某水库大坝渗漏原因分析与对策_许新滨.pdf

年第 期总第 期福 建 建 筑 某水库大坝渗漏原因分析与对策许新滨（福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州）摘 要：某水库大坝坝型为黏土心墙坝，运行多年，坝脚常年漏水，且逐年加大。通过在坝址布置钻孔，对坝体和坝基进行多段注水、压水试验，并结合室内试验，研究分析水库渗漏原因，确定坝基岩体相对不透水层深度，并提出加固措施建议，以保障水库运行安全。关键词：黏土心墙坝；渗漏；注水试验；压水试验中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，.，.：；作者简介：许新滨（），男，工程师。：收稿日期：引言渗漏是土石坝主要病害之一。按部位划分，主要为坝体渗漏和坝基渗漏。确定坝体和坝基岩土体渗透性，确保对渗漏量的控制，是保证土石坝安全的一项重要措施。本文通过对坝体、坝基各岩土层进行注水、压水试验，结合室内试验成果，估算渗漏量，确定相对不透水线，为除险加固设计提供相应依据。工程概况某水库由拦河坝、放水系统及溢洪道等组成。大坝坝型为黏土心墙坝，坝顶实际高程.，坝高.，坝顶长度 ，坝顶宽度 。迎水坡设置有两道马道；背水坡设置有三道马道，其中背水坡第一马道上修建有某引水渠道。水库至今已运行 年。受到建库时客观条件限制和运行期间自然条件的影响，各建（构）筑物设施逐年老化，且遭受过不同程度的损坏，存在着许多薄弱环节和安全隐患。当前水库最主要病险情况为：水库坝脚常年漏水，低水位运行时已出现渗漏，且有逐年加大的趋势；渗漏水体带有红色粉、黏土颗粒。根据坝脚量水堰观测资料表明，渗透量随水库水位上升而加大，为有害渗漏。地质条件库区大地构造位于华南褶皱系东缘，属福建省一级构造单元，闽东火山断陷带内两个二级单元福鼎 云霄断陷带和闽东南沿海变质带（大陆边缘拗陷带）的组成部分。据 区域地质图和现场工程地质校测，库区内未发现有明显的新构造运动的迹象，历史上无大的地震活动的记录，区域地质构造相对稳定。库岸山体上部多覆以残、坡积粉质黏土，呈土黄、砖红色，可塑 硬塑状，厚度 。库区地层岩性以侏罗系上南园组第二阶段浅灰色晶屑凝灰熔岩（）为主，晶屑矿物成分以石英、长石和黑云母为主，呈致密、块状构造，具有典型的凝灰结构。坝体渗漏分析.坝体土层性状根据本次钻探取芯、现场测试及室内试验成果分析：坝壳填土为砂质黏土，心墙填土在空间分布上具有明显分区性，可分为 粉质黏土区和 粉质黏土区。坝体土层分布如图 所示，物理力学试验成果如表 所示。年 期 总第 期许新滨某水库大坝渗漏原因分析与对策 表 坝体土层试验成果表土层指标含水率天然容重天然孔隙比 渗透系数渗透系数固结快剪饱和慢剪黏土聚力摩擦角黏土聚力摩擦角压实系数 砂质黏土最大值.最小值.平均值.粉质黏土最大值.最小值.平均值.粉质黏土最大值.最小值.平均值.图 工程地质横剖面.坝体渗透性本次主要通过注水试验，并结合室内渗透试验，确定坝体各土层渗透性。黏土心墙地下水位以上段，采用试坑双环注水试验（表），地下水位以下黏土心墙填土采用孔内降水头注水试验，如表 所示。粉质黏土（心墙填土）室内试验水平渗透系数和垂直渗透系数平均值，分别为.和.；坝顶试坑双环注水试验渗透系数平均值为.；岩土渗透性分级属弱透水，其渗透系数符合规范要求。粉质黏土（心墙填土）室内试验水平渗透系数和垂直渗透系数平均值分别为.和.；钻孔降水头注水试验渗透系数平均值为.；岩土渗透性分级属弱透水，其渗透系数略大于规范要求。表 试坑双环注水试验成果表试段编号试验土层试验深度内环注入流量 内环底面积 试验水头 毛细上升高度 渗入深度 渗透系数 粉质黏土.