某大坝右岸防渗缺陷和新增防渗排水措施效果分析

吕高峰，王玉洁，朱锦杰，张猛

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

某大坝右岸防渗缺陷和新增防渗排水措施效果分析

吕高峰，王玉洁，朱锦杰，张猛

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

某大坝是国内已建工程中覆盖层最深的，尤其是其右岸覆盖层最大深度达420 m。工程运行中发现右岸渗漏量较大，且右岸山坡地下水位整体偏高，局部山坡和排水廊道发生渗透破坏。结合工程现场检查情况和现有监测资料，对该大坝右岸渗流性状进行综合分析，分析渗水主要来源和途径、渗流稳定以及防渗系统存在的缺陷。根据现阶段右岸出现的问题，初拟两种防渗系统延长方式及新增排水廊道的处理方案，运用有限元对渗流场进行计算，对比分析两种初拟方案对减少渗漏量和降低地下水位的效果。结果表明在0+610～0+710底部新增封闭式防渗墙与帷幕灌浆，能有效减少渗漏量并能降低防渗系统右端沿线的水头，新增排水廊道排水孔能有效降低排水廊道附近的水头，对右岸边坡渗透稳定有利。所以，截渗与导排相结合是较为有效的防渗处理措施。

大坝右岸；覆盖层；防渗墙；渗流；防渗排水措施

1 工程概况

某大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，坝基开挖高程2 530.00 m，坝顶高程2 654.80 m，防浪墙顶高程2 656.00 m，最大坝高124.5 m，坝顶宽度14 m。

大坝河床及右岸由第四纪堆积层组成，其右岸覆盖层最大深度达420 m。第四纪堆积层主要由中、上更新统卵砾石层、粉质壤土及块碎石组成，具有不同程度的液钙质弱胶结作用和超固结压实作用，结构紧密，具有成岩特征。该堆积层自下而上由五个岩组构成，覆盖层情况见图1。

第一岩组为弱胶结卵砾石层，最大厚度超过100 m，具有一定的透水性，该层上、下分别由透水性较弱的第二岩组覆盖和一层深灰色块碎石土层顶托，从而使该层内的地下水具有埋藏深、承压水头高、动态稳定等特点，且不与基岩裂隙承压水直接发生交换。第二岩组自坝址向上、下游延伸均达1.3～1.5 km，厚度自上游往下游逐渐变厚。在上游105 km附近基本尖灭，往右岸盆地中心延伸约600 m逐渐减至尖灭，并与上部的第三岩组的粉质壤土层相搭接。第二岩组是坝址深部第一岩组承压水的隔水层。第三岩组是弱胶结卵砾石层与粉质壤土互层，属弱透水层。该层中的含砾粉质壤土层进入坝体后开始出现，到坝轴线以后逐渐密集，而卵砾石层坝体下游尖灭。第四岩组是弱胶结卵砾石层，透水性在五个岩层中相对较大，分布于右岸坝肩一带，在坝址处出露高程为2 500～2 560 m。第五岩组为粉质壤土夹含碳化植物碎屑层，分布于高程2 650 m以上谷坡一带。

考虑大坝右岸防渗问题，大坝右岸防渗（坝）0+ 343.500～（坝）0+610.000 m段采用“防渗墙+帷幕灌浆”处理，防渗墙最大深度约140 m，帷幕深入基础相对隔水第二岩组内5.0 m以上。防渗墙厚度1.0 m，墙体分廊道上、下两段，上层墙从坝肩分台阶施工，下层墙为廊道内劈槽成墙；墙下为3排帷幕灌浆，最大帷幕深度为120余m。（坝）0+610.000～（坝）0+ 710.000 m段：右坝肩深厚覆盖层绕渗区采用“悬挂式防渗墙”处理，墙体深入第三岩组一定高程下的粉质壤土内，为台地上劈槽成墙，墙厚1.0 m，墙底高程约为2 561 m，墙深78.5 m。防渗情况见图1。

