大竹河水库沥青混凝土心墙坝渗漏分析及处理方案研究

位 敏，周和清，章 赢

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉，430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010）

大竹河水库沥青混凝土心墙坝渗漏分析及处理方案研究

位 敏1，2，周和清1，2，章 赢1，2

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉，430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010）

大竹河水库大坝为碾压沥青混凝土心墙石渣坝，水库蓄水过程中坝体渗漏量偏大、浸润线偏高。蓄水至1 212.2 m时，下游坝坡高程1 182～1 185 m出现平行坝轴线的散浸带，并在局部形成流淌状。鉴于水库大坝渗漏问题严重，采取物探检测、连通试验以及对坝体渗漏进行反演计算，结合坝体安全监测资料综合分析，得出坝体沥青混凝土心墙存在渗漏；针对坝体结构特点，对大坝渗漏处理方案进行分析研究后，从有效、可靠、安全、经济等综合分析比选，推荐混凝土防渗墙方案，此工程的渗漏分析及处理方案研究成果可为类似病险工程提供参考和借鉴。

沥青混凝土心墙；渗漏；物探检测；反演分析；灌浆；混凝土防渗墙

1 工程概况

大竹河水库位于四川省攀枝花市仁和区总发乡板桥村，距攀枝花市区26 km，坝址以上集雨面积444.56 km2，区间有效集水面积101.77 km2，总库容1 128.9万m3，是一座以灌溉为主、兼顾灌区乡镇人畜饮水、攀枝花市城区应急备用水源以及下游防洪等综合利用的中型水利工程。水库正常蓄水位1 215.0 m，校核洪水位1 216.59 m，汛限水位1 211.0 m，死水位1 177.0 m。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放空（导流）洞、放水洞等建筑物组成。

大坝为沥青混凝土心墙石渣坝，最大坝高61.0 m，坝顶高程1 217.0 m，坝顶长206 m，宽8.0 m。大坝防渗系统由坝体碾压沥青混凝土心墙及其坝基灌浆帷幕组成。碾压沥青混凝土心墙为直墙式，高程1 187.0 m以上心墙厚40 cm，高程1 187.0 m以下心墙厚70 cm，心墙底部通过混凝土齿槽与基岩连接。坝基为石英闪长岩，采用单排帷幕防渗，向下深入相对不透水层（q≤5 Lu）5 m。沥青混凝土心墙上、下游侧设厚2 m过渡料，过渡料要求最大粒径不大于80 mm，小于5 mm粒径含量宜为25%～40%，小于0.075 mm粒径含量不宜超过5%，施工时掺入25%～30%石英闪长岩风化砂以满足级配要求。上、下游坝壳填筑料主要为风化石英砂，大坝填筑实施时，在上游坝体高程1 177.0 m增设两条与坝轴线垂直的水平碎石排水盲沟，梯形断面，顶

宽3.0 m，底宽2.0 m，高2.0 m，排水盲沟与心墙上游过渡料连接。根据大坝填筑料质量复核成果，大坝下游坝壳填筑料＜5 mm的含量为85%～92%，现场实测渗透系数为8.1×10-4～5.5×10-6cm/s，渗透系数偏小，且透水性不均一。沥青混凝土心墙过渡料及下游坝壳料实测颗粒级配统计结果分别见表1、表2。

2 大坝渗漏险情

大竹河水库工程于2009年12月开工，2011年7月大坝填筑完成，2011年10月水库试蓄水。蓄水至1 202 m时观测发现大坝下游坝体浸润线较高，大坝渗流量为16.9L/s。2013年9月19日水库蓄水至1212.19m，在大坝下游坝坡表面高程1 182～1 185 m出现平行坝轴线的散浸带，随后散浸带逐渐扩大，并在局部形成流淌状，在坝坡面渗水未汇至坝脚排水沟时，量水堰可观测渗漏量为23.2 L/s，在采取紧急措施放水降低库水位后，至9月23日，浸湿溢出带最终扩大至高程1 177～1 188 m，浸湿面积达1 403.6 m2。

经对坝体稳定计算复核，出现渗漏后下游坝坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求，且在地震工况下，坝体填筑料存在发生液化的可能，坝体存在安全隐患，水库功能不能正常发挥，且对下游攀枝花市仁和城区防洪安全构成潜在威胁。

