華東地區(qū)某大壩壩基水質(zhì)特征及防滲帷幕性狀評(píng)價(jià)

姚惠芹，劉冬梅

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和水利水電建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)修建的大壩越來(lái)越多，地質(zhì)條件良好的壩址也越來(lái)越少，目前在我國(guó)水電建設(shè)較多的區(qū)域，尤其西南地區(qū)，普遍存在基巖風(fēng)化、節(jié)理、裂隙、巖溶發(fā)育等問(wèn)題，有時(shí)還存在斷層、破碎帶和軟弱夾層等缺陷[1]。這些區(qū)域修建大壩地基處理、水庫(kù)周邊和庫(kù)區(qū)滲漏通道的防滲處理極為重要，對(duì)于混凝土重力壩而言，壩基灌漿防滲帷幕存在普遍性。灌漿作為一種特殊的施工方法，在土木、水利、交通等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是防滲帷幕灌漿投資少、通用性強(qiáng)、效果好、施工干擾較少、工期質(zhì)量有保證，在水利水電行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。灌漿帷幕工程一般規(guī)模大、材料用量較多、成本高，灌漿形成的帷幕防滲體為隱蔽工程，不便于檢測(cè)，工作環(huán)境復(fù)雜，一旦出現(xiàn)安全隱患很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而其質(zhì)量和耐久性關(guān)系到工程的安全和正常使用。建壩后，大壩周邊自然環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境發(fā)生劇烈變化。在大壩的多年運(yùn)行中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)有數(shù)量眾多的灌漿帷幕防滲效果隨時(shí)間開始衰減，壩基滲漏溶蝕現(xiàn)象普遍發(fā)生，導(dǎo)致壩基滲漏，有的甚至影響到大壩安全[2- 4]。因而，正確分析評(píng)價(jià)防滲帷幕的完好程度，可望為大壩是否正常運(yùn)行的判定提供重要的依據(jù)。

據(jù)相關(guān)研究證明，大壩運(yùn)行多年后，壩基帷幕及混凝土腐蝕現(xiàn)象普遍，也會(huì)造成壩基帷幕防滲性能的衰減，可以根據(jù)pH值、水中Ca2+和膠狀析出物三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[5]。本文基于對(duì)壩前壩后庫(kù)水水位、廊道滲水、壩體滲漏水量、壩體滲流、滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等開展地下水宏觀動(dòng)態(tài)分析和區(qū)域水質(zhì)、化學(xué)成分、pH值和Ca2+濃度等地下水微觀動(dòng)態(tài)分析等研究結(jié)果，結(jié)合大壩巖基對(duì)壩基析出物進(jìn)行研究，檢測(cè)析出物的物理、化學(xué)特性和礦物成分以及排水孔水質(zhì)和水中微生物，可對(duì)巖基穩(wěn)定性及防滲帷幕耐久性做出初步推斷。

1 工程概況

華東地區(qū)某水電站樞紐位于閩江流域中游一級(jí)支流的Y河上，是Y河梯級(jí)開發(fā)中的第三級(jí)電站。電站樞紐由碾壓混凝土重力壩、引水隧洞、廠房及開關(guān)站等組成。攔河壩為整體式碾壓混凝土重力壩，最大壩高63 m，大壩于1995年10月竣工投入運(yùn)行，至今已在發(fā)電、防洪等方面取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。大壩建成后，在蓄水條件下，壩區(qū)上下游之間形成較大的水頭差，壩體介質(zhì)受到較大的滲透壓力，導(dǎo)致壩體出現(xiàn)少量滲漏，壩體廊道壁上出現(xiàn)明顯析出物。長(zhǎng)此以往，壩基少量水的漏失問(wèn)題會(huì)造成水與巖石之間、水與帷幕、混凝土之間的相互作用，可能引起壩基軟弱巖層的化學(xué)潛蝕等問(wèn)題，從而影響壩基的穩(wěn)定和帷幕的防滲性能，甚至危及大壩安全。

