某大壩右岸覆蓋層內(nèi)滲流性狀和防滲缺陷分析

呂高峰，王玉潔，朱錦杰，張 猛

(國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 310014)

1 工程概況

某大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩基開(kāi)挖高程2530.00 m，壩頂高程2654.80 m，防浪墻頂高程2656.00 m，最大壩高124.5 m，壩頂寬14 m。

大壩河床及右岸由第四紀(jì)堆積層組成，其右岸覆蓋層最大深度達(dá)420 m。第四紀(jì)堆積層主要由中、上更新統(tǒng)卵礫石層、粉質(zhì)壤土及塊碎石組成，具有不同程度的液鈣質(zhì)弱膠結(jié)作用和超固結(jié)壓實(shí)作用，結(jié)構(gòu)緊密，具有成巖特征。該堆積層自下而上有5個(gè)巖組構(gòu)成。①第一巖組為弱膠結(jié)卵礫石層，最大厚度超過(guò)100 m，具有一定的透水性，該層上、下分別由透水性較弱的第二巖組覆蓋和一層深灰色塊碎石土層頂托，從而使該層內(nèi)的地下水具有埋藏深、承壓水頭高、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等特點(diǎn)，且不與基巖裂隙承壓水直接發(fā)生交換。②第二巖組是壩址深部一巖組承壓水的隔水層，自壩址向上、下游延伸均達(dá)1.3～1.5 km，厚度自上游往下游逐漸變厚。向上游105 km附近基本尖滅，往右岸盆地中心延伸約600 m逐漸減至尖滅，并與上部第三巖組粉質(zhì)壤土層相搭接。③第三巖組是弱膠結(jié)卵礫石層與粉質(zhì)壤土互層，屬弱透水層。該層中的含礫粉質(zhì)壤土層進(jìn)入壩體后開(kāi)始出現(xiàn)，到壩軸線以后逐漸密集，而卵礫石層壩體下游尖滅。④第四巖組是弱膠結(jié)卵礫石層，透水性在5個(gè)巖層中相對(duì)較大，分布于右岸壩肩一帶，在壩址處出露高程為2500～2560 m。⑤第五巖組為粉質(zhì)壤土夾含炭化植物碎屑層，分布于2650 m高程以上谷坡一帶。

考慮大壩右岸防滲問(wèn)題，大壩右岸防滲壩0+343.500～壩0+610.000段采用“防滲墻+帷幕灌漿”處理，防滲墻最大深度約140 m，帷幕深入基礎(chǔ)相對(duì)隔水第二巖組內(nèi)5.0 m以上。防滲墻厚1.0 m，墻體分廊道上、下兩段，上層墻從壩肩分臺(tái)階施工，下層墻為廊道內(nèi)劈槽成墻;墻下為3排帷幕灌漿，最大帷幕深度120余m。壩0+610.000～壩0+710.000段右壩肩深厚覆蓋層繞滲區(qū)采用“懸掛式防滲墻”處理，墻體深入第三巖組一定高程下的粉質(zhì)壤土內(nèi)，為臺(tái)地上劈槽成墻，墻厚1.0 m，墻底高程約為2561 m，墻深78.5 m。

根據(jù)建壩蓄水后壩址區(qū)地下滲流場(chǎng)分析，右岸8號(hào)溝上游山坡的浸潤(rùn)面偏高，右岸山坡的抗滑穩(wěn)定不能滿足要求，在右岸山體下游2561.00 m高程布置了一條長(zhǎng)約300 m的排水廊道，沿廊道全線布置垂直向Φ100 mm排水孔，孔距3.0 m。同時(shí)，結(jié)合右壩肩廊道內(nèi)防滲墻施工需要，右岸還布置了兩條交通廊道，并在排水廊道下游80 m范圍內(nèi)的兩條交通廊道內(nèi)水平布置Φ100 mm排水孔，孔距3.0 m。

