水庫滲漏原因分析評判

劉順萍 張健梁

1 問題概述

近年來，我國為緩解當地水資源供需矛盾，保障城鎮(zhèn)居民用水安全，打贏脫貧攻堅戰(zhàn)，助力當地社會經濟發(fā)展，我國修建了多座以城鎮(zhèn)供水為主的水源水庫。但水庫滲漏問題時有發(fā)生，影響水庫效益的發(fā)揮。本文以北方某中型水庫為例進行滲漏原因分析，并在摸清水庫滲漏情況后采取處理措施進行治理，再復核處理效果，為以后水庫建設及類似問題處理提供借鑒意義。

北方某中型水庫以農業(yè)及工業(yè)供水為主，控制流域面積320 km2，設計水庫庫容1 649 萬m3，興利庫容644 萬m3，年供水量500 萬m3。工程由大壩、導流泄洪排沙洞和溢洪道等組成。擋水壩為黏土心墻砂礫石壩，全長675 m，最大壩高27 m，壩頂寬6.0 m，壩底寬145 m，壩頂高程1 259 m。大壩上游邊坡1 ∶2.75，下游壩坡1 ∶2.5，下游在1 248.33 m 高程處設2.0 m 寬馬道。上游壩坡采用0.50 m 厚的干砌石護坡，下游壩坡采用混凝土網格碎石護坡。

大壩于2012 年5 月開挖，2014 年10 月填筑封頂，并完成基礎防滲墻施工及底部帷幕灌漿工作。2014 年初發(fā)現壩后排水棱體底部多處滲水，局部滲水量已匯成明流，且有增大趨勢，需進行防滲處理。

2 地質情況

工程區(qū)地面高程1 230～1 350 m，屬低中山。河流左岸多為侵蝕中山地貌，地面高程1 240～1 350 m；右岸多為構造剝蝕地貌，地面高程1 230～1 280 m；沿河附近多為河流堆積地貌。壩址附近河床高程為1 234～1 242 m，河面寬187 m。水庫附近地層主要有太古界變質巖、新生界新近系沉積巖、第四系松散堆積層。

2.1 太古界桑干群（Ar1sn1）

巖性以硅線榴石鉀長片麻巖為主，局部夾長石石英巖，厚度大于100 m，呈棕褐色、灰褐色、淺灰色。廣泛出露于庫區(qū)河流左岸山區(qū)，分布于壩址左岸及主河床覆蓋層下部。

2.2 新生界新近系（N2）

巖性以砂礫巖、砂巖、泥巖為主，厚5～30 m，呈棕紅色、灰黃色及灰白色。分布于右壩肩及溢洪道，地表多被覆蓋，沖溝處多有出露。

2.3 新生界第四系全新統(tǒng)（Q4）

巖性有含細粒土砂、粉土質砂、低液限黏土、含細粒土礫，厚5～30 m，壩址河床處厚8.1～18.2 m。分布于庫區(qū)北部基巖表層及河流右岸和河床中，成因有殘積、坡積、沖積、沖洪積、沼澤堆積、人工堆積。

工程區(qū)主要構造形跡以東西向為主，為燕山期強烈的南北向水平擠壓作用，形成近東西向的壓性結構面，新生代以來未發(fā)現顯著的構造運動形跡。

水庫位于所在河流的中上游，該河流為地區(qū)最低侵蝕基準面，河兩岸山體雄厚，沒有低于庫水位的低地和鄰谷，庫區(qū)兩岸不存在永久滲漏問題。

2015 年2 月對大壩下游滲水坑水、壩下排水溝水及上游河水取樣進行水質分析，環(huán)境水對普通混凝土無腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性。

3 防滲體質量檢測及評價

3.1 大壩防滲設計

壩體采取黏土心墻防滲，壩基采取混凝土連續(xù)墻和灌漿帷幕防滲，設計防滲標準為10 Lu。黏土心墻頂高程為1 257.12 m，頂寬5 m，心墻上游邊坡為1∶0.2，下游邊坡為1∶0.2。壩基防滲采用混凝土地下連續(xù)墻，厚0.6 m，防滲墻頂做成光滑的楔形插入上部黏土心墻2.0 m，墻底嵌入鉀長片麻巖1 m，墻體內預埋灌漿鋼管，間距2.0 m，下部基巖進行帷幕灌漿。

根據縱斷面圖的滲透范圍，防滲墻處理長度為498.87 m。同時，對左右岸壩肩岸坡進行帷幕灌漿，灌漿孔設1 排，孔距2.0 m。壩基及左右岸壩肩帷幕灌漿均伸入10 Lu 線5 m。

3.2 防滲體質量檢測

沿防滲體中心線（混凝土防滲墻中心線）不同樁號布置了鉆孔和豎井，分別對黏土心墻、混凝土防滲墻、帷幕灌漿進行鉆孔及探井取樣，進行孔內錄像、聲波測試、壓水試驗、動力觸探測試，同時在鉆孔、豎井取樣進行現場及室內試驗，另外，在地表開展綜合物探測試等，以充分了解各部位質量，找出大壩滲漏原因。