3 大坝渗漏分析

3.1 大坝浸润线观测成果分析

3.1.1 大坝纵剖面浸润线观测成果分析

在大坝坝顶及下游马道设有观测孔以观测坝体浸润线，观测孔平面布置见图1。自2012年12月开始观测坝体浸润线，沥青混凝土心墙下游坝体浸润线观测值过程线见图2，各观测孔水位变化与蓄水位变化具有一致性，在蓄水位上涨和降落情况下，库水位与坝体心墙上游存在约5 m水位差，心墙上、下游存在约7 m水位差，下游坝壳中部观测孔水位高于岸坡观测孔水位，坝体渗水主要来自库水。2013年9～10月库水位升高和降低的过程具有代表性，着重对该时段观测值进行分析，由图2可知，左岸侧sy-5、sy-17观测孔水位观测值最大，浸润线偏高，其变化趋势缓于库水位变化，考虑可能受地下水、地表水的影响较大；坝中sy-3观测孔水位随库水位变化而变化，且相关性好，浸润线偏高，可能由于坝体沥青混凝土心墙存在渗漏通道，该孔与库水位连通性强。

3.1.2 大坝横剖面浸润线观测成果分析

2013年9月19日～2014年1月15日，大坝K0+ 053.00、K0+103.00、K0+153.00剖面实测浸润线分别见图3～5。由图可知：下游坝体浸润线整体偏高且较平缓，如2013年9月19日库水位1 212 m左右，大坝K0+103剖面库水位与坝体心墙上游存在5 m左右水位差，坝体心墙上、下游存在7 m左右水位差，说明沥青混凝土心墙防渗性能不强，透水性大。

3.2 高锰酸钾渗漏连通试验

2013年10月5日上午11∶40，在心墙上游观测孔（大坝上游右坝肩k0+028.5，y0-001.8）放入高锰酸钾，当日23∶00在sy-3观测孔（心墙下游坝顶中部）内发现紫色积水，其余观测孔未观测到颜色变化，渗流间隔不到12 h，分析认为坝体沥青混凝土心墙局部存在渗漏通道。

表1 下游坝壳料实测级配统计表Table 1 Statistics on the grades of the dam shell material downstream

表2 过渡料实测级配统计表Table 2 Statistics on the grades of the transition material

图1 大坝浸润线观测孔平面布置图Fig.1 Distribution of the saturation line observation holes

图2 坝顶沥青混凝土心墙下游侧浸润线测值过程线Fig.2 Graph of the monitored saturation lines downstream the asphalt concrete core wall

图3 大坝K0+053剖面浸润线观测值Fig.3 Monitored saturation lines on the profile K0+053

图4 大坝K0+103剖面浸润线观测值Fig.4 Monitored saturation lines on the profile K0+103

图5 大坝K0+153剖面浸润线观测值Fig.5 Monitored saturation lines on the profile K0+153

3.3 沥青混凝土心墙物探检测

贵阳勘测设计研究院有限公司对监测资料进行分析后，选择在坝顶K0+084.0～K0+117.5段揭开沥青混凝土心墙顶部，采用“地震映像”和“声波反射”方法对大坝沥青混凝土心墙进行无损检测试验。现场检测认为：（1）通过试验，低应变检测在0～30 m深度范围内具有较好的检测效果，地震映像可探测0～60 m的深度范围；本次地震映像检测出的异常主要集中在10～40 m深度范围内。（2）检测认为心墙厚度变化处、沥青混凝土心墙与底部基座接触部位和部分心墙区域存在破碎异常区。（3）建议对破损异常区域进行处理并对心墙其他区域进行检测。

3.4 大坝渗漏反演计算分析

长江科学院采用饱和非饱和、非稳定渗流有限元程序US3D进行渗流分析计算，该程序既可求解稳定流、非稳定流问题，也可求解饱和流、非饱和流以及饱和非饱和流问题。依据坝体填筑分区情况，各材料分区的饱和含水率及饱和渗透系数均按照地质勘察成果和施工检测试验成果确定，非饱和土渗透系数选取西坦诚和Storment关于相近岩土材料的非饱和土渗透特性试验成果采用VG模型获得土水特征曲线和非饱和相对水力传导度曲线。为分析大坝心墙下游渗流场的异常分布，在设计水位工况条件下，分别考虑坝体正常运行、坝基帷幕失效、沥青混凝土心墙局部缺陷、沥青混凝土心墙局部缺陷及下游过渡料存在弱透水层、沥青混凝土心墙局部缺陷及下游过渡料和坝壳料均存在弱透水层五种情况进行坝体渗漏反演计算分析。通过各种不同条件下渗流场的对比计算，分析认为：

