采用示蹤稀釋法檢測基坑滲漏問題研究

周 建, 何 英 建, 熊 世 強

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

硬梁包水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣境內的大渡河干流上,其上游為瀘定水電站,下游接大崗山水電站。首部樞紐工程分三期施工:一期施工導流明渠,二期施工基坑閘壩,三期施工面板堆石壩。硬梁包工程施工至二期重要的施工階段時其存在的基坑滲漏問題仍然沒有辦法解決,而且根據現場施工人員多日對基坑滲流的監測發現:當圍堰外的河流流量明顯增大時,基坑內的滲流量亦隨之增加。除此之外,采取了對基坑內的幾個滲漏點進行水流采樣、同時亦采集了大渡河內的水樣以及山上泉水的方式進行對比以確認滲漏水流的主要來源。如今,隨著超深基坑的不斷出現,類似硬梁包工程的深厚漂孤卵礫石容易出現大孔隙強滲透,而超規范的振沖碎石樁施工較易擊穿土層進而造成局部地層流失形成空洞,同時,超深、大面積防滲體施工難度大、深部不連續接頭質量差而容易引發基坑安全事故[1]。基坑工程的建設目的是形成一個封閉的結構體以便于地下工程的施工。然而,基坑發生滲漏會導致圍護體系周圍地下水滲漏,導致土體的物理性質發生改變而影響施工安全[2]。筆者依托四川省硬梁包水電站二期基坑工程分析了二期基坑滲漏點的滲水來源,探明了二期基坑滲漏點的滲漏路徑和滲漏通道的坐標位置、深度,為其提供了防滲加固建議范圍,所取得的經驗可為多源信息融合判定防滲體質量體系提供借鑒。

2 硬梁包水電站的基本情況

硬梁包水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣境內的大渡河干流上,為四川省大渡河干流最新規劃28級方案中的第14級電站,其上游為瀘定水電站,下游接大崗山水電站。工程規模為二等大(2)型,采用“混凝土閘和面板堆石壩+左岸引水系統+地下廠房”樞紐的總布置方案。閘址處安裝裝機容量為3.6萬kW的生態機組以滿足134.7 m3/s的最小生態流量下泄要求。主電站額定引用流量為1 261.2 m3/s,其通過2條長約14.4 km的引水隧洞在下游花石包地下廠房安裝4臺、單機容量為27萬kW的機組發電。

該電站首部樞紐的二期基坑主要用于進水口(最低開挖高程 1 210 m)、生態電站廠房(最低開挖高程1 194 m)及閘壩(最低開挖高程1 207 m)等主體建筑物的施工。二期基坑的導流建筑物由主河床上、下游圍堰和導流明渠縱向圍堰等建筑物組成。其技施圖階段的主河床上、下游圍堰及導流明渠縱向圍堰的防滲設計情況為:

(1)主河床上游圍堰。主河床上游圍堰為土石圍堰,采用復合土工膜心墻+混凝土防滲墻進行防滲,最大堰高17 m。主河床上游圍堰為4級建筑物,擋水標準采用全年20 a一遇,相應洪峰流量為5 510 m3/h,對應水位高程1 233.22 m,堰頂高程1 235 m,戧堤頂高程1 228 m。堰體采用350 g/0.8 mm HDPE/350 g復合土工膜心墻防滲,底部通過蓋帽混凝土與混凝土防滲墻連接,基礎采用混凝土防滲墻防滲,墻厚0.8 m,墻底深入第④層(相對隔水層)4 m,墻底高程為1 202～1 206 m。防滲墻施工平臺高程為1 228 m,1 228～1 235 m高程為水上堰體區,堰頂寬度為10 m,上下游兩側坡比為1∶2,在迎水面防滲墻平臺以下高程設有2.5 m厚的拋填大塊石護坡,迎水面防滲墻平臺以上高程設有1 m厚的干砌大塊石護坡。

(2)導流明渠縱向圍堰。導流明渠縱向圍堰全段與導流明渠左邊墻(1 m厚的鋼筋混凝土)結合布置,為土石圍堰。縱向圍堰全段基礎采用高噴防滲墻防滲,其有效厚度為0.8 m,高噴防滲墻嵌入第④層4 m,墻底高程為1 208 m。