2 庫(kù)水及壩基水質(zhì)特征與水化學(xué)分析

2.1 庫(kù)水及壩基水質(zhì)特征

防滲帷幕長(zhǎng)期服役過(guò)程中容易受到壩基內(nèi)具有侵蝕性的環(huán)境水化學(xué)作用，大壩運(yùn)行一段時(shí)間后，水環(huán)境發(fā)生了變化，大量污染物在水庫(kù)長(zhǎng)時(shí)間滯留，庫(kù)水中有機(jī)質(zhì)的富集可導(dǎo)致下層庫(kù)水和部分壩基地下水的侵蝕性加強(qiáng)，對(duì)混凝土有溶出性和軟水性侵蝕，侵蝕帷幕水泥結(jié)石、基礎(chǔ)混凝土和壩基巖石，從而造成壩基帷幕防滲材料逐漸丟失，使帷幕防滲效果大大降低。因此，在前期研究的基礎(chǔ)上，在研究區(qū)域相應(yīng)壩段進(jìn)行庫(kù)水取樣，通過(guò)水化學(xué)分析研究不同水中水化學(xué)類型、pH值和Ca2+濃度，壩基水的pH值及有關(guān)參數(shù)可以作為評(píng)價(jià)防滲帷幕性狀的重要指標(biāo)。

該水電站在2017年后出現(xiàn)少量滲漏，每年5月和8月分別對(duì)該電站壩前庫(kù)水、壩基幕后地下水、壩體滲水水質(zhì)進(jìn)行采樣和化驗(yàn)分析，每次每個(gè)采樣點(diǎn)位均采集10個(gè)樣本。

對(duì)壩前庫(kù)水進(jìn)行取樣，采集壩前中泓水面、庫(kù)中、水底3個(gè)點(diǎn)位的庫(kù)水水樣，壩前庫(kù)水的水質(zhì)特征演變?nèi)鐖D1所示。由圖1可知：①壩前庫(kù)水的pH值在7.0～7.9之間，為弱堿性水；②存在少量的游離二氧化碳和侵蝕性二氧化碳，壩前庫(kù)水溶解氧隨著水深的增加呈下降趨勢(shì)，庫(kù)底溶解氧較低；③水硬度在36.9～51.5 mg/L之間，為極軟水；④壩前庫(kù)水礦化度和各離子權(quán)重變化都較大。

圖1 壩前庫(kù)水水質(zhì)特征演變分析

對(duì)壩體滲水采集壩肩外平臺(tái)和壩體排水孔進(jìn)行取樣，采集壩體滲水左壩肩裂縫(0+165)、壩體中部94平臺(tái)壩體排水孔(0+119)、左壩肩外平臺(tái)3個(gè)點(diǎn)位的水樣，對(duì)水樣進(jìn)行分析，壩體滲水水質(zhì)特征演變結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：①壩體滲水pH值在9.1～11.0之間，均呈堿性；②存在游離二氧化碳和侵蝕性二氧化碳；③壩體水孔滲水礦化度變化不大，但各離子權(quán)重變化較大；④壩體排水孔滲水介于極軟水和軟水之間。

圖2 壩體滲水水質(zhì)特征演變分析

對(duì)壩基幕后地下水從壩體廊道內(nèi)排水孔取樣，采集壩基幕后地下水排10號(hào)孔(0+156.5)、排35號(hào)孔(0+88.3)、排43號(hào)孔(0+66)和排49號(hào)孔(0+49)4個(gè)點(diǎn)位的水樣。對(duì)水樣進(jìn)行分析，壩基幕后地下水水質(zhì)特征演變結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：①壩基幕后地下水與壩肩地下水的水質(zhì)特征相似；②地下水的pH值在10.4以上，均呈強(qiáng)堿性；③不存在游離二氧化碳和侵蝕性二氧化碳；④排10號(hào)孔的水硬度在143～185mg/L之間，屬于中等硬水；⑤地下水礦化度和各離子權(quán)重變化都較大，因而水化學(xué)類型不同時(shí)期不同。

圖3 壩基幕后地下水水質(zhì)特征演變分析

由于壩基各排水孔內(nèi)積聚了大量的底質(zhì)，存在大量的有機(jī)物，因此，各排水孔所取的地下水均含有硫化氫等物質(zhì)，壩基幕后地下水中銨離子含量普遍比壩體滲水和壩前庫(kù)水大。

2.2 庫(kù)水及壩基水化學(xué)分析

3 壩體析出物的基本特征及其主要性質(zhì)