根据蓄水后坝址区地下渗流场分析，右岸8号沟上游山坡的浸润面偏高，右岸山坡的抗滑稳定不能满足要求，在右岸山体下游高程2 561.00 m布置了一条长约300 m的排水廊道，沿廊道全线布置垂直向φ100 mm排水孔，孔距3.0 m。同时，结合右坝肩廊道内防渗墙施工需要，右岸还布置了两条交通廊道，并在排水廊道下游80 m范围内的两条交通廊道内水平布置φ100 mm排水孔，孔距3.0 m。施工、排水和交通廊道以及排水孔布置见图2。

图1 右岸防渗系统布置图Fig.1 Seepage prevention system on the right bank

图2 大坝右岸岸坡水位孔2013年11月26日测值分布图Fig.2 Monitored water level of the right bank on November 26th,2013

2 渗水性状分析

2.1 渗水来源

为了监测右岸渗流量，在1号、2号交通廊道排水沟内分别设置量水堰2个（1号交通廊道：WE3-1和WE3-2，2号交通廊道：WE4-1和WE4-2）。其中1号交通廊道WE3（WE3-1、WE3-2之和）监测坝0+ 440.00 m以左排水廊道和施工廊道渗漏量；2号交通廊道WE4（WE4-1、WE4-2之和）监测坝0+ 440.00 m以右排水廊道和施工廊道渗漏量。在8号沟设置量水堰2个（WE7和WE8），WE7监测8号沟靠近坝体侧渗流量，WE8监测8号沟靠近右岸侧渗流量。图3是右岸施工排水廊道渗漏量测值过程线。由图可知：

（1）WE3、WE4、WE7和WE8的渗漏量与库水位呈明显的正相关，库水位对渗漏量影响很大，库水是施工排水廊道渗漏的主要来源。因施工期间就已发现排水廊道内有较大渗流量，地下水也是WE3、WE4渗流量的来源。在库水位降落到一定高程后，WE7的渗漏量趋于零，而WE8依旧有一定的渗漏量，从现场情况看，WE8所测渗漏量包含部分8号沟右侧坡（远离库水一侧山坡）的地下水，地下水对右岸8号沟渗漏量也有一定的影响。因当地降雨较多，降雨对右岸8号沟总渗漏量也有一定的影响。

（2）截止到2014年3月7日，WE3的最大测值为4.17 L/s，WE4的最大测值为137.36 L/s，且渗漏量主要集中在量水堰WE4-1。说明坝0+440.00 m以左排水廊道和施工廊道渗漏量很小，渗漏量主要集中在坝0+480.00 m以右排水廊道。

2.2 渗水路径

为了解蓄水过程和运行期防渗体下游地下水位的变化及绕坝渗流的途径和态势，在右岸灌浆帷幕端头和下游岸坡，选择适当位置分别布置20个地下水位孔。地下水位孔布置和地下水位孔2013年11月26日测值分布见图2。由图可知：

（1）水位孔测值整体上呈现从上游往下游递减、右岸往坝体方向递减的规律，GC07位于7号冲沟内，测值非常接近上游库水位，排水廊道上游侧的GC12和GC13测值小于排水廊道下游侧的GC08和GC16，部分因GC12和GC13位于第三岩组，其渗透系数较大，因排水廊道的排水作用，从而导致其测值较小，另一方面，GC07～GC09测值整体上呈现从上游到下游的递减。库水通过防渗墙右侧的7号、8号沟进入下游的可能性极大。

（2）位于坝0+543.50的GC11测孔测值明显大于其左右两侧测孔GY4、GC6，坝0+543.50附近防渗墙存在较为明显的渗漏现象，且该孔正对下游侧的排水廊道内的排水孔渗漏量较大，该孔位置与雷达探测结论中疑似渗漏的桩号段0+503～0+516非常接近。

2.3 渗流稳定

图3 量水堰渗漏量过程线Fig.3 Graph of seepage measured by weir

根据邻近水位孔的监测数据，计算邻近水位孔的平均渗透坡降，靠近排水廊道的水位孔，根据水位孔到排水廊道的最短距离和假定孔口出逸计算排水廊道出逸渗透比降，根据靠近地表出逸点的水位孔数据和出逸点高程计算出逸点渗透坡降，超过允许渗透坡降的成果见表1。计算表明：