(3)主河床下游圍堰。主河床下游圍堰為土石圍堰,采用“復合土工膜心墻+混凝土防滲墻”進行防滲,最大堰高12 m。主河床上游圍堰為4級建筑物,擋水標準采用全年20 a一遇,相應洪峰流量為5 510 m3/h,對應水位高程為1 226.07 m,堰頂高程為1 228 m,防滲墻施工平臺的高程為1 221.5 m。堰體采用350 g/0.8 mm HDPE/350 g的復合土工膜心墻防滲,底部通過蓋帽混凝土與混凝土防滲墻連接,基礎采用混凝土防滲墻防滲,墻厚0.8 m,墻底深入第④層(相對隔水層)4 m,墻底高程為1 199 m。防滲墻施工平臺的高程為1 221.5 m,1 221.5～1 228 m高程為水上堰體區,堰頂寬度為10 m,上下游兩側坡比為1∶2,在迎水面防滲墻平臺以下高程設有2 m厚的拋填大塊石護坡,迎水面防滲墻平臺以上高程設有0.8 m厚的干砌大塊石護坡。

當二期基坑抽排水位高程降至1 212 m時,隨著左岸邊坡、基坑的下挖,左岸下游護岸、尾水渠邊坡、生態廠房邊坡從坡內向坡外方向出現的股狀滲水點增加,滲水高程為1 214 m左右且其均為清水,分析認為其是通過第③層(相對隔水層)繞滲或山體滲水。二期基坑滲水位置見圖1。

圖1 二期基坑滲水位置示意圖

基坑滲水的部位可能有以下四個來源:

①主河床下游圍堰堰體內側滲水;

②主河床下游圍堰至尾水渠邊坡沿線處滲水;

③大壩防滲墻左岸下游滲水;

④進水口區域滲水。

項目部經研究后主要選擇位于主河床下游圍堰處的孔3-7進行檢測。施工技術人員將滲漏出的水與圍堰外大渡河內的水送至實驗室進行化學成分比較,得出該滲漏水可能為山泉水或為底層土體被擊穿破壞后向上的滲水,進而排除了圍堰本身防滲體存在缺陷的可能性。

現有工程實踐證明:采用示蹤稀釋法可以測定地層中地下水的滲透流速。示蹤稀釋法依靠的相關主要探測理論和技術已得到大量的研究和應用,具有原理清晰、數據直觀、精度高、結果全面、經濟性好、信息安全等特點,是進行地下水滲流調查的有力方法[3～6]。

3 應用示蹤稀釋法檢測防滲墻的質量

3.1 示蹤稀釋法的概念

示蹤稀釋法[7]是在鉆孔中的水中投放一定的示蹤劑,且該示蹤劑的濃度隨著水流的流動變化,通過一定的時間間隔測量示蹤劑濃度的變化。示蹤稀釋法由于其投放的示蹤劑和所觀測到的濃度變化均在同一孔中進行,通常稱其為單孔稀釋法。該方法較為簡單,操作簡便且能夠在較短的時間內通過儀器測試出其電導率,從而能夠更好地對滲水處進行防滲測試以減少損失。該方法具有原理清晰、數據直觀、精度高、結果全面、經濟性好、信息安全等特點,故示蹤稀釋法已成為工程項目中常用的檢測及監測防滲墻功能的實用方法。

3.2 示蹤稀釋法的原理

示蹤稀釋法利用稀釋定理(流速越大,食鹽稀釋的越快,電導率下降的越快)計算出滲透流速,并可通過不同觀測孔測得的流速判斷基坑滲漏水的來源。由于濾水管中的水柱已被少量示蹤劑標記,而標記地下水的濃度被流過濾管的水帶走而降低(稀釋),故示蹤劑濃度稀釋的速度與地下水的滲透流速有關,根據這種關系(稀釋原理)即可以求出滲透流速。

3.3 示蹤稀釋法測量實施前的準備工作

采用示蹤稀釋法測量的順序為自上而下。從地下水位水面線以下開始測量,測量點的密度為1 m,1 個測點上的測量時間為 1 min,測量完成后將數據記錄后再進行下一個點的測量,直到測量至孔底,然后根據孔深進行示蹤劑的投放,投放完成后立刻測量相應的數據,然后間隔10 min,20 min,30 min,60 min分別測得其相應的數據后再進行下一個孔的測量。測孔布置及施工要求主要包括以下內容:

(1)測孔布置。① 平面布孔要求: 在容易發生管涌滲漏的拐角處和正對槽段接縫位置的迎水面一側盡量貼近止水接縫處布置鉆孔;② 豎向布孔要求: 測量孔的垂直鉆孔深度與地連墻的設計深度一致,測量并分析其地連墻止水結構的質量優劣與滲漏量的對應關系。