受環(huán)境溫度的影響，廊道內(nèi)排水孔的排水量會(huì)隨著不同時(shí)期溫度的變化而發(fā)生變化。由于熱脹冷縮的原因，當(dāng)氣溫高時(shí)，壩體膨脹而密實(shí)，廊道排水孔排水量相對(duì)較少；當(dāng)氣溫低時(shí)，壩體收縮，縫隙增大，廊道排水孔排水量明顯增多。壩體的析出物隨著排水量的變化而變化，受排水量影響，低溫時(shí)析出物的排出點(diǎn)增多，表面潮濕，析出物的排出量也增加[6]。結(jié)合近3年對(duì)壩體不同位置析出物進(jìn)行采樣分析，析出物的基本特征如表1所示。

表1 電站壩體析出物分析 %

通過(guò)對(duì)析出物的樣品進(jìn)行分析可知，上游廊道壁與下游廊道壁析出物的主要化學(xué)成分差別不大。上游廊道壁析出物的主要化學(xué)成分為CaO，析出物的燒失量和SiO2的含量也較多，其余成分Fe2O3、Al2O3、MgO、MnO、K2O、Na2O、P2O5的含量較??；下游廊道壁析出物的主要化學(xué)成分為CaO，且比重最大，析出物的燒失量也較大，含量較大的化學(xué)成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3等，其余成分MgO、MnO、K2O、Na2O、P2O5的含量較小。

分析可知，壩體析出物是一定環(huán)境下滲透水流作用形成的，其物理化學(xué)組分、理化指標(biāo)、宏微觀狀態(tài)及顆粒分析等諸多方面表明，析出物是化學(xué)侵蝕作用的產(chǎn)物，非機(jī)械管涌的產(chǎn)物，主要成分不同的析出物對(duì)壩基巖體強(qiáng)度的影響不同，以SiO2、Al2O3為主要成分的析出物是壩基巖石(尤其軟弱夾層)遭受溶蝕的標(biāo)志，說(shuō)明軟弱巖層在水長(zhǎng)期浸泡下性狀發(fā)生了變化。這一過(guò)程非常緩慢，即時(shí)清除析出物可避免其導(dǎo)致壩基帷幕防滲性能衰減，甚至失效。

4 壩基防滲帷幕性狀評(píng)價(jià)

壩基及庫(kù)水水質(zhì)特征是評(píng)價(jià)壩基防滲性狀完好與否的重要指標(biāo)，通過(guò)華東地區(qū)某大壩庫(kù)水及壩基水質(zhì)分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(pH值、水化學(xué)成分、析出物成分)，得出以下結(jié)論：

(1)部分壩基庫(kù)水pH值從庫(kù)前7.0～7.9之間的弱堿性水變?yōu)?0.4以上的強(qiáng)堿性水，庫(kù)水從極軟水變?yōu)閹?kù)后的軟水甚至中硬水，Ca2+濃度明顯增加,,說(shuō)明壩基帷幕防滲性能出現(xiàn)局部薄弱地段。

(3)通過(guò)對(duì)析出物與樣品的對(duì)比分析，初期下游廊道壁析出物的主要化學(xué)成分與上游廊道壁的析出物差別不大，但是運(yùn)行一段時(shí)間后，析出量逐漸增加，析出物的主要化學(xué)成分為CaO且比重最大，SiO2也成為析出物的主要成分，說(shuō)明壩基巖石(尤其軟弱夾層)遭受溶蝕，在水長(zhǎng)期浸泡下性狀發(fā)生了變化。

綜上所述，綜合評(píng)價(jià)該大壩防滲帷幕的整體防滲效果是基本完好，但局部壩段的壩基帷幕防滲性能有一定程度的衰減。在大壩的后續(xù)運(yùn)行中，對(duì)防滲性能有衰減的壩段需要開展進(jìn)一步研究，對(duì)目前運(yùn)行良好壩段的防滲帷幕需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)防滲帷幕運(yùn)行狀況動(dòng)態(tài)綜合評(píng)判帷幕的防滲性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)防滲帷幕的防滲能力衰減情況，并據(jù)此做出及時(shí)的補(bǔ)強(qiáng)措施。