（1）各水位孔之间平均渗透坡降的最大值总体都很大，对边坡稳定不利。

（2）根据靠近排水廊道的水位孔计算得到的排水廊道渗透坡降测值整体较大，尤其GC08平均渗透坡降最大值达到了1.80，已经超过了该部位所处的第四岩组的允许渗透坡降1.0～1.1，出逸位置靠近前期渗水含沙量较大的排水孔X1、X3和X61。从前期运行情况看，X61排水孔（坝0+486.00 m、拦0+ 132.40 m）分别于2008年12月3日、18日两次出现浑水现象，浑水呈青灰色，其中含大量粉土、粉细砂和少量腐植质，可能还含部分水泥。

（3）GC03与渗漏点S06的最大渗透坡降为1.14，渗透坡降也较大。下游渗漏点S06处于第四岩组，其允许渗透坡降在1.0～1.1，计算的渗透坡降是两孔间平均渗透坡降的最大值，局部渗透坡降最大值高于计算值，渗漏点易产生渗透破坏。

结合现场察看情况，右岸边坡局部破坏较为严重（局部混凝土预制块下回填的砂卵石、反滤层及原堆积体都已被严重淘空，局部浆砌石挡墙严重挤压变形）。反滤层和外侧堆石体的淘空及浆砌石挡墙的挤压变形对边坡稳定极为不利。

表1 大坝渗透坡降计算结果统计表Table 1 Calculation result of seepage gradient

3 新增防渗排水措施分析

从上节分析已知，库水主要通过防渗墙右侧进入下游；且右岸地下水位整体较高，排水孔渗水含沙，渗流未稳定；右岸边坡局部混凝土预制块下回填的砂卵石、反滤层及堆积体都已被严重淘空。针对以上问题，提出两点建议，一是延长右岸防渗墙，减小渗漏量，二是在右岸新增排水廊道，减小岸坡地下水位，防止边坡发生渗透破坏。本节就延长防渗墙以及新增排水廊道的建议进行有限元分析，评价新增防渗排水措施的效果。

3.1 计算模型与参数

网格区域包括坝轴线以上740 m到坝轴线以下650 m，总长1 390 m；坝轴向从坝0+411到坝0+ 880，总长469 m；在高程方向，网格从山顶高程2 720 m到基岩2 200 m高程，包含已勘测查明的所有覆盖层。防渗结构包括坝体的沥青混凝土心墙，上下分段式防渗墙、帷幕灌浆接头，深入基础相对隔水第二岩组内5.0 m以上的帷幕。帷幕灌浆接头网格形态按设计图纸形态建立，底部帷幕厚度为3 m。有限元网格见图4。

图4 右岸有限元网格Fig.4 FEM grid

依据该工程前期试验并参照其他工程资料，计算参数如表2所示。

3.2 计算方案

为评价不同延长防渗墙的方式以及新增排水廊道对渗流的影响，初拟的计算方案见表3。计算中取上游水位为2 650 m，下游水位为2 540 m。

表2 各种材料渗透参数Table 2 Permeability coefficient of materials

3.3 计算结果分析

图6（a）～（f）分别是方案1～6高程2 570 m水头等值线图，由图可知：

（1）现有深入基础相对隔水第二岩组内5.0 m以上的防渗系统的防渗效果很好，库水主要从防渗系统的右侧进入下游。在仅依靠现有防渗系统而不设置施工排水廊道的情况下，地下水位等势线在下游均匀分布，下游地下水位很高，对岸坡极其不利。增加排水廊道排水孔的作用，排水廊道上方水头值较相邻部位明显降低，现有的施工排水廊道能够有效降低紧挨坝体下游边坡的地下水位，有效提高了边坡稳定性。

图5 方案3和方案4假设新增防渗墙及帷幕灌浆网格图Fig.5 Grid of the new cut-off wall and curtain grouting in scheme 3 and scheme 4

（2）方案3与方案2在高程2 570 m的水头等势线差别极小，说明在现有防渗墙右侧延长100 m、深为78.5 m的防渗墙对水头等势线影响很小。将方案4的水头等势线与方案2对比发现，方案4新增防渗系统附近的水头等势线有一定的降低，在0+ 610～0+710底部新增防渗墙与帷幕灌浆，帷幕灌浆深入基础相对隔水第二岩组内5.0 m以上，能够局部减小新增防渗系统附近的水头等势线，但对下游坝坡的水头等势线影响较小。纯粹延长防渗系统而不进入相对隔水层对右岸渗流场影响甚微。