（1）坝体正常运行条件下，心墙和帷幕的渗流控制效果显著，渗流场分布合理，心墙下游浸润线很低，坝坡不会散浸；

（2）坝基帷幕失效时，有可能造成大坝渗漏，但不会造成坝体浸润线过高、下游坝坡大面积散浸；

（3）沥青混凝土心墙局部缺陷会造成大坝渗漏，并使缺陷附近坝体渗透比降增大，但心墙下游过渡料和坝壳填料渗透性满足要求，心墙下游渗漏扩散的饱和区范围很有限，不会出现浸润线普遍过高及下游坝坡大面积散浸现象。

（4）沥青混凝土心墙局部缺陷且过渡料存在弱透水层、下游坝壳填料渗透性满足要求时，沥青混凝土心墙下游渗漏扩散的饱和区范围较大，心墙缺

陷附近坝体渗透比降增大，但仍不会出现浸润线普遍过高及下游坝坡大面积散浸现象。

（5）沥青混凝土心墙局部缺陷及下游过渡料和坝壳料均存在弱透水层时，沥青混凝土心墙下游渗漏扩散的饱和区范围很大，缺陷附近坝体渗透比降增大，弱透水层以上会形成上层滞水区，下游坝坡出现散浸。

3.5 大坝渗漏分析结论

根据工程原设计文件、施工资料、大坝安全监测资料及出现渗漏情况后所采取的连通试验、物探检测以及渗流反演计算分析等成果，综合分析得出沥青混凝土心墙存在渗漏，同时坝体填筑料透水性弱且不均一。

4 大坝渗漏处理方案研究

4.1 方案研究

大坝沥青混凝土心墙存在渗漏，加之坝体填筑料透水性弱，导致坝体渗漏量偏大，浸润线偏高。为确保大坝渗流稳定及坝坡稳定安全，初步拟定对大坝沥青混凝土心墙渗漏问题采用以下四种处理方案。

方案一：原防渗体修补方案，即对原沥青混凝土心墙进行局部缺陷修补处理，恢复其防渗性能。

方案二：坝体灌浆方案，即在原沥青混凝土心墙上游坝体进行灌浆形成防渗系统。

方案三：混凝土防渗墙方案，即在原沥青混凝土心墙上游坝体新建混凝土防渗墙进行防渗处理。

方案四：上游垂直防渗+坝面防渗方案，即在坝体上游坝坡可控水位以下坝体内新建混凝土防渗墙，其上设置坝面防渗。

4.1.1 原防渗体修补方案

大坝沥青混凝土心墙无损检测表明其存在破碎异常区域，若对其缺陷或渗漏通道进行修复以恢复其防渗性能，存在如下困难：（1）沥青混凝土心墙置于坝体内部，目前没有可靠的检测方法对其缺陷部位进行精确定位；（2）如对沥青混凝土心墙钻孔灌浆处理，大坝心墙在高程1187.0m以上厚度40cm，此高程以下墙体厚度70 cm，最大深度超过60 m，造孔难度极大，且灌浆材料难以与沥青混凝土紧密结合；（3）沥青混凝土心墙的修补有效措施是灌注热沥青，灌注前应对其清理、烘干、热融化，对1 m以内浅孔尚可。因此，对原沥青混凝土心墙进行有效修补以恢复其防渗性能，目前技术水平无法实现。

4.1.2 坝体灌浆方案

20世纪90年代，我国已基本掌握了覆盖层灌浆技术，成功地应用于一些工程。冶勒大坝地基深厚覆盖层主要由砂砾石、粉质壤土等组成，灌浆帷幕的成功实施解决了深厚覆盖层灌浆钻孔、浆材配置、灌浆过程控制与检查等一系列关键技术问题，为其他工程积累了宝贵的工程经验。新疆下坂地工程坝址处地质条件复杂，坝基覆盖层最大厚度147 m，主要由块石、砾石、砂等组成。坝基采用“上墙下幕”垂直防渗处理方案，水库下闸蓄水后坝基防渗工程运行良好。此外，混合浆液灌浆在水利水电临时工程防渗处理中应用广泛。如重庆江口水电站上游围堰最大挡水高29 m，采用混合浆液灌浆形成堰体及地基防渗体，灌浆处理后围堰渗漏量满足设计要求。

垂直型沥青混凝土心墙出现缺陷漏水时，可考虑在上游过渡料区进行灌浆防渗处理。坝体灌浆方案考虑在沥青混凝土心墙上游侧过渡料及坝壳料内灌注混合浆液，浆液结石与原沥青混凝土心墙共同形成防渗幕体。根据规范建议砂砾石中灌注水泥黏土浆幕体允许渗透比降和类似工程防渗灌浆的经验，坝体及过渡料灌浆幕体渗透允许比降取为6～8，考虑坝体挡水时灌浆幕体的水力梯度，确定坝体混合浆液灌浆按4排布孔，孔距1.0～1.5 m，梅花型布孔，坝体灌浆幕体要求渗透系数小于5× 10-5cm/s。为保证灌浆防渗幕体下基岩及与基岩衔接部位的防渗性能，使之形成完整的防渗体系，在灌浆形成防渗幕体下进行帷幕灌浆。