2 滲水性狀分析

2.1 滲水來(lái)源

為了監(jiān)測(cè)右岸滲流量，在1、2號(hào)交通廊道排水溝內(nèi)分別設(shè)置2個(gè)量水堰(1號(hào)交通廊道WE3－1和WE3－2、2 號(hào)交通廊道 WE4－1 和 WE4－2)。其中1 號(hào)交通廊道WE3(WE3－1、WE3－2之和)所測(cè)為壩0+440.00以左排水廊道和施工廊道滲漏量;2號(hào)交通廊道 WE4(WE4－1、WE4－2之和)所測(cè)為壩 0+440.00以右排水廊道和施工廊道滲漏量。在8號(hào)溝設(shè)置2個(gè)量水堰(WE7和WE8)，其中，WE7監(jiān)測(cè)8號(hào)溝靠近壩體側(cè)滲流量，WE8監(jiān)測(cè)其近右岸側(cè)滲流量。圖1是右岸施工排水廊道滲漏量測(cè)值過(guò)程線。

由圖1可知:

(1)WE3、WE4、WE7和WE8的滲漏量與庫(kù)水位呈明顯的正相關(guān)，庫(kù)水位對(duì)滲漏量影響很大，庫(kù)水是施工排水廊道滲漏的主要來(lái)源。因施工期間就已發(fā)現(xiàn)排水廊道內(nèi)有較大流量，地下水也是WE3、WE4滲流量的來(lái)源。WE7的滲漏量在庫(kù)水位降落到一定高程后趨于零，而WE8依舊有一定的滲漏量。從現(xiàn)場(chǎng)情況看，WE8所測(cè)滲漏量包含部分8號(hào)溝右側(cè)坡(遠(yuǎn)離庫(kù)水一側(cè)山坡)的地下水，因此，地下水對(duì)右岸8號(hào)溝滲漏量也有一定的影響。因當(dāng)?shù)亟涤贻^多，降雨對(duì)右岸8號(hào)溝總滲漏量也有一定的影響。

(2)截止到2014年3月7日，WE3的最大測(cè)值為4.17L/s，WE4的最大測(cè)值為137.36L/s，且滲漏量主要集中在量水堰WE4－1。說(shuō)明壩0+440.00以左排水廊道和施工廊道滲漏量很小，滲漏量主要集中在壩0+480.00以右排水廊道。

2.2 滲水路徑

為了解蓄水過(guò)程和運(yùn)行期防滲體下游地下水位的變化及繞壩滲流的途徑和態(tài)勢(shì)，在右岸灌漿帷幕端頭和下游岸坡，選擇適當(dāng)位置分別布置20個(gè)地下水位孔。地下水位孔布置和其2013年11月26日測(cè)值分布見(jiàn)圖2。

圖1 量水堰滲漏量過(guò)程線

圖2 大壩右岸岸坡水位孔2013年11月26日測(cè)值分布(單位:m)

由圖2可知:

(1)水位孔測(cè)值整體上呈現(xiàn)從上游向下游遞減，右岸向壩體方向遞減的規(guī)律，GC07位于7號(hào)沖溝內(nèi)，測(cè)值非常接近上游庫(kù)水位，由于排水廊道上游側(cè)的GC12和GC13位于第三巖組，其滲透系數(shù)較大，因排水廊道的排水作用，導(dǎo)致其測(cè)值小于排水廊道下游側(cè)的GC08和GC16;另一方面，GC07～GC09測(cè)值整體上呈現(xiàn)從上游到下游的遞減。說(shuō)明庫(kù)水通過(guò)防滲墻右側(cè)的7、8號(hào)溝進(jìn)入下游的可能性極大。

(2)位于壩0+543.50的GC11測(cè)孔測(cè)值明顯大于其左右兩側(cè)測(cè)孔GY4、GC6，說(shuō)明壩0+543.50附近防滲墻存在較為明顯的滲漏現(xiàn)象，且該孔正對(duì)下游側(cè)的排水廊道內(nèi)的排水孔滲漏量較大，該孔位置與雷達(dá)探測(cè)結(jié)論中疑似滲漏的樁號(hào)段0+503～0+516非常接近。

2.3 滲流穩(wěn)定

根據(jù)鄰近水位孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算鄰近水位孔的平均滲透坡降，靠近排水廊道的水位孔，根據(jù)水位孔到排水廊道的最近距離和假定孔口出逸計(jì)算排水廊道出逸滲透比降，根據(jù)靠近地表出逸點(diǎn)的水位孔數(shù)據(jù)和出逸點(diǎn)高程計(jì)算出逸點(diǎn)滲透坡降。計(jì)算表明:

