輸水交叉建筑物進出口段滲漏成因綜合分析

胡 江，王春紅，馬福恒

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 2.南京瑞迪水利信息科技有限公司，江蘇 南京 210029)

為穿越河渠、道路和障礙物，調水工程中多設置渡槽、倒虹吸和隧洞等輸水交叉建筑物連接上下游渠道。當穿越河道時，建筑物進出口漸變段和閘室一般布置于河道兩岸岸坡上，并采用防護措施（裹頭）保護。由于天然地質缺陷、施工質量不佳、生物破壞等因素影響，進出口漸變段常是輸水交叉建筑物的薄弱環(huán)節(jié)[1-2]。如某輸水交叉建筑物漸變段施工質量控制不佳，通水運行后相鄰擋墻沉降差較大，造成兩節(jié)間止水拉裂，裹頭滲水，危及工程長期滲流和結構安全，嚴重影響工程運行[3]。此類輸水交叉建筑物漸變段滲流安全問題具有普遍性，不利于長距離調水工程的長效安全運行，值得關注[4]。

對滲漏成因的科學分析可為合理采取處置措施提供依據，然而，由于水工建筑物滲流問題的復雜性，采用單一方法很難準確辨識滲流的異常成因，為此，多采用綜合分析方法。盛金保等[5]根據設計、施工和現場檢測資料，分析了株樹橋水庫面板壩滲漏的原因；包騰飛等[6]針對李家峽大壩6 號壩段壩基揚壓力異常現象，基于壩基揚壓力、工程區(qū)地下水位等實測資料，建立了工程區(qū)水文地質模型，結合壩基鉆孔取芯、水質分析等試驗成果，揭示了揚壓力異常成因；劉建剛等[7]綜合漏水量、溫度、電導率和pH 值等數據，得到了豐滿大壩壩體滲漏模式；宋漢周等[8]從工程和水文地質條件、揚壓力定性和定量分析、現場試驗（包括涌水試驗、封孔試驗）及水質分析等多個方面，探討了水東水電站Up07 孔位揚壓力異常的起因、演變及影響范圍等；Hu 等[9-10]通過現場檢測、鉆孔壓水試驗、滲漏量統計模型和有限元反分析等多種手段，確定了某重力壩壩基揚壓力驟升的成因，還通過隱患探測、析出物成分檢測、滲漏量統計模型和有限元反分析等多種方法，揭示了某重力壩壩體滲漏量增大的原因。

本文以某調水工程跨河渡槽出口段為例，采用綜合分析方法研究揭示裹頭滲漏成因。采用統計模型分析出口閘和漸變段滲流的主要影響因素；通過變形監(jiān)測資料分析，并結合工程和水文地質條件，判斷引起裹頭滲漏的原因；進而依據流場法、探地雷達和高密度電阻率法等地球物理探測方法判斷滲漏入口和通道等，從而為采取防滲補強措施決策提供依據。

1 工程和安全監(jiān)測概況

某渡槽雙線兩槽布置（圖1），單槽頂部、底部均寬15 m，兩槽間內壁間距5.0 m。出口段布置見圖2，連接段長20 m（樁號15+016—15+036），閘室長15 m（樁號15+036—15+051），漸變段長70 m（樁號15+051—15+121），明渠長3.9 m（樁號15+121—15+125）。

圖1 渡槽平面布置示意Fig.1 Schematic diagram of the structural layout of the aqueduct

圖2 渡槽出口段平面布置與垂直位移測點分布Fig.2 Structural layout and distribution of vertical displacement measuring points of the outlet section of the aqueduct

渡槽工程區(qū)主要地貌形態(tài)有河床、漫灘、一級階地、二級階地及崗地等。地層主要有上第三系（N）和第四系（Q），新老地層呈不整合接觸。依據賦存特征，工程區(qū)地下水分第四系孔隙含水層和上第三系孔隙、裂隙含水層，其中第四系孔隙含水層由全新統礫砂含水層和上更新統礫砂含水層組成。如圖3 所示，出口連接段、閘室段、漸變段和渠道段均位于左岸二級階地，地面高程約131 m，渠道水位146.49 m。出口連接段與閘室段建基面高程138.14 m，地層主要為Q3粉質黏土、礫砂。漸變段、渠道段地層主要為Q3粉質黏土，渠底高程138.49 m。粉質黏土可塑-硬塑狀，具中等壓縮性，弱膨脹性。粉質黏土承載力標準值170～200 kPa，強度不能滿足基底應力284 kPa 要求，施工時進行了振動碎石樁加固處理。礫砂承載力標準值300～350 kPa。