（3）在现阶段排水廊道下游处，漏水区域底部新增排水廊道能够有效降低该部位的水头，对坝坡渗透稳定有利。

表3 计算方案Table 3 Calculation schemes

（4）方案6水头等势线分布图既包含因0+ 610～0+710底部新增防渗墙与帷幕灌浆从而使防渗系统附近的水头等势线降低的特点，也包含下游新增排水廊道，下游坝坡水头降低的特点，表明对渗透水流采取截堵与导排相结合方法是较为有效的。

表4是方案2～6排水孔渗漏量统计表，由表可知：延长100 m长、78.5 m深防渗墙对排水孔总渗漏量影响甚微，但采用在0+610～0+710底部新增防渗墙与帷幕灌浆，帷幕灌浆深入基础相对隔水第二岩组内5.0 m以上的措施，排水孔渗漏量有明显的减少。新增排水廊道排水孔后，因排水孔数量的增多，将明显增大总渗漏量。

图6 方案1～6高程2 570 m水头等值线图Fig.6 Contour lines of water level on the elevation 2 570 m in schemes 1～6

表4 方案2～6排水孔渗漏量统计表Table 4 Statistics of seepage in drainage holes in schemes 2～6

4 结语

通过结合工程现场实际情况和监测数据分析，可得出以下结论：

（1）右岸渗漏量整体较大，库水是渗水的主要来源，地下水和降雨也是渗水的组成部分。库水通过防渗墙右侧的7号和8号沟进入下游的可能性极大。

（2）从监测数据看，GC11测孔附近防渗墙可能存在渗漏现象，且该孔与雷达探测结论中重点关注的桩号段0+503～0+516非常接近。坝0+315和0+ 405断面防渗墙也存在防渗缺陷。

（3）各水位孔之间、水位孔与排水孔之间以及水位孔与渗水点平均渗透坡降的最大值总体都很大，部分已经超过第四层覆盖层的允许渗透坡降，对边坡稳定和排水孔渗流稳定不利。

（4）从坝顶延长100 m、高度为78.5 m的防渗墙对右岸水头等势线分布和渗漏量影响不大；但采用在0+610～0+710底部新增防渗墙与帷幕灌浆，帷幕灌浆深入基础相对隔水第二岩组内5.0 m以上的措施，能有效减小渗漏量，并能局部降低防渗系统右端沿线的水头，但对下游坝坡水头影响较小；在原排水廊道下游新增排水廊道排水孔能有效减小排水廊道附近的水头等势线，对右岸边坡渗透稳定有利，故推荐采取截堵与导排相结合的渗控措施来处理右岸渗透问题，效果较好。■

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Analysis on the impervious defect and new drainage measures for seepage control on the right bank of a dam

LV Gao-feng,WANG Yu-jie,ZHU Jin-jie and ZHANG Meng//Large Dam Safety Su- pervision Center,National Energy Administration

The overburden of a dam is the deepest in China,whose maximum depth of the right bank is 420 m.There is a large amount of leakage on the right bank during operation.The underground water level of right bank is high and seepage failure has occurred at the local hillside and the drainage gallery. Combining site inspection and the existing monitoring records,seepage character analysis is conducted. The main source,seepage path,seepage stability and defect are analyzed.Aiming at the problems of the right bank,two kinds of seepage control system and new drainage gallery is planned.As well,FEM is used to calculate the effect on reducing leakage and the underground water level.The calculation results show that the bottom of the new cut-off wall and curtain grouting in the section 0+610～0+710 can effectively reduce the leakage and the local water head,and the additional drainage holes can lower the water head of gallery,which is beneficial to the right bank slope stability.

right bank of the dam;overburden;cutoff wall;seepage;anti-seepage and drainage measures

TV698.1

B

1671-1092（2017）03-0007-06

2016-09-21

吕高峰（1987-），男，浙江临安人，工程师，硕士，主要从事大坝安全监测和土石坝及岩土工程数值计算工作。

作者邮箱：lv_gf2@ecidi.com