(1)各水位孔之間平均滲透坡降最大值整體都很大，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。

(2)根據(jù)靠近排水廊道的水位孔計(jì)算得到的排水廊道滲透坡降測(cè)值整體較大，尤其是GC08平均滲透坡降最大值達(dá)到了1.80，已超過(guò)該部位所處的第四巖組的允許滲透坡降(允許滲透坡降為1.0～1.1)，出逸位置靠近前期滲水含沙量較大的排水孔X1、X3和X61。從前期運(yùn)行情況看，X61排水孔(壩0+486.00、攔0+132.40)分別于2008年12月3日、18日兩次出現(xiàn)渾水現(xiàn)象，渾水呈青灰色，其中含大量粉土、粉細(xì)砂和少量腐植質(zhì)，可能還含部分水泥。

(3)GC03與滲漏點(diǎn)S06的最大滲透坡降為1.14，滲透坡降也較大。下游滲漏點(diǎn)S06處于第四巖組，其允許滲透坡降在1.0～1.1，計(jì)算的滲透坡降是兩孔間平均滲透坡降的最大值，局部滲透坡降最大值還要高于計(jì)算值，滲漏點(diǎn)易產(chǎn)生滲透破壞。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查看情況看，右岸邊坡局部破壞較為嚴(yán)重(局部混凝土預(yù)制塊下回填的砂卵石、反濾層及原本的堆積體都已被嚴(yán)重掏空，局部漿砌石擋墻被護(hù)坡嚴(yán)重?cái)D壓變形)。反濾層和外側(cè)堆石體的掏空及漿砌石擋墻的擠壓變形對(duì)邊坡穩(wěn)定極為不利。

3 防滲系統(tǒng)缺陷及影響分析

3.1 防滲系統(tǒng)缺陷

滲壓計(jì)主要布置在大壩防滲墻下游施工廊道頂拱附近、底板附近、防滲墻中部和防滲墻底部，滲壓計(jì)測(cè)值表明:

(1)在蓄水前(2005年1月1日)，同一高程的滲壓計(jì)測(cè)值較為接近，高程越高，滲壓計(jì)測(cè)值越大;蓄水后，滲壓計(jì)測(cè)值整體增大，越靠近右岸越大，庫(kù)水主要繞過(guò)防滲墻右側(cè)進(jìn)入下游。

(2)壩0+315斷面防滲墻底部的P43滲壓計(jì)在2013年11月26日的測(cè)值甚至超過(guò)了壩0+610斷面相應(yīng)部位P52的測(cè)值，且P43的測(cè)值均大于同斷面上部的P42和P41，該斷面防滲墻底部附近有可能沒(méi)有進(jìn)入相對(duì)隔水層，防滲墻底部存在明顯的滲流。壩0+405斷面防滲墻底部滲壓計(jì)P46的測(cè)值也大于相同斷面上部的P45和P44，該斷面防滲墻底部附近也可能存在滲流現(xiàn)象，且該部位施工廊道頂部滲壓計(jì)大于兩側(cè)同高程的滲壓計(jì)，接頭帷幕可能存在缺陷。

3.2 防滲系統(tǒng)缺陷影響

以施工廊道頂部防滲墻接頭帷幕可能存在缺陷的壩0+405斷面為分析對(duì)象，建立有限元模型，分析施工廊道頂部帷幕接頭缺陷對(duì)滲流的影響。網(wǎng)格區(qū)域包括壩軸線上游735 m到下游650 m，總長(zhǎng)1385 m;壩軸向總長(zhǎng)50 m;在高程方向，網(wǎng)格從壩頂高程2654.5 m到基巖2220 m高程，包含已勘測(cè)查明的所有覆蓋層。防滲結(jié)構(gòu)包括壩體的瀝青混凝土心墻，上下分段式防滲墻、帷幕灌漿接頭，深入基礎(chǔ)相對(duì)隔水第二巖組內(nèi)5.0 m以上的帷幕。帷幕灌漿接頭網(wǎng)格形態(tài)按設(shè)計(jì)圖紙形態(tài)建立，底部帷幕厚度為3 m。有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

圖3 有限元網(wǎng)格

根據(jù)工程前期試驗(yàn)等資料，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù) cm·s－1

