堤坝帷幕灌浆效果评价

李维朝，梁 铎，蔡 红，房彦梅

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.北京市南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100071）

在堤坝中，防渗帷幕是最常见的防渗处理措施，主要是通过灌浆在坝基中建造一道连续、完整、小于坝基渗透性、平面上呈条带状、立面上形似舞台上帷幕的防渗结构，其施工流程主要包括钻孔、冲洗、压水试验、水泥制浆、灌浆、封口等［1-3］。由于防渗帷幕完全位于地下，具有隐蔽性，且施工过程中会受到地质条件、施工方法、灌浆压力等条件的影响，导致施工后的帷幕在连续性、渗透性、完整性等条件上难以满足原设计的要求，这就需要对帷幕灌浆效果进行评估。

堤坝经防渗帷幕处理后，渗漏量及坝基中的渗透比降是灌浆效果评估的主要内容。其中渗漏量主要用于评估帷幕的防渗效果，渗透比降用于评估帷幕灌浆后坝基的渗透稳定。本文以某实际工程为例，从原位压水试验、室内渗透稳定试验及基于数值计算的敏感性分析三方面出发，分别对透水性、渗透稳定性、渗漏量、贯通缺陷影响等进行分析，并在这些分析的基础上对帷幕灌浆效果进行综合分析，并给出全面准确的评价。

1 工程概况

某均质坝坝顶标高62.5m，上游坝坡坡比为1∶3，下游坝坡坡比为1∶2.5，坡脚设有排水体，如图1所示。坝体和坝基以中细砂为主，夹杂有卵砾石，渗透系数为1.0×10-2cm/s，渗透性较好。基岩以泥岩和砂岩为主，渗透系数为2.0×10-5cm/s，渗透性较低。鉴于坝体渗透性较好，为防止蓄水后渗漏严重，在坝体的上游坡铺设土工膜，并在上游坝趾附近进行帷幕灌浆，灌浆后的帷幕贯穿整个坝基，穿入基岩，如图1所示。

灌浆区上方存在倒虹吸和退水渠的混凝土结构。实际施工过程中发现，当灌浆压力较大时，会导致灌浆区上方的倒虹吸和退水渠抬升，从而有可能会对倒虹吸和退水渠的混凝土结构造成损伤，因此在施工过程中会对灌浆压力进行控制。原设计中，帷幕灌浆后的透水率为5Lu。控制灌浆压力后，帷幕的灌浆效果会受到相应影响，难以满足设计要求。这就需要对此状态下的防渗帷幕灌浆效果进行综合评价，从而判断此状态是否可以安全使用。

2 压水试验分析

为了检查大坝防渗帷幕的灌浆效果，在F1和F2竖井内分别布置6个和7个检查孔，在两竖井之间布置3个检查孔（图2），合计16个检查孔来分别进行静力和泵压压水试验。检查孔的布置参照了灌浆孔的布置方式，且与相应位置灌浆孔相平行。这样布置的压水试验检查孔与原有注浆孔基本成平行布置，考虑了灌浆的整个断面，可以起到检查帷幕整个断面灌浆效果的目的。

图3为依据压水试验得出的帷幕灌浆断面单位透水率等值线图，从中可以看出：（1）检测范围内的单位透水率大于原设计值5Lu，大部分位于10～20Lu之间，局部甚至略高于20Lu；（2）F1竖井右下方和F2竖井下方的单位透水率略大于其它位置，最大值超过20Lu；（3）两竖井之间位置的单位透水率相对小于两竖井下方，主要介于10～16Lu之间；（4）单位透水率换算成渗透系数后，各检查孔渗透系数基本在（1～2）×10-4cm/s之间，但局部超过3×10-4cm/s，最大部位达到4×10-4cm/s。

3 坝基材料渗透稳定试验分析

3.1 渗透破坏分析 坝基材料渗透稳定试验分析的目的是依据地勘和竖井开挖期间的材料颗粒组成，选择具有代表性的材料进行渗透稳定性试验，提出材料的渗透系数和允许抗渗比降，为判断地基的整体渗透稳定提供依据。该试验在直径为0.3m的大型垂直渗透变形仪中进行，筒身为透明有机玻璃板，可以直接观察试验现象，进出口和中间均设有测压管，可以量测试样实际承受的水头。

表1为砂砾石料的渗透及渗透变形试验成果，从中可以得出如下结论：（1）砂砾石料1的渗透系数为2.58×10-2cm/s，砂砾石料2的渗透系数为3.24×10-2cm/s，砂砾石料3的渗透系数为6.06×10-4cm/s，砂砾石料4的渗透系数为8.80×10-1cm/s，4种砂砾石料的渗透性差异较大，最大最小相差约3个数量级。（2）4种砂砾石料的临界水力比降位于0.20～0.53之间，破坏水力比降位于0.24～1.35之间，变动的幅度较大。（3）砂砾石料1和砂砾石料2的渗透破坏型均为过渡型，砂砾石料3的渗透破坏型为流土型，砂砾石料4的渗透破坏型为管涌型。

