夏兵兵+車友明+陳亮

摘 要：本論文針對(duì)廣東某水閘工程在2013年出現(xiàn)的消力池底板破壞及滲漏現(xiàn)象，作者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際滲流情況，在1#閘孔至14#閘孔閘室底板布設(shè)探測(cè)孔，采用人工示蹤方法對(duì)滲漏區(qū)域的滲流參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，實(shí)際檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)探測(cè)孔內(nèi)存在明顯的垂向流現(xiàn)象，分析探測(cè)數(shù)據(jù)，并采用Geostudio對(duì)閘基滲流場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬，綜合分析判定該水利樞紐滲漏是由于防滲墻深度不夠?qū)е拢笃诠こ绦迯?fù)針對(duì)防滲墻進(jìn)行深部修補(bǔ)，至今該水利樞紐未出現(xiàn)明顯滲漏現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：防滲墻；滲漏；垂向流

中圖分類號(hào)：TV139.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）2-0077-03

水利工程滲漏問(wèn)題是世界各國(guó)都面臨的問(wèn)題，在中國(guó)90%以上的水庫(kù)存在著滲漏現(xiàn)象，其中30%存在著較為嚴(yán)重的滲漏。滲漏直接關(guān)系到大壩的安全運(yùn)行。大壩的滲漏的原因非常復(fù)雜，如壩體施工質(zhì)量問(wèn)題引起的滲漏，庫(kù)水通過(guò)順河道斷裂帶或破碎帶產(chǎn)生的繞壩基滲漏，以及防滲墻出現(xiàn)空洞產(chǎn)生的滲漏等。水利工程滲漏除險(xiǎn)加固工程中，由于沒(méi)有查清堤壩滲透破壞產(chǎn)生的原因，而造成的浪費(fèi)占有相當(dāng)?shù)谋壤＝鉀Q滲漏問(wèn)題的關(guān)鍵是調(diào)查清楚滲漏產(chǎn)生的原因以及確定滲漏通道所在的位置。常規(guī)的調(diào)查堤壩滲漏的方法包括：自然電位法、高密度電阻率法、探地雷達(dá)、水位、水量平衡、鉆孔中滲漏流速測(cè)定、連通試驗(yàn)等。

本文利用人工示蹤法并結(jié)合Geostudio有限元模擬分析，在廣東某水利樞紐工程中探測(cè)到滲漏通道的具體位置及其發(fā)生滲漏的原因，即防滲墻深度不足使得滲流路徑小于設(shè)計(jì)值，使得下游消力池面板在大水頭差條件下隆起及斷裂，導(dǎo)致水利樞紐出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題，后期工程修復(fù)針對(duì)防滲墻進(jìn)行深部修補(bǔ)，運(yùn)行至今該水閘未出現(xiàn)滲漏情況，為今后類似水利工程滲漏除險(xiǎn)加固工程提供有價(jià)值的參考。

1 工程概況

廣東某水利樞紐工程壩址以上集水面積為27503km3，屬Ⅰ等大（1）型工程。樞紐主要由連接土壩、河床式發(fā)電廠房、船閘及攔河水閘等建筑物組成。壩頂高程34.05m，正常蓄水位25.50m；攔河水閘19孔，單孔凈寬14m。電站安裝位于樞紐靠右岸側(cè)，高程9.0m，最大水頭9.43m，平均水頭7.10m，裝機(jī)6臺(tái)，總裝機(jī)容量75MW。

2013年4月電站工作人員發(fā)現(xiàn)泄洪閘下游河水渾濁，然后發(fā)現(xiàn)5～13號(hào)閘門(mén)后消力池斜坡砼板塊、消力池底板、消力坎連續(xù)拱起。為避免險(xiǎn)情擴(kuò)大，全部閘門(mén)關(guān)閉，通過(guò)發(fā)電方式盡量降低水位。

經(jīng)過(guò)踏勘發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)閘孔下游消力池底板，1#～14#閘孔下游消力池底板破損嚴(yán)重，普遍存在斷裂及隆起現(xiàn)象，如圖1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)工作開(kāi)展