注：外环直径采用.，内环直径采用.；内外环水柱保持同一高度；毛细上升高度据室内试验 为；渗透系数计算公式：（.）。表 钻孔降水头注水试验成果表试段编号土层名称试验起始深度试验时间 试验水头 试验时间 试验水头 钻孔内半径 形状系数 渗透系数 粉质黏土.注：试段位于地下水位以下，钻孔套管下至孔底，孔底进水；试验水头：取试验水位与地下水位之差；渗透系数计算公式：（.）（）（）。.心墙填筑质量依据文献可知，压实度和渗透系数，是评价碾压土石坝坝体填筑质量的两个重要指标。根据试验成果，大坝心墙黏土具较明显竖向分区特性，其中 区压实系数 为.（平均值为.），水平渗透系数和垂直渗透系数平均值分 福 建 建 筑 年别为.和.，为合格区；区压实系数 为.（平均值为.），水平渗透系数和垂直渗透系数平均值分别为.和.，区不满足规范的要求（和.），填筑质量差，坝体渗透性较大，为不合格区。据标准贯入击数与测试点附近压实度的关系曲线（图 图）可知，标贯击数和渗透系数与压实度有高度一致性，局部不一致，系该处砂、砾粒局部集中或含量较高，导致其干重度大，渗透系数也大。图 标贯击数与压实度关系曲线图 渗透系数与压实度关系曲线.渗漏通道据现场流场法观察，在迎水面存在漏水点 点。点位于坝体水平桩号 ，高程 ，距离坝轴线 处。结合现场坝脚漏水点位置，推断坝体漏水通道如图 所示。图 推测漏水通道 坝基渗漏分析.坝基地质条件坝基岩体渗透性与岩体完整性、裂隙发育情况等密切相关。小型土石坝建设时，大部分未清基且无坝基裂隙测绘资料，再通过坝顶钻探查明坝基整体裂隙分布、延伸、闭合情况，将变得非常困难且工作量巨大。为此，对于小型土石坝，可通过现场水文测试了解坝基渗透性。大坝左岸与河床坝基为碎块状强风化凝灰熔岩，下卧弱风化凝灰熔岩，右岸坝基为弱风化凝灰熔岩，其中弱风化岩上部裂隙较发育，较破碎。本次对坝基碎块状强风化凝灰熔岩进行钻孔常水头注水试验（表）、对坝基弱风化凝灰熔岩进行钻孔压水试验，如表 所示。年 期 总第 期许新滨某水库大坝渗漏原因分析与对策 表 坝基钻孔常水头注水试验成果表试段编号土层名称试验起始深度试段与地下水位关系注入流量试验水头试段长度钻孔内半径形状系数 是否渗透系数 是否 碎块状强风化凝灰岩.以下.以下.以下.注：试验水头：试段位于地下水位以下时取试验水位与地下水位之差；渗透系数计算公式：试段位于地下水位以下时 .；试段位于地下水位以下时的试验条件：钻孔套管下至孔底，孔底进水。表 坝基钻孔压水试验成果表试段编号试验起始深度试段长度升压阶段降压阶段压力流量压力流量压力流量压力 流量压力 流量 曲线类型试段透水率 渗透系数 .（层流）.（层流）.（层流）.（层流）.（层流）.（层流）.（层流）.（层流）.注：渗透系数计算公式 （）（）。试段透水率 ，用以上公式计算渗透系数值仅供参考。坝基碎块状强风化凝灰熔岩进行钻孔常水头注水试验，得其渗透系数为.，其岩土渗透性分级均属于中等透水。坝基弱风化凝灰熔岩进行钻孔压水试验，其透水率为.；其中弱风化岩上部.范围内呈中等透水，下部呈弱透水。根据本次现场水位测试成果分析，坝基相对透水层厚度.，坝基以下透水率 （相对不透水标准）的坝基岩层，主要为裂隙发育的破碎强风化岩层和裂隙较发育的较破碎弱风化岩上部（图），可定性确定坝基存在渗漏问题，坝基渗漏与坝基岩体完整性、裂隙发育情况密切相关。图 坝基和绕坝渗漏简图坝基渗漏问题，还需对相对透水层取正常蓄水位标高和选用特定公式，计算坝基渗漏量大小，以进行定量分析。.坝基渗漏量估算以大坝轴线剖面进行估算，以正常蓄水位线（.）