表1 砂砾石料渗透及渗透变形试验结果

3.2 粉细砂与砂砾石之间的层间关系分析 图4为利用砂砾石料颗粒分析曲线绘制的级配范围。从颗分曲线可知，砂的不均匀系数为2.2，d85=1.0mm。竖井位置砂砾石料的上包线D15=0.32mm，平均级配D15=0.45mm，下包线的D15=2.8mm。

根据规范［4］初步判断，这两种材料之间的层间关系满足反滤要求，如式（1）所示。这表明二者之间关系密切，砂层不会有渗透稳定问题。

4 灌浆效果数值评价

压水试验表明灌浆后的透水率高于设计值。鉴于工程的重要性和帷幕灌浆的隐蔽性，灌浆后帷幕的渗透性及帷幕中有无存在贯通性缺陷对渗流场的影响最为重要，因此基于岩土工程中常用的渗流数值模拟商业软件SEEP/W，就帷幕的作用效果及灌浆中潜在缺陷对渗流的影响进行了敏感性分析。

4.1 水力比降及浸润线位置影响分析 在坝体中，浸润线的位置会直接影响到坝坡的稳定性，水力比降会影响坝体的渗透稳定性，因此通过坝体和坝基中的浸润线位置及其水力比降对大坝帷幕灌浆后的效果进行敏感性分析，可以了解帷幕灌浆效果对大坝稳定性的影响。

图5—图9分别为坝体在灌浆前、不同帷幕渗透系数（分别为1.8×10-3cm/s、1.8×10-4cm/s、1.8×10-5cm/s）和帷幕中有贯通缺陷时的浸润线位置和水力比降分布。通过对比可以看出：

（1）无灌浆时的浸润线位置及水力比降分布与灌浆后有着显著的差别。无灌浆时，浸润线由上游至下游光滑下降，而灌浆后，浸润线会在帷幕处出现骤降；无灌浆时，水力比降分布相对均匀，上游侧由左向右逐渐增加，下游侧由左向右逐渐减小，呈中间高两侧渐远渐小的变化趋势，而灌浆后，帷幕下游侧坝基内的水力比降大幅减小，水力比降的变化主要位于帷幕内，且帷幕内水力比降数值较大。

（2）对比帷幕在不同渗透系数下的浸润线位置和水力比降分布可以看出，帷幕渗透系数数量级在10-4和10-5cm/s时的浸润线位置和水力比降分布相似，而渗透系数数量级在10-3cm/s时，帷幕下游浸润线明显抬升，水力比降分布也产生了明显变化，与无帷幕时的情况接近。这表明帷幕渗透系数降低至一定程度时，渗透系数的降低对浸润线位置和水力比降分布的影响降低。

（3）与完整灌浆的帷幕相比，当灌浆帷幕中存在贯通性缺陷时，帷幕下游侧浸润线的位置抬高，贯通区砂层附近水力比降分布有显著的变化，且存在较高的水力比降。本计算中砂层水力比降值最高达到4，但颗粒分析表明细砂与砂砾石间满足层前关系，因而不会产生渗透破坏。

4.2 渗漏量影响分析 帷幕中出现贯穿性缺陷的厚度与渗漏量的大小有着紧密的关系，但此厚度在实际中往往难以确定，因此本文仅对帷幕不同数量级渗透性条件下的渗漏量进行了计算评估。

图10为单宽渗漏量与帷幕渗透性的敏感性双对数分析图，从中可以看出，帷幕灌浆后渗透系数越高则单宽渗漏量越大，但当帷幕渗透系数大到一定程度时，单宽渗漏量的增幅减小。

5 结论

本文以某实际工程为例，从原位压水试验、室内渗透稳定试验及基于数值计算的敏感性分析三方面出发，对灌浆后透水率不满足设计要求的防渗帷幕进行了综合分析，并得出如下结论：（1）帷幕灌浆后，当渗透性降低到一定程度时，渗透性的降低虽然对大坝的渗漏量还有一定的影响，但对大坝内浸润线和水力比降的分布影响较小。因此在帷幕灌浆中，当在灌浆后的渗漏量满足要求的条件下，可以不必强求帷幕的渗透性降低到过低的指标。（2）在砂层中进行帷幕灌浆后，当帷幕中存在贯通性的缺陷时，缺陷位置的砂层会承受较大的水力比降，存在渗透破坏的可能性。因此针对帷幕中可能存在贯通性缺陷的情况，还应当进行渗透破坏试验评估。本实例中，因细砂与砂砾石间满足层间关系，所以渗透稳定。（3）本文就灌浆效果对渗流影响的敏感性进行了分析，可给大坝帷幕灌浆效果后评价提供有益的借鉴。

［1］孙钊.大坝基岩灌浆［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［2］孝臣，盛金昌，何淑媛，等.防渗帷幕随机缺损的模拟及对坝基渗流的影响［J］.河海大学学报，2009，37（5）：582-585.

［3］王立彬，毕明亮，许小东.深厚砂砾石层防渗帷幕灌浆施工技术［J］.灾害与防治工程，2009（1）：68-71.

［4］SL274-2001，碾压式土石坝设计规范［S］.