為分析施工廊道頂部帷幕接頭缺陷對(duì)滲流的影響，初擬兩種計(jì)算方案，兩種方案中上游水位均為2650 m，方案1計(jì)算參數(shù)如表1所示;方案2防滲墻接頭帷幕出現(xiàn)破損，對(duì)應(yīng)破壞單位滲透系數(shù)為3×10－1cm/s，其他參數(shù)同方案1。

圖4為方案1浸潤(rùn)線和等勢(shì)線整體分布，從圖4可以看出，浸潤(rùn)線在防滲墻部分較為密集，覆蓋層第一巖組(Ⅰ)的滲透系數(shù)為 1 ×10－5cm/s，滲透系數(shù)很小，相當(dāng)于相對(duì)隔水層，該部位水頭等勢(shì)線也較為密集。

圖4 方案1浸潤(rùn)線和水頭等勢(shì)線整體分布(單位:m)

圖5為方案1和方案2浸潤(rùn)線和水頭等勢(shì)線防滲系統(tǒng)局部分布。由圖5可知:滲壓計(jì)P44、P45和P46埋設(shè)部位的計(jì)算值與方案1的實(shí)測(cè)值非常接近。P54埋設(shè)位置位于施工廊道頂部帷幕內(nèi)，水頭等勢(shì)線在防滲墻接頭帷幕內(nèi)均勻分布，該部位因滲透系數(shù)小于防滲墻，所以其水頭等勢(shì)線較防滲墻稀疏，但較覆蓋層密集，水頭等勢(shì)線密集對(duì)該處的滲壓計(jì)測(cè)值影響較大，在較小的距離變化，測(cè)值將發(fā)生較大的變化，滲壓計(jì)測(cè)值在防滲墻接頭帷幕內(nèi)極其敏感。接頭帷幕上下游側(cè)水頭值分別與防滲墻上下游表面水頭值一致。由此也可推斷，防滲墻上下游側(cè)水頭值(等同于接頭帷幕上下游側(cè)水頭值)受覆蓋層材料、壩體材料和防滲系統(tǒng)共同影響，防滲墻接頭帷幕內(nèi)水頭等勢(shì)線分布受接頭帷幕形態(tài)影響，且有極強(qiáng)的敏感性。防滲墻接頭帷幕局部破損后，且其滲透系數(shù)為3×10－1cm/s時(shí)，施工廊道頂部水頭等勢(shì)線變疏，將增大防滲墻下游側(cè)水頭，滲壓計(jì)P54所在部位水頭值也會(huì)增大。因帷幕接頭破損后，防滲墻底部的水頭值變化很小，P54埋設(shè)位置水頭實(shí)測(cè)值與防滲墻底部滲壓計(jì)所在部位實(shí)測(cè)值的差值越大，防滲墻接頭帷幕損壞的概率越高。

圖5 方案1和方案2浸潤(rùn)線和水頭等勢(shì)線防滲系統(tǒng)局部分布(單位:m)

當(dāng)防滲墻接頭帷幕破損后，將增大接頭帷幕附近覆蓋層內(nèi)的滲透坡降，容易造成局部破壞。從現(xiàn)階段排水廊道排水孔滲漏水中含沙量看，局部滲透坡降超過(guò)覆蓋層的允許滲透坡降。

4 結(jié)論

(1)右岸滲漏量整體較大，庫(kù)水是滲水的主要來(lái)源，地下水和降雨也是滲水的組成部分。庫(kù)水通過(guò)防滲墻右側(cè)的7、8號(hào)溝進(jìn)入下游的可能性極大。

(2)各水位孔之間、水位孔與排水孔之間以及水位孔與滲水點(diǎn)平均滲透坡降的最大值整體都很大，已經(jīng)超過(guò)第四層覆蓋層的允許滲透坡降，對(duì)邊坡穩(wěn)定和排水孔滲流穩(wěn)定不利。

(3)從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，GC11測(cè)孔附近防滲墻可能存在滲漏現(xiàn)象，且該孔與雷達(dá)探測(cè) 結(jié)論中重點(diǎn)關(guān)注的樁號(hào)段0+503～0+516非常接近。壩0+315和0+405斷面防滲墻也存在滲流現(xiàn)象。

(4)防滲墻接頭帷幕局部破壞將增大防滲墻下游水頭和浸潤(rùn)線高程。并將增大附近覆蓋層內(nèi)的滲透坡降，容易造成局部破壞。

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