与底部相对隔水层（以透水率）交线为界（图），根据水利水电工程地质手册坝基渗漏量选用卡明斯基公式（公式）近似计算，绕坝渗漏量取设计正常蓄水线与隔水层顶板交线，按简单水文条件（层流）考虑选用公式（）粗略计算，计算结果如表 所示。（）（）（）（）式中：渗透系数（）；计算相对透水层长度（）；透水层厚度（取平均值）（）；上下游水位差（）；设计坝底宽度（）；上游边岸透水层厚度（）；下游边岸透水层厚度（）。估算结果表明，该大坝的坝基渗漏量为.，绕坝渗漏量为.，大坝总渗漏量为.，坝基存在渗漏问题。福 建 建 筑 年表 坝基与绕坝渗漏量估算表分区渗透系数透水层厚度相对透水层长度上下游水位差坝体宽度上游边岸含水层厚度下游边岸含水层厚度渗漏量总渗漏量 坝基渗漏.绕坝渗漏左岸.右岸.加固建议对策目前我国土石坝防渗处理主要方法，有混凝土防渗墙、高压喷射注浆法、劈裂灌浆、膏状稳定浆液灌浆、土工膜防渗等；某地区成熟的加固措施主要为混凝土防渗墙、高压喷射注浆法、帷幕灌浆法等。混凝土防渗墙，主要沿着坝顶轴线在坝体内修建，亦可深入基岩以下一定深度，具有适应各种复杂地质条件，施工质量易控制，耐久性好，防渗可靠性高的优点，但造价相对高。高压喷射注浆法，为先在坝顶轴线用钻机成孔，将喷射管置于孔内，由喷射出的高压浆液射流冲切破坏土体，同时浆液与冲切土体置换掺拌凝固，逐孔喷射相互搭接形成连续防渗墙，从而达到防渗加固目的。优点为施工速度快，缺点为施工参数需现场试验确定，对施工队伍经验要求较高，整体防渗性能不如混凝土防渗墙。帷幕灌浆法，为沿着坝顶轴线通过钻机以一定间距在坝基成孔，成孔深度需深入相对不透水线（透水率 ）以下，然后通过高压将水泥浆液渗入坝基岩层的裂隙、孔隙中。随着压力不断增加，浆液渗入距离不断加大，待水泥浆液凝固，孔内水泥浆柱和周边被渗入凝结的岩体，将形成一道密实的防水帷幕。坝体 分区压实度低、填筑质量较差，存在渗漏通道，坝体加固可考虑对存在渗漏通道部位设置混凝土防渗墙，对其余 分区高压喷射注浆法。除对坝体起到防渗作用外，对坝体土层也能起到一定加强作用，有利于坝坡体稳定性。坝基透水率 就能满足坝基防渗要求。坝基渗漏通道，主要为强风化岩和弱风化岩上部的裂隙通道，对此部分裂隙进行帷幕灌浆，除了能起到降低渗透压力、扬压力和防渗效果外，还能对破碎的坝基岩体起到一定加固作用，有利于坝基抗滑稳定性。某水库经过加固后，多年观察防渗效果显著，满足水库安全运行要求。结语（）压实度与渗透系数、坝体填筑质量具有高度一致性。对于小型土石坝填筑质量，可根据压实度成果对坝体渗透进行竖向分区定性评价。（）小型土石坝在无坝基裂隙测绘资料情况下，再查明坝基整体裂隙发育的难度和工作量大。可通过现场孔内水文，测试了解坝基渗透性和渗漏量计算，对坝基渗漏问题进行定性定量分析。（）大坝加固措施选择，除考虑起到防渗效果外，还可考虑对坝坡体和坝基稳定性起到一定加固作用，节省造价投资。（）土石坝体地质研究起步较晚，坝体加固指导原则为“允许渗漏不允许渗透破坏”，坝体允许渗漏量多少却无从计算。若能对此进一步研究，对土石坝安全鉴定将具有极大指导意义。参 考 文 献 钮新强 水库病害特点及除险加固技术 岩土工程学报，（）：胡海兵 水库土石坝工程渗漏的常见类型、原因及处理实例 科技创新学报，（）：水利水电工程注水试验规程 北京：中国水利水电出版社，小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则 北京：中国水利水电出版社，水利水电工程钻孔压水试验规程 北京：中国水利水电出版社，水利水电部水利水电规划设计院 水利水电工程地质手册 北京：中国水利电力出版社，