(2)施工要求。① 測孔施工的要求與水文地質成孔的要求基本一致; ② 成孔的內徑為70 mm,管材選用壁厚 5 mm 的 PVC 塑料管; ③ 鉆孔的傾斜不得大于3°,孔內不得發生堵孔和卡孔; ④ 花管深度為地下水位以下至測孔底部,測孔深度同地下連續墻深度,測孔底部需采取必要的封堵措施; ⑤ 成孔后洗孔至出清水,孔內不得有沉淀物并確保其達到設計深度; ⑥ 所有測孔的孔口采用孔蓋擰緊進行保護。

3.4 示蹤稀釋法的檢測標準

示蹤稀釋法利用稀釋定理可以測量出各個測孔的電導率,從而計算出流速。采用該方法檢測系以流速判定防滲墻的質量:(1)v≤2×10-4cm/s,防滲墻質量完好;(2)2×10-4cm/s≤v≤5×10-4cm/s防滲墻質量存在輕微缺陷,后期開挖時需加強觀測;(3)v≥5×10-4cm/s,防滲墻質量存在明顯缺陷,需要進行加固。

示蹤劑濃度的遞減可用式 (1)表示:

C=C0e-Bt

(1)

式中C0為時間t=0時示蹤劑的濃度;C為時間t時示蹤劑的濃度;B為系數。

(2)

式中Q為單位時間流經井的水量,即Q=2r1hV;V為井內稀釋水柱的體積。因此:

(3)

式中r1為濾水管內半徑;h為稀釋水柱高度;vw為流經井水的流速。

因vw=αvf,其式中的α為因濾水管在含水層中的存在引起的流場畸變的校正系數;vf為滲透速度,即含水層中的達西滲透速度,因此:

(4)

示蹤劑的濃度比可用測得的計數率之比表示,即:

(5)

式中N0為當t=0時示蹤劑的計數率;N為t時刻時示蹤劑的計數率。將式(2)、(3)代入式(1),兩邊取自然對數,得:

(6)

即:

(7)

示蹤稀釋法測定地下水流速的原理見圖2。

圖2 示蹤稀釋法測定地下水流速的原理示意圖

4 現場試驗

筆者利用硬梁包水電站二期基坑內已有的水位觀測孔進行了流速測試。將不同深度的流速進行統計,通過分析后發現其主要的流速變化位于何處,進而從不同的觀測孔中不同深度的流速分布以及不同位置的流速差異判斷滲漏水的來源。

因地下水的滲流相對于河道流速相差甚遠,大多為m/d數量級,故無法利用機械或波形測量方式,如渦輪、光纖、超聲多普勒等方法進行地下水的流速測試。因此,最終利用自制的、可測試電導率的儀器將其投放至指定的深度測出每個深度的電導率;對已打孔的位置進行電導率的測試,所采用的測試方法為目前滲流測試唯一可行的地下水滲透流速測試方法:示蹤稀釋法。

示蹤稀釋法測試:首先在鉆孔的水中投放一定的示蹤劑(為環保需要,本次試驗投源用的示蹤劑為食鹽),通過一定時間間隔測量示蹤劑的濃度變化(食鹽濃度的變化與電導率在測試數據區域范圍內的線性相關,故采用電導率代替),若整個防滲體較為完整,則其滲流量較小,其電導率明顯較高;而流速大的深度位置其電導率下降快,故可以利用流速與電導率的關系并利用稀釋定理計算出鉆孔中各個位置的滲透流速。

筆者在現場多個孔中選擇孔3-7為例進行闡述。孔3-7的鉆孔深度為30 m,孔口高程為1 214.943 m,對該孔實施了電導率監測。投源前,先測一次鉆孔中的本底數據作為參考,投源后根據電導率的變化間隔一定的時間觀測鉆孔中各層位的電導率。孔3-7電導率變化曲線見圖3。通過圖3并根據單孔稀釋公式求得的孔3-7中各深度處的水平流速見圖4。

圖3 孔3-7電導率變化曲線圖

圖4 孔3-7中各深度處的水平流速圖

從圖4中可以看出:孔3-7在10 m、11 m處流速偏大,在該處存在較明顯的流速變化。其原因是在該深度為進行地基處理及振沖碎石樁施工造成其下方的承壓水向上排出,故該處的流速較大。經多次重復測量,發現鉆孔中的垂向流明顯,下方承壓水被鉆孔揭露向上補給,在淺層排泄流出。

5 結 語

筆者以示蹤稀釋法在孔3-7中的應用為例,對硬梁包水電站基坑存在的滲漏隱患以及滲漏部位、深度等進行了深入研究與分析得到以下結論:向觀測孔中投入食鹽后測出了較高的電導率,過了一段時間后其電導率降低,表明觀測孔中具有一定的流速;孔深10、11 m處流速偏大,電導率下降幅度大,說明基坑周邊防護存在滲漏缺陷,需要進行相關的加固防滲處理措施。