混凝土坝基础防渗帷幕体老化的基本特点及其多尺度效应

余 波，张国军，朱旭芬，宋汉周

(1.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550081；2.河海大学 地球科学与工程学院， 江苏 南京 211100)

混凝土坝基础防渗帷幕体老化的基本特点及其多尺度效应

余 波1，张国军1，朱旭芬2，宋汉周2

(1.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550081；2.河海大学 地球科学与工程学院， 江苏 南京 211100)

针对运行工况下坝基防渗帷幕体的老化问题，依据水-岩-帷幕体相互作用的理论，从机理方面对帷幕体老化的基本特点及其多尺度效应进行剖析。指出帷幕体的老化有两个基本特点：一是呈空间分布的不均一性；二是随时间演变的不一致性。由此产生具有不同尺度的效应：一是微观效应，由不同部位帷幕体密实程度的差异性导致其可溶性组分(如钙质)发生差异性溶蚀；二是细观效应，由差异性溶蚀导致帷幕体的细观结构(如空隙度)以及水理性质(如渗透性)发生改变；三是宏观效应，由细观结构改变导致帷幕体后渗漏水动态于一定阶段呈现变异，这种变异多呈局部分布。本质上，上述效应及其演变多源自水-岩-帷幕体间相互作用过程中元素的迁移。

大坝基础防渗帷幕体；老化；多尺度效应；定性分析

大坝老化包括坝体本身老化和大坝基础老化，大坝基础老化包括基础地质体和基础帷幕体老化。而基础帷幕体的老化是指：帷幕体(由注入天然岩体内的防渗帷幕材料形成)的物理-化学特性随着大坝运行年龄而变化的一种缓慢过程，由此导致其防渗性能的弱化，并通过改变其渗透特性和应力状态来影响坝基的稳定性，从而影响到大坝的服役寿命。某种程度而言，大坝基础防渗帷幕体的老化速率要快于与之相邻的天然岩体。

针对坝基防渗帷幕体(简称帷幕体)的老化问题，国内外学者已作了不少的研究和探讨。在理论上，不少学者认为运行工况下坝基帷幕体的老化源于特定水环境及地质环境下液-固相系列(包括天然岩体及工程材料)间的物理-化学作用[1-3]，如溶解作用等。而在实际工作中，针对特定环境下大坝基础帷幕体出现的老化迹象，从不同的方面展开研究：或采用原位监测方法，根据坝基幕后渗漏水的宏观动态(包括排水量和扬压力等)，对帷幕体的防渗效果及其时效进行评价[4-7]；或采用取样室内检测/化验分析方法，根据幕后渗漏水的微观动态(包括水质和渗水析出物等)，对帷幕体防渗性能衰减的原因进行探讨[8-10]。应该说，近年来对于运行工况下大坝基础帷幕体老化问题的研究已经取得了一定的进展，但相关方面的成果还比较零散，仍有多个方面需要深入探讨。

本文依据水-岩-帷幕间相互作用的基本理论，主要从机理方面对运行工况下非岩溶裂隙介质(简称裂隙介质)地区混凝土坝基帷幕体老化的基本特点进行探讨，重点揭示帷幕体老化过程所具有的多尺度效应及其演变的规律性，旨在为大坝长期安全运行的评价提供来自基础帷幕体工作性态诊断的科学依据。

1 坝基帷幕体老化及其基本特点

归纳起来，运行工况下坝基帷幕体的老化一般具有以下诊状：

(1) 幕后不同部位地下水水质出现差异性变化(见表1)，以致局部出现异常，如形成了天然条件下不大可能出现的水化学类型—OH-Ca型等。

(2) 幕后排水孔伴随渗水出现胶状物质(简称析出物)，并堆积在下游侧的排水沟中。经化验，此类析出物中主要含有Si、Al、Ca、Mg、Fe、Mn等无机质元素，见表2。其中，部分还含有糠醛、环氧树酯以及其它酯类高分子有机质，其分布位置多与帷幕体化学灌浆补强位置相对应。

表1 部分水电站坝基幕后地下水近期主要水化学特征统计

注：(1)表中后2座水电站位于黄河上游地区，其余4座水电站位于南方及东部地区；(2)括号中数据为均值。

表2 部分水电站坝基幕后渗水析出物组分含量统计

注：表中“—”指未被检出，其余同表1。

(3) 幕后地下水宏观动态出现异常变化即局部排水量趋于增大，且与库水位之间的相关性趋于密切[4]；或局部扬压力偏大，以致大于设计值，且其实测值与库水位之间具有较密切的相关性[5-6]。