3.3 心墻質量評價

心墻部位取出原狀土樣70 組，試驗結果見表1。檢測表明心墻土料的黏粒含量、塑性指數、滲透系數等存在不均一性，尤其是滲透系數，只有一半以上滿足設計要求，存在滲漏問題。

表1 黏土心墻檢測結果

3.4 防滲墻質量評價

混凝土防滲墻混凝土為C15W6F100，厚60 cm，深8.1～18.2 m。從所取的30 組巖芯看，所取出的混凝土巖芯大多較完整，膠結較好，防滲墻檢測結果見表2，透水率較大的多位于防滲墻的下部，尤其是混凝土防滲墻與基巖接觸部位，透水率18～50 Lu，均大于10 Lu，不滿足設計要求?？變蠕浵裰邪l(fā)現混凝土防滲墻局部存在缺陷現象，尤其在與下部基巖接觸部位多有沉淀，造成混凝土防滲墻沒有嵌入基巖，期間多為級配不良砂充填。因此，從壓水試驗結果及孔內錄像兩方面相互印證，證明混凝土防滲墻局部存在滲漏通道。

表2 混凝土防滲心墻檢測結果

3.5 防滲帷幕

壩基沿防滲墻下部基巖設置1 排帷幕灌漿孔，共布置333 孔，間距2 m，分2 序次灌漿，其中1 序孔深10.90～34.60 m，平均20.10 m；單位注入量31.72～115.43 kg∕m，平均62.15 kg∕m。 2 序 孔 深11.14～35.22 m，平均20.09 m；單位注入量7.54～206.10 kg∕m，平均56.59 kg∕m。檢測過程中，在基巖進行了42 段壓水試驗，巖體透水率1.5～33 Lu，平均8.3 Lu，屬弱-中等透水性，71.14%試段巖體透水率滿足設計要求。個別試段巖體的透水率超過10 Lu，且主要集中分布于各鉆孔下部兩段，說明上部10～15 m 巖體經過帷幕灌漿，巖體的透水率有所減小。因此，壩基巖體存在一定的滲漏量，但其滲漏量有限。

3.6 左右岸繞壩滲漏

檢測中分別在左壩肩和右壩肩布置了一個鉆孔。由兩個鉆孔壓水試驗成果可以看出，壩基兩岸巖體透水率1.5～6.8 Lu，屬弱透水性，滿足設計防滲標準（小于10 Lu）。

4 滲漏量估算及預測

4.1 壩基滲流觀測

現場觀測期間，水庫入庫流量為50.70～90.95 L∕s，平均72.54 L∕s；排沙洞出口處滲漏量為5.75～7.40 L∕s，平均6.75 L∕s；壩下各水溝總滲漏量為47.21～61.39 L∕s，平 均53.28 L∕s。觀 測 期 間 庫 水 位 緩 慢 抬 高0.36 m，證明水庫來水量大于滲流量。

從壩基地質剖面圖可知，壩基下透水層厚8.1～18.2 m，從壩下觀測點P6（高程1 236.65 m）到下P4（高程1 233.70 m）距離為276 m，地面水頭差為2.95，則估算地下滲透坡降i=0.010 7?，F場對壩基級配不良砂進行32 組滲透試驗，滲透系數9.05×10–6～1.76×10–4m∕s，平均為8.18×10–5m∕s，估算時取滲透系數k=3×10–4m∕s（考慮數據離散性，取平均值的3 倍左右進行估算），由壩軸線剖面可知壩基下部強透水層的面積A=6 100 m2，則可估算壩基地下潛流Q潛流：

壩基總滲漏量Q總（明流+潛流）：

2014 年4 月3 日，上游水位上升至1 246.79 m時，觀測壩下游地表明流為84.08 L∕s，加上地下潛流，壩基總滲流量為84.08 L∕s+19.56 L∕s=103.64 L∕s左右。

4.2 滲漏量計算

4.2.1 黏土心墻滲漏量

根據室內進行的50 組滲透試驗，水平滲透系數1.66×10-7～1.85×10-4cm∕s， 平 均2.78×10-5cm∕s，計算中取滲透系數k=8.0×10–5cm∕s（考慮數據離散性，取平均值的3 倍左右進行估算），墻厚按平均寬9.2 m 計，底高程采用1 236.6 m，正常蓄水位1 255.5 m，壩長628 m，黏土心墻面積A=8 480 m2，水頭差H按1 255.5 m-1 236.6 m=18.9 m 計，計算心墻滲透量Q=kiA=0.006 97 m3∕s=6.97 L∕s。檢測期庫水位1 246.43～1 246.79 m，水位變化0.36 m，壩上下游水頭差9.43～9.79 m，庫水位1 246.79 m 時，計算心墻滲透量Q1=1.48 L∕s。