圖3 出口段的工程地質與處置建議示意(單位: m)Fig.3 Engineering geology and proposed rehabilitation measure for the outlet section (unit: m)

考慮到上述地質條件，工程通水驗收時曾提出對渡槽出口段采用靜壓注漿的方式加強防滲，以防止?jié)u變段通過下部砂礫石填筑地基往上游裹頭側滲漏。但因該調水工程不能中斷輸水，此防滲措施已不具備實施條件而一直未實施。

渡槽出口連接段和閘室段、漸變段和渠道表面垂直位移測點（BM）分別見圖4（a）和圖2，出口段兩側測壓管（BV）和閘室底板滲壓計（P）布置見圖4（b）。滲壓計P11、P12、P13 分別位于閘室上游側齒槽、底板中部和下游側齒槽內，其中P13 測點已失效。除BV15 測壓管位于弱膨脹土內，其余測壓管和滲壓計均安裝在砂礫石基礎內。

2 出口段裹頭滲漏現象和已采取的處理措施

2016年5月11日，巡查發(fā)現渡槽出口連接段左右槽墩交接部位對應裹頭處滲漏（圖4（b）），滲漏量約7 L/min，對該部位滲水進行了臨時引排處理，并定期測量滲漏量，滲漏量過程線見圖5。

圖4 出口段垂直位移和滲流安全監(jiān)測測點平面布置Fig.4 Layout of monitoring points for vertical displacement and seepage of the outlet section

圖5 出口裹頭滲漏量與渠道水位過程線Fig.5 Records of leakage flow and cannel water level of the protection structure of the outlet section

2017年3月18日，檢測到滲漏量為20 L/min。2017年3月10—18日，通過閘門調度，在靜水條件下對左右聯出口連接段上下游各2 條結構縫進行水下檢查。2017年4月5—20日和2017年5月1—12日，分別完成右聯和左聯結構縫鼓包處理。2017年8月9日—11月16日，未出現滲水。但2017年11月17—28日，隨溫度降低，裹頭再次出現滲漏，期間最大滲漏量為5.4 L/min（2017年11月24日），說明滲漏不是由出口連接段結構縫引起的。

2019年1月中旬大雪降臨后又出現滲水，至3月6日結束，此次最大滲漏量約12 L/min（2019年1月29日）。2019年3月7日—11月20日，溫度較高，無滲水。2019年11月21日再次滲水，且滲漏量顯著增大，11月23日、12月30日滲漏量分別為38.0、42.4 L/min。2020年1月31日、2月29日、3月28日、4月30日和5月25日滲漏量分別為31、16、60、74和110 L/min。

3 滲流安全監(jiān)測資料分析

為分析出口段滲透壓力和閘室底板揚壓力與渠道水位、氣溫、降雨量等環(huán)境因素的關系，構建統計模型，確定出口段滲流的主要影響因素。

3.1 滲流安全監(jiān)測數據

渠道水位、測壓管BV09—BV16 及滲壓計P11、P12 的觀測時段分別為2014-12-12—2020-09-20、2017-08-19—2020-09-20 和2013-02-01—2020-09-20。有效測壓管、裹頭滲水點附近及關注處的滲壓計與渠道水位的測值變化過程線見圖6。