為了實(shí)施滲漏探測(cè)方案，現(xiàn)場(chǎng)在1號(hào)閘孔至14號(hào)閘孔底板鉆孔，鉆孔數(shù)量總計(jì)14個(gè)，各鉆孔深度約為30m，鉆孔布置示意圖如下圖2和圖3所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

本論文分析以6號(hào)探測(cè)孔為例進(jìn)行論述，6號(hào)探測(cè)孔垂向流級(jí)水平流檢測(cè)數(shù)據(jù)分析如下：

從圖4上可以明顯看出：

垂向流速度計(jì)算通過(guò)波峰的移動(dòng)，波峰1（深度17m）移動(dòng)到波峰2（深度14m），經(jīng)過(guò)距離時(shí)間28分鐘，垂向流速約為6m/h；

水閘底板下方（3～4m深度）水流向下運(yùn)動(dòng)，由于水閘結(jié)構(gòu)決定，在底板處的滲水距離最短，水流通過(guò)底板下的滲徑最小，所以這種情況較常見(jiàn)，流速不大，但需要補(bǔ)強(qiáng)以防止隨著水閘的運(yùn)行流速變大導(dǎo)致閘下滲漏引起進(jìn)一步的破壞；

5～21m深度為排泄區(qū)，淺層與深層垂向流均通過(guò)此地層排泄，示蹤劑一邊隨垂向流運(yùn)動(dòng)，一邊向下游水平耗散，此位置處于防滲墻深度范圍內(nèi)，曲線說(shuō)明此位置防滲體相對(duì)良好；

21～25m深度為補(bǔ)給區(qū)，由曲線可以明顯看出，示蹤劑濃度在此深度范圍急劇下降，垂向流從深度24m處開(kāi)始向上移動(dòng)，此層在防滲墻深度以下，說(shuō)明防滲墻深度不滿足抗?jié)B要求。

4 滲流場(chǎng)有限元模擬分析

4.1 有限元模擬分析思路

采用Geostudio對(duì)閘基滲流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)對(duì)比原設(shè)計(jì)情況下與實(shí)際情況下的水閘基礎(chǔ)滲流場(chǎng)的差異，分析閘基防滲系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 工程地質(zhì)及計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)本工程原設(shè)計(jì)資料，主要模擬地層是含礫粗砂、含卵石礫質(zhì)粗砂、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層，閘基滲流計(jì)算主要參數(shù)如表1。

表1中的“高壓旋噴防滲墻”的設(shè)計(jì)滲透系數(shù)取值主要依據(jù)以下兩個(gè)方面：

（1）根據(jù)《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T5200-2004）中表5.0.3規(guī)定，由于本工程高噴墻墻體處于“含卵石礫質(zhì)粗砂”地層中，故其滲透系數(shù)設(shè)計(jì)取值范圍應(yīng)在，（）。

（2）本水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容，由于閘基下臥層含卵石礫質(zhì)粗砂層較其底部全風(fēng)化土的滲透系數(shù)高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，故認(rèn)為全風(fēng)化巖體為相對(duì)不透水層。鑒于含卵石礫質(zhì)粗砂層屬?gòu)?qiáng)透水層，為滲漏或繞滲通道，需做連續(xù)封閉防滲處理，原設(shè)計(jì)要求防滲墻墻底高程需入巖2m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，即本工程上游防滲墻的防滲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求不低于全風(fēng)化巖層的滲透性能。初設(shè)報(bào)告和竣工工程地質(zhì)報(bào)告中規(guī)定，閘基砂巖全風(fēng)化帶土一般呈含砂粘質(zhì)土狀，滲透系數(shù)大部分為2.8×10-7cm/s～6.4×10-5cm/s，初設(shè)報(bào)告中采用值為3.5×10-5cm/s。

綜上兩方面原因，鑒于高壓旋噴灌注樁設(shè)計(jì)接頭較多，工程施工質(zhì)量控制較困難，故本次計(jì)算“高壓旋噴防滲墻”的設(shè)計(jì)滲透系數(shù)取其上限值3.5×10-5cm/s，即與閘基相對(duì)不透水層相同。