4.2.2 防滲墻滲漏量

混凝土墻體屬于不透水層，考慮到混凝土墻嵌入基巖（鉀長片麻巖）1 m 存在一定難度，且勘察過程中發(fā)現有5 個鉆孔局部進尺較快或有漏水、漏漿現象，均說明防滲墻墻體接觸部位存在缺陷，有滲漏通道。滲漏計算中按0.5 m 透水層考 慮，結合壓水試驗滲透系 數k取6×10–2cm∕s。則正常蓄水位1 255.5 m 時，計算防滲墻滲漏量為174.27 L∕s；

庫水位1 246.79 m時，防滲墻滲透量為72.98 L∕s。

4.2.3 壩基巖體滲漏量

壩基巖體除表部風化破碎透水性較強外，巖體透水性以弱透水為主，鉆孔壓水試驗巖體透水率1.5～33 Lu，平均8.3 Lu，考慮到下部微新巖體完整，結構面發(fā)育少，透水性差，且滲徑長。因此，巖體透水層考慮上部巖體，厚度按15 m 計算，結合壓水試驗滲透系數k取5×10–4cm∕s。則正常蓄水位1 255.5 m 時，計算基巖滲漏量43.57 L∕s。庫水位1 246.79 m 時，計算壩基巖體滲透量為18.25 L∕s。

4.2.4 兩岸繞壩滲漏量

兩岸巖體透水率1.5～6.8 Lu，水平滲透系數2.01×10-5～3.16×10-4cm∕s，平均1.78×10-4cm∕s，計算中滲透系數k取5×10–4cm∕s。正常蓄水位1 255.5 m時，兩岸繞壩滲流量估算為16.47 L∕s。庫水位1 246.79 m時，兩岸繞壩滲漏量為7.83 L∕s。

各部位計算滲漏量及所占比重見表3。

表3 兩種水位情況下各部位滲漏量及所占比重

從表3 可知，首先壩基滲漏量以混凝土防滲墻接觸帶為主，占壩基總滲漏量的72%；其次壩基巖體滲漏量占總滲漏量的18%；再次為兩岸繞壩滲漏量占總滲漏量的7%；黏土心墻滲漏量最小，占總滲漏量的3%。

庫水位1 246.79 m 時，壩基總滲漏量計算值為100.54 L∕s，與滲流觀測值103.64 L∕s 相接近，證明試驗檢測數值基本可靠，符合實際規(guī)律。

預測水庫正常蓄水位1 255.5 m 時，壩基總滲漏量為241.281 L∕s（868.61 m3∕h），占所在河流多年平均徑流量（1.94 m3∕s）的12.44%，不滿足設計要求，影響水庫供水效益。另外，壩基透水層多分布級配不良砂，存在滲透變形問題。故須盡快采取措施減少壩基滲漏量，保證大壩安全，可靠運行。

5 處理措施

本工程滲漏問題突出，且不是單一滲漏點，從黏土心墻、防滲墻、帷幕灌漿等各部位均存在滲漏問題，為保證工程安全，經綜合考慮，決定在原防滲墻下游壩軸線上新增加一道防滲墻。沿壩軸線重新設計一道防滲墻（原防滲墻軸線距壩軸線2 m，偏上游），新防滲墻頂高程為心墻頂高程1 257.12 m，底部入基巖強風化層1 m，采用塑性混凝土防滲墻，墻厚0.8 m，如圖1 所示。

防滲處理范圍為樁號0+000—0+675.05，即大壩從左壩肩至右壩肩的心墻及壩基覆蓋層內全部采用塑性混凝土防滲墻。墻下采用帷幕灌漿，墻內預埋帷幕灌漿管，間距1.5 m。右岸延長段重新進行補灌，根據現狀巖石情況及工程總體布置，灌漿長度由原設計的30 m 增加至40 m；左岸延長段灌漿根據現狀巖石情況，仍按原設計長度即30 m施工。經本次處理后，心墻內的塑性混凝土防滲墻和墻下帷幕形成完整的防滲體系。

經過對大壩重新進行滲流計算（暫不考慮原防滲墻與帷幕灌漿的防滲效果），壩體年滲漏量為23.19 萬m3，占河流多年平均天然年徑流量的2.4%，所占比例較小，大壩滲漏量明顯減少。待新防滲墻及帷幕灌漿施工完成后，應繼續(xù)通過壩后排水溝加強觀測，以檢驗實際效果。

圖1 新加防滲墻方案典型斷面圖（單位：mm）

6 結 語

通過在防滲中心線布設鉆孔、探井，同時采取室內試驗、孔內錄像、壓水試驗等手段對黏土心墻、混凝土防滲墻、帷幕灌漿等部位進行檢測，查找滲透通道；利用壩后排水溝滲漏量觀測成果，與室內物理力學試驗以及室外壓水試驗成果進行滲漏量估算成果進行對比分析，綜合評判水庫滲漏原因；針對各部位滲透通道，提出重新做防滲墻和帷幕灌漿的處理措施徹底攔截大壩滲漏通道，進而保證水庫具備發(fā)揮效益的能力。工程的實施為解決其他相似工程問題時提供了可借鑒的成功經驗。