0+164.250～0+176.250過程中，淺層透水率大，吸漿量大，每個孔實施前后量水堰測得滲水量都有明顯變化，該范圍實施前后量水堰測得滲水量由25 L/s以上降至10 L/s(當時水庫水位592～605 m左右)，且滲水量隨水庫水位變化沒有明顯變化。

防滲補強處理后，水庫庫水位在接近正常蓄水位時，經(jīng)3 d高水位檢驗，量水堰測得壩基滲漏量約6 L/s，小于設(shè)計允許滲流量。

壩基補強處理前后滲流量隨庫水位變化過程見圖6，從圖中明顯看出，壩基補強處理之前，滲漏量隨著水位升高逐漸變大。通過2015年11月到2016年9月為期近1 a的補強灌漿處理，水庫水位維持在592～605 m，滲漏量隨著灌漿處理進展逐漸減少，灌漿處理結(jié)束后，將庫水位抬高至610 m以上，滲漏量沒有隨水位抬高明顯變化，壩基防滲補強取得很好的效果。

圖6 大壩滲流量-庫水位過程示意

8 結(jié)語

1) 本工程粘土心墻堆石壩的滲漏檢測方法主要采用綜合物探和鉆斜孔相結(jié)合的方法，最大程度避免檢測過程對大壩粘土心墻防滲體造成破壞，且有效檢測出壩基心墻砼墊層以下的強風化帶和弱風化上帶淺層基巖為主要滲水部位，該方法值得類似工程借鑒。

2) 本工程壩基防滲補強采用循序漸進的分期處理方式，根據(jù)滲漏原因分析，有針對性的對對大壩影響小且滲漏量大的部位先開展防滲處理，避免全面開花，根據(jù)處理過程中滲漏量的變化情況，條件成熟時再確定進一步的處理部位，改經(jīng)驗對類似工程有很好的借鑒意義。