3.2 滲流安全監(jiān)測數據定性分析

自2018年年底開始，裹頭滲漏量與閘室底板滲壓計、部分測壓管水位變化過程呈現一定的相關性。由圖6 可見，2019年1—3月、2019年11月—2020年7月測壓管BV03、BV09、BV12、BV16 及滲壓計P11、P12 的水頭較高，其間裹頭滲漏量也較大，2019年4—10月，上述滲壓計、測壓管的水頭較低，裹頭未滲漏。相比而言，測壓管BV15 水頭整體偏低。推測測點水頭與所埋設地層有關，砂礫石基礎透水、滲透系數大，測點水頭較高；弱膨脹土滲透系數小，BV15 測點水頭較低。

圖6 出口段測壓管和滲壓計測值變化過程線Fig.6 Records of installed piezometers in the outlet section

2019-11-27—2020-07-27 期間， 滲壓計P11、P12 的揚壓力值高于設計值138.1 m，最大值分別為139.47 和139.12 m（2019年12月4日）。

3.3 滲流安全監(jiān)測數據定量分析

采用灰色關聯度度量滲透壓力、揚壓力等滲流變量與渠道水位間的相關性，灰色關聯度計算方法和評判標準等詳見參考文獻[11]，計算結果見表1。滲流變量間的灰色關聯度均超過了0.6，但與渠道水位之間的相關性不顯著，均小于0.6。

表1 測壓管和滲壓計與渠道水位間的灰色關聯度Tab.1 Grey correlation degrees between piezometers and cannel water level

考慮到滲流受渠道水位、氣溫、降雨量和時效等影響，參照參考文獻[12]中土石壩滲流壓力模型，構建測壓管和滲壓計測點測值的回歸分析模型。選擇5 個測壓管（BV03、BV09、BV12、BV15 和BV16）和2 個滲壓計（P11 和P12）實測數據，通過試算確定氣溫和渠道水位滯后天數分別取為11 和7 d，構建回歸分析模型?？紤]到數據完整性，統計模型時間序列為2018-01-01—2020-09-20，擬合精度、各變量影響大小列于表2，擬合效果見圖7。其中，BV09、BV12 兩個測點模型復相關系數均小于0.8，擬合精度較低，未在此列出。

圖7 各測壓管和滲壓計測點實測值和擬合值對比Fig.7 Comparison of measured and fitted values of piezometers

表2 各滲流測點統計模型的復相關系數及變量的相對影響Tab.2 Multiple correlation coefficients of statistical models of piezometers and relative influences of variables

從表2 可見，漸變段基礎滲透壓力和閘室底板揚壓力主要受溫度影響，且與溫度呈負相關關系，溫度越高，測值越小，反之亦然；相比而言，受渠道水位影響較小。這與前述滲漏的定性分析是一致的，低溫時段，裹頭滲水，漸變段基礎滲透壓力和閘室底板揚壓力增大，而隨著氣溫升高滲漏消失、滲透壓力和揚壓力減小。該調水工程渠道水位年變幅較小，除2020年4月29日至6月20日因加大流量輸水期間水位略升高外，其余年份渠道水位年變幅小于1 m；渠道水位對滲流影響較小。此外，滲流呈現一定趨勢變化，故時效較顯著。

4 滲漏成因分析與處置措施建議

4.1 變形安全監(jiān)測資料分析

變形安全監(jiān)測時間序列為2014-04-03—2020-06-03。出口段兩側沉降變形縱向分布和沉降差分別見圖8 和圖9。渡槽出口段存在沉降變形，且沉降尚未收斂，仍在發(fā)展。出口段兩側累計沉降量分布規(guī)律基本一致，漸變段累計沉降量相對較小，閘室和下游高填方渠道相對較大。這是因為在通水運行過程中，出口連接段、閘室段、漸變段及渠道段的基礎結構型式不同，上層建筑物結構重量不同，以至于相鄰結構產生的沉降量不一致。部分結構縫兩側結構沉降差較大，如連接段下游與閘室上游右側的沉降差為18.50 mm，閘室與漸變段連接處左、右側的沉降差分別為19.32、20.07 mm，漸變段左、右側4#、5#擋墻的沉降差分別為29.59、15.60 mm?？梢?，連接段與閘室段、閘室段與漸變段、漸變段的擋墻之間存在不均勻沉降。

圖8 出口段左右兩側沿縱向各測點累計沉降量Fig.8 Cumulative settlements of the two sides of the outlet section along the longitudinal direction