4.3 計(jì)算工況及分析

本次有限元模擬分析以上下游水頭差2.5m為標(biāo)準(zhǔn)（上游17.96m，下游15.46m）作為相應(yīng)計(jì)算工況的邊界條件。本次對(duì)該類工況進(jìn)行了模擬：

（1）防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，記為模型A（如圖5）；

（2）面板出現(xiàn)出水漏洞，防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，11m以下防滲效果失效，記為模型B（如圖6）。

模型A中，上下水頭差2.5m，防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，混凝土面板完好時(shí)，由圖7可知：整個(gè)模型結(jié)構(gòu)流速分布在含卵石礫質(zhì)粗砂層中，流速在閘室底板下及消力池底板下分布較均勻，最大滲透流速出現(xiàn)在PVC排水管出口處為1.246E～05m/s，即1.246E～03 cm/s，地層內(nèi)最大滲透流速為3.8 E～06m/s，即3.8 E～04cm/s，平均滲透流速在1E～04 cm/s左右，閘室底板及消力池底板凸出部位與含卵石礫質(zhì)粗砂層接觸處流速較其他深度流速稍大。從以上結(jié)果可以推斷出，在正常滲流狀態(tài)下，堤身結(jié)構(gòu)的滲透流速值的數(shù)量級(jí)為1.0E～04（cm/s）。

模型B中，上下水頭差2.5m，面板出現(xiàn)出水漏洞，防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，11m以下防滲效果失效，由圖8可知：整個(gè)模型結(jié)構(gòu)流速分布在含卵石礫質(zhì)粗砂層中，最大滲透流速出現(xiàn)在面板出水漏洞出口處為2.21E～04m/s（系統(tǒng)默認(rèn)流速單位為m/s），即2.21E～02 cm/s，地層內(nèi)最大滲透流速出現(xiàn)在防滲墻防滲性能失效區(qū)域?yàn)?.12 E～04m/s，即1.12 E～02cm/s，含卵石礫質(zhì)粗砂層中平均滲透流速在3E～05m/s即3E～03cm/s左右。從以上計(jì)算結(jié)果推斷，面板出現(xiàn)出水漏洞，防滲墻插入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層深度大于2m，11m以下防滲效果失效時(shí)，堤身結(jié)構(gòu)的滲透流速值的數(shù)量級(jí)為1.0E～03（cm/s）。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)垂向流測(cè)試結(jié)果及分析，可以得出6#探測(cè)孔都存在明顯的垂向流現(xiàn)象。正常工況下，即防滲墻完全封堵相對(duì)透水層時(shí)，并且防滲墻底部深入強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，防滲墻后的地下水水流基本呈水平運(yùn)動(dòng)，但6#探測(cè)孔存在異常垂向流，表明防滲墻深部存在滲漏區(qū)域。

（2）根據(jù)有限元數(shù)值模擬，上下水頭差2.5m及8.2m條件下，當(dāng)防滲墻防滲效果良好時(shí)，防滲墻后的滲透流速數(shù)量級(jí)分別為1.0E～04（cm/s）；上下水頭差2.5m條件下，當(dāng)防滲墻深度不足時(shí)，該位置防滲墻后的滲透流速數(shù)量級(jí)為1.0E～03（cm/s），可以判定防滲墻深度不滿足抗?jié)B要求。

（3）綜合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及有限元模擬可判定該工程滲漏通道的具體位置及其發(fā)生滲漏的原因，即防滲墻深度不足使得滲流路徑小于設(shè)計(jì)值，使得下游消力池面板在大水頭差條件下隆起及斷裂，導(dǎo)致水利樞紐出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題，后期工程修復(fù)針對(duì)防滲墻進(jìn)行深部修補(bǔ)，為今后類似水利工程滲漏除險(xiǎn)加固工程提供有價(jià)值的理論及實(shí)踐參考。

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