4.1.3 混凝土防渗墙方案

混凝土防渗墙是利用钻凿、抓斗等造孔机械设备在坝体或地基中建造槽孔，以泥浆固壁，用直升导管在注满泥浆的槽孔内浇筑混凝土，形成连续的混凝土墙，达到防渗目的。防渗墙施工可以适应各种不同材料的坝体和各种地基，墙的两端能与岸坡防渗设施或基岩相连接，墙体穿过坝体及基础覆盖层嵌入基岩一定深度，彻底截断坝体及坝基的渗透水流。混凝土防渗墙施工技术形成历史较短，早期

主要采用冲击钻造孔，成墙厚度0.8～1.0 m。20世纪80年代后，施工工法出现了液压抓斗、铣槽机等多种成墙方法，墙体深度也愈来愈深。在砂砾石地基中进行深度大于70 m的混凝土防渗墙施工，我国已有较多经验。1987年铜街子电站左副坝基，在砂卵石、漂孤石中成功建造74.4 m防渗墙；1994年黄河小浪底水利枢纽右岸坝基在粉细砂、砂卵石互层中成功建造81.9 m防渗墙。混凝土防渗墙在砂砾石、砾质土坝体及沥青混凝土心墙坝渗漏处理中也应用广泛，如安徽花凉亭水库、江西油罗口水库大坝等均采用混凝土防渗加固处理，重庆马家沟水库、内蒙古霍林河水库沥青混凝土心墙坝采用混凝土防渗墙进行渗漏处理。

为便于成槽、防止漏浆及塌孔、避免破坏原沥青混凝土防渗墙，新设混凝土防渗墙布置于原沥青混凝土心墙轴线上游侧4.5 m的坝壳料中，墙厚80 cm，最大墙深64 m，墙底部深入弱风化基岩0.5～1.0 m。为保证防渗墙下基岩及墙体与基岩衔接部位的防渗性能，使之形成完整的防渗体系，在防渗墙下进行帷幕灌浆。帷幕灌浆待防渗墙完成后，根据帷幕灌浆先导孔压水试验资料确定帷幕灌浆深度。考虑本工程混凝土防渗墙较深，需采用较大型冲击钻，同时施工强度大，为便于施工布置，降低坝高3 m。

4.1.4 上游垂直防渗+坝面防渗方案

在坝体上游高程1 197 m马道设置垂直混凝土防渗墙，混凝土防渗墙深入相对不透水的强风化层，该高程以上上游坝坡设置钢筋混凝土面板或复合土工膜坝面防渗。为保证防渗墙下基岩及墙体与基岩衔接部位的防渗性能，使之形成完整的防渗体系，在防渗墙墙底及坝坡周边钢筋混凝土面板或土工膜基座下部进行帷幕灌浆处理。为满足混凝土防渗墙施工要求，需在上游坝坡填筑宽度不小于12 m的堆石料形成防渗墙的施工平台，混凝土防渗墙沿平台内缘布置，坝面防渗措施底部基座设在防渗墙顶部。上游坝坡坡面防渗处理须在防渗墙顶及周边浇筑混凝土基座，并与之形成封闭系统，坝坡上铺设钢筋混凝土面板或土工膜，若采用土工膜方案，还需填筑黏土，然后分层填筑中砂垫层、碎石，恢复护坡。该方案施工项目多，在大坝上游坝坡面上施工难以满足安全度汛要求，存在施工导流问题，不适用本工程大坝渗漏处理。

4.2 方案比选

根据以上对大坝渗漏处理方案的研究，方案一不可行，方案四适应性差。因此，重点对方案二和方案三从防渗可靠性、施工技术风险和经济性等方面进行比选，具体如下。

4.2.1 防渗可靠性

方案二通过灌浆在坝体中形成连续的、具有一定厚度的防渗体，结合原防渗系统联合防渗。在过渡料及坝壳料风化砂中灌浆难度较大，灌浆幕体的防渗性、耐久性与受灌地层、灌浆材料、灌浆效果等紧密相关。实施前需进行灌浆试验，确定灌浆浆材、钻灌工艺及其相应的技术参数，验证灌浆形成幕体的防渗效果，根据类似工程经验，灌浆防渗幕体的渗透系数一般为i×10-5cm/s，幕体结石强度较低。方案三通过成槽在坝体坝基中形成连续均匀的防渗墙体，墙体渗透系数可达i×10-7cm/s，允许渗透比降大于60。类似工程成功实例较多，施工质量可控，耐久性好，防渗效果可靠。