圖9 出口閘、出口漸變段結構縫兩側沉降及沉降差（單位：mm）Fig.9 Settlements and their differences on both sides of the outlet section (unit: mm)

土質地基允許最大沉降差應以保證建筑物安全和正常使用為原則。該工程沉降差的設計參考值30 mm，出口漸變段左側4#、5#擋墻的沉降差已接近該參考值。

4.2 水文和工程地質資料分析

結構縫兩側出現較大沉降差時止水拉裂破損，渠道內水通過結構縫向基礎內部滲漏。推測閘室段與漸變段及漸變段4#、5#擋墻間的結構縫為可能滲漏點，連接段下部、閘室段和漸變段底板基礎均為砂礫石填筑，透水性強；漸變段擋墻兩側及下游渠道基礎為弱膨脹土，透水性差，即圖3 中的I-I 斷面處形成不透水層，當漸變段因不均勻沉降導致止水破損引起滲漏時，滲水主要向上游裹頭方向滲透。

渡槽出口裹頭為高填方，且基礎為砂礫石填筑，滲透性強，測壓管水位總體上比渠道水位低5～6 m，滲水能夠迅速排出裹頭。比較左側（BV09—BV11）和右側（BV12—BV14）測壓管水位發(fā)現，右側測壓管水位整體比左側高約2 m，左側滲漏通道較右側更大，右側測壓管水平較左側高，滲水主要向左側上游滲透。

結構縫止水破損處的開合度受環(huán)境溫度影響大，環(huán)境溫度高時，破損處收縮，反之張開。因此，在2017—2019年期間，夏季環(huán)境溫度較高時，出口裹頭未出現滲漏，冬季溫度較低時，滲漏量增大，且2019年底至2020年初滲漏量顯著增加，這說明出口滲水在出口段（漸變段、閘室段及連接段）底板連通的可能性非常大。入滲會使建筑物基礎土體進一步軟化，導致建筑物下沉，引起沉降不收斂現象。

4.3 隱患探測分析

滲漏入口的探測方法主要有偽隨機流場法、直流充電法和人工交流電場源磁測法等；滲漏通道的探測方法主要有高密度電法、探地雷達法、瞬變電磁法、面波法等，各類探測方法原理詳見文獻[13]。

(1)滲漏入口。偽隨機流場法和直流充電法測線布置見圖10[14]。檢測結果表明：滲漏主要來源于漸變段中5#、6#結構縫（4#、5#擋墻間及漸變段與渠道間）的滲漏異常區(qū)，即圖10 中Ⅰ#、Ⅱ#異常區(qū)。其中Ⅰ#異常區(qū)為以水面左邊線為起點，分別沿5#、6#結構縫向渠中心2.3～15.5 m、2.6～19.5 m 范圍，及5#、6#結構縫擋墻與底板結構縫圈定的區(qū)域；Ⅱ#異常區(qū)為以水面右邊線為起點，分別沿5#、6#結構縫向渠中心2.6～14.0 m、2.4～22.2 m 范圍，及5#、6#結構縫擋墻與底板結構縫圈定的區(qū)域。

圖10 偽隨機流場法和直流充電法檢測到的滲流異常區(qū)域Fig.10 Abnormal seepage areas detected by the flow field and the charging methods

(2)滲漏通道。滲漏通道探測采用探地雷達和高密度電阻率法，布線見圖11。前者采用SIR-3000 型地質雷達，及100 MHz 和低頻組合一體式天線；后者采用WGMD-6 高密度測量系統。其中，探地雷達探測法布置A～I共9 條測線，測線A、B分別沿漸變段左、右岸布置，長分別為68、60 m；測線C沿左岸道路路面、閘室交通橋、右岸道路路面布置，長150 m；測線D沿裹頭外部順渠道方向布置，長60 m；測線E沿裹頭外部左岸垂直渠道方向布置，長48 m；測線F沿裹頭外部左岸豎直方向布置，長8 m；測線G～I與左岸對稱布置。高密度電阻率法沿漸變段左、右側縱向各布置1 條測線，各長144 m。