4.2.2 施工技术与风险

方案二对坝体结构破坏较小，在过渡料及坝壳料中灌浆需根据现场实际情况对施工工艺进行及时、灵活调整，在钻孔、浆材配置、灌浆、检查等各环节中不可控因素较多，施工技术工艺复杂、要求高，技术上存在失败的风险。方案三混凝土防渗墙施工技术成熟，施工安全，工期可控，对施工中出现塌孔、漏浆等事故可及时采取相应的预案措施处理；但为满足混凝土防渗墙施工，须拆除坝顶结构，降低坝体形成一定宽度的施工平台。

4.2.3 经济性

经方案设计计算，方案二工程直接投资为7 474.32万元，方案三工程直接投资为3787.91万元。

综上所述，方案三防渗可靠性高、耐久性好、施工技术成熟、施工安全、工期可控，工程投资较低，确定为推荐方案。

5 结语

大竹河水库大坝渗漏问题严重，影响水库功能的正常发挥，危及大坝运行安全，且对大坝下游攀枝花市仁和城区防洪安全构成潜在威胁，对大坝进行渗漏处理十分必要和紧迫。通过大坝安全监测资料、物探检测、连通试验以及渗漏反演计算等综合分析得出，坝体沥青混凝土心墙存在渗漏，坝体填筑料透水性弱且不均一，坝体存在安全隐患。经对大坝渗漏处理方案进行研究比较，从有效、可靠、安全、经济等方面综合分析比较，推荐采用在原沥青混凝土心墙上游侧坝壳料中增设混凝土防渗墙方案，可有效解决坝体渗漏问题。 ■

（3）灌浆应连续进行，如因故中断，应及早恢复灌浆，否则应根据实际情况，对钻孔进行冲洗或扫孔后恢复灌浆。

8 灌浆质量检查

作为临时减渗（漏）灌浆质量检查：岩体渗漏量明显减小或不渗漏即可，经讨论不必做专项检查，尽快为后续排水洞衬砌混凝土施工及系统的减渗创造有利处理时机。

9 结语

水垫塘排水主洞渗（漏）水快速处理施工过程中除更换过一台SL-500型灌浆泵外，其他均顺利开展并完成。至施工结束，水垫塘排水主洞错动带部位渗（漏）水明显减小，化学灌浆废弃物未对深井泵房的运行产生不利影响，工程实施达到了预期目标，可供其他工程参考。 ■

参考文献：

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[2]SL303-2004，水利水电工程施工组织设计规范[S].

[1]谭界雄,高大水,周和清,等.水库大坝加固技术[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[2]DL/T 5411-2009,土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].北京:中国电力出版社,2009.

[3]DL/T 5267-2012，水电水利工程覆盖层灌浆技术规范[S].北京:中国电力出版社,2012.

[4]王柏乐.中国当代土石坝工程[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[5]马新平.马家沟水库沥青混凝土心墙坝防渗处理设计[J].大坝与安全,2010,(5)：13-16.

收稿日期：2014－06－17

作者简介：位 敏（1979-），男，高级工程师，主要从事水利水电工程病害治理及设计工作。

Dazhu-River dam is a rolled asphalt concrete core dam.Its leakage was larger and the satura⁃tion line was higher than normal value in the process of impoundment.When the water level reached 1 212.2 m,spreading soaking band parallel to the dam axis in elevation 1 182～1 185 m occurred on the surface of the downstream slope,and part of the band was flowing.Since the seepage was serious,geo⁃physical testing,connectivity testing and inversion calculation were used to analyze the reasons of seep⁃age.Combined with comprehensive analysis of safety monitoring data,we have found that the asphalt concrete core wall was leaking.According to the structural characteristics of the dam,considering the as⁃pects such as effectiveness,reliability,safety and economy,the paper analyzed several schemes of seep⁃age treatment and recommended a rational one,for reference.

asphalt concrete core wall;seepage;geophysical detection;inversion analysis;grouting; concrete diaphragm wall

TV698.1

B

1671-1092（2014）05-0045-06

2014-08-11；

2014-09-11

张家托（1985-），男，助理工程师，在职研究生，主要从事水利工程监理工作。

Title:Analysis on seepage and its treatment of Dazhu-River asphalt concrete core dam//by WEI Min, ZHOU He-qing and ZHANG Ying//Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research