圖11 出口段的高密度電阻率法和探地雷達法測線布置Fig.11 Survey line layouts of the high-density resistivity and the ground penetrating radar method for the outlet section

探地雷達測線A～C的成果見圖12。由圖12（a）、（b）及圖12（c）、（d）可知，漸變段左側距交通橋63.2～67.0 m、深0.5～14.0 m ，及右側距交通橋54.2～60.6 m、深0.5～7.5 m 范圍內，地質雷達出現不規(guī)則散射波，垂直截面斷面波存在異常，兩個區(qū)域雷達反射波表現為波形起伏特性，推斷為高含水異常區(qū)域。

圖12 探地雷達探測成果Fig.12 Detection result maps obtained by the ground penetrating radar method

漸變段左、右側（探測長度均為144 m）的高密度電阻率法檢測結果見圖13?？梢?，視電阻率在左側測線58～69 m、深5.5～13.4 m 范圍，及右側54.1～66.3 m、深6.0～15.6 m 范圍內，分別呈現單個低阻閉合區(qū)，推測這兩個區(qū)域土層含水率較高、土體相對偏軟，為滲漏通道。結合工程地質條件可知，探測得到的高含水區(qū)域主要位于滲漏入口附近的砂礫石基礎。

圖13 漸變段左右兩側反演視電阻率分布Fig.13 Inverted apparent resistivity distribution maps on both sides of the transition section

4.4 綜合分析

通水運行過程中，出口連接段、閘室段、漸變段及渠道段的基礎結構型式不同，上層建筑物結構重量也不同，使得相鄰結構產生了沉降差。閘室段與漸變段、漸變段與下游渠道段之間存在較大不均勻沉降，導致結構縫止水受損。

漸變段5#、6#結構縫為主要滲漏點，連接段下部、閘室段和漸變段底板基礎均為砂礫石填筑，透水性強，漸變段擋墻兩側及下游渠道基礎為弱膨脹土，透水性差，滲水主要向上游裹頭方向滲透。滲透壓力和底板揚壓力主要受氣溫和時效影響，受渠道水位影響較小。

探測成果進一步證實，漸變段5#、6#結構縫及其與底板結構縫圈定的區(qū)域為滲漏入口，滲漏流向砂礫石基礎。

4.5 處置措施建議

由于該調水工程常年運行，難以對工程進行停水檢修，若通過在漸變段擋墻結構縫下部打斜管灌漿，難以保證截住下部砂礫石基礎層的滲漏通道；同樣，缺陷位置水下修復效果也不理想。考慮到兩側邊坡及出口渠段的填筑料均為弱膨脹土，滲透性較小，可在基礎周圍形成防滲體，而漸變段底板、閘室段和連接段下部基礎填筑料為砂礫石填筑，滲透系數較大，可通過截斷砂礫石料填筑層的滲流通道實現減小滲漏的目的。因此，可采用在閘室段增加帷幕截斷滲漏通道的處置方案（圖3）。

5 結 語

本文采用滲流和變形安全監(jiān)測資料分析、水文和工程地質條件分析、滲漏入口和通道地球物理探測等多種方法探討了某調水工程一渡槽出口段裹頭滲漏的成因。結果表明，漸變段末端結構縫止水受兩側沉降差影響拉裂破損，為主要滲漏點，滲水通過漸變段、閘室段和連接段砂礫石基礎，最終從裹頭側流出。結構縫止水破損受氣溫影響顯著，溫度較低的冬春季，滲漏增大，漸變段基礎滲透壓力和閘室底板揚壓力升高；反之亦然。滲流還呈一定發(fā)展趨勢，時效顯著，亟需加固處置?？紤]到該調水工程常年運行，渡槽難以停水檢修，對漸變段擋墻結構縫下部打斜管灌漿和對缺陷位置水下修復效果不理想，建議采取出口閘段增加帷幕截斷滲漏通道的處置方案。

輸水交叉建筑物滲漏成因復雜，采用多種方法分析其形成機理，有助于排除可能存在的不確定性，從而為采取科學合理的加固處理措施提供依據。