(4) 一定阶段帷幕体的基本结构及其密实度局部发生某种程度的改变：经检查孔探查，曾发现帷幕体芯样中有地下水活动的明显痕迹以及水泥结石溶失等现象[11]。由此可见，帷幕体防渗性能的衰减是其发生老化的最基本诊状。

坝基帷幕体发生老化的上述诊状，一般具有以下两个基本特点：

(1) 呈空间分布的不均一性。坝基裂隙介质帷幕实际上是由相应部位天然岩体以及灌入其中的水泥浆液经凝固和硬化后形成，岩体中发育的结构面及其网络是水泥浆液灌入后形成的硅酸盐类水泥结石充填的主要部位[12]。当使用的材料以及施工工艺一定时，所形成的帷幕体的完整性程度及其防渗效果，很大程度上取决于待灌岩体中结构面的力学性质、发育程度及其空间分布特征。

一般地，在坝基不同部位之间地质体结构面(包括裂隙、断层破碎带等)的力学性质、发育程度等方面多存在差异性，而显示了空间分布的不均一性。由此，也就决定了施工阶段形成的帷幕体的完整性及其防渗效果存在相应的不均一性，从而导致其老化程度也存在差异性。即在帷幕体相对密实、防渗效果相对显著的部位，不易发生老化；而在帷幕体不够密实、防渗效果不够显著的部位，则易发生老化。可见，在帷幕体形成之初就显示了其老化程度具有不均一的空间分布的特点。

(2) 随时间演变的不一致性。总体上，坝基帷幕体的物理-化学特性随着运行龄期而发生的老化是一相对缓慢的过程，但在不同地区水电站之间，以及同一水电站不同部位(如不同坝段)之间也存在不一致性。这种老化速率的不一致性，既具有地域性、也具有非地域性的特点。

地域性演变的不一致性主要由不同地区水电站库水水化学的差异性引起。在我国南方及东部地区地表水多呈软水(CaCO3硬度小于150 mg/L)、具有溶出型侵蚀(或腐蚀)作用(HCO3-碱度<1.07 mmol/L)；而在西北黄河上游地区地表水则多为硬水(CaCO3硬度大于150 mg/L)、且重碳酸盐碱度比较高(HCO3-碱度>1.07 mmol/L)，而不存在此类侵蚀作用，见表3。显然，环境水存在的对于基础帷幕体中可溶性组分(如钙质)的溶出型侵蚀作用，是诱发帷幕体发生老化的一个活跃因子，由此可导致帷幕体的防渗性能发生弱化。

表3 部分水电站坝前库水近期主要水化学特征统计

非地域性演变的不一致性体现在：同一水电站坝基不同部位(如不同坝段)之间以及同一部位帷幕体防渗性能随时间的演变。前者源自不同部位之间主要由地质条件决定的帷幕体细观结构的差异性，后者指同一部位发生老化速率的不一致性，一般呈非线性。即在一段时期内，老化的速率相当缓慢，以致帷幕体的相对防渗效率(Er)保持不变；而在另一时期内，由于某种环境影响因子的变化，老化的速率有所增大，以致帷幕体的相对防渗效率有所降低。

2 坝基帷幕体老化的多尺度效应

2.1 微观效应

运行工况下，坝基帷幕体老化的微观效应是由其不均一的密实性产生的。

由帷幕体的形成机制可知，为达到防渗的目的，一般要求水泥浆在待灌的裂隙及其网络中在规定的时间内能够凝结和硬化，由此形成的水泥结石应具有足够的抗渗能力。水泥水化过程所需的水量一般不大，仅为水泥重量的25%左右。然而，在施工过程中，要求配置的水泥浆液应具有较好的可灌性，多呈一种高水灰比(W/C=5.0～1.0)的浆液。若多余的那部分水不能及时排出，则会在帷幕体内部甚至在水泥结石内部，留有空隙，而成为潜在的渗透水流的通道。

目前，关于高水灰比的水泥浆液在形成水泥结石过程中的释水机制问题，尚有不同的观点[12]。其中，相对得到共识的“三要素论”认为：地质因素、灌浆压力以及重复灌浆，是稀释的水泥浆液形成水泥结石过程中释水是否充分、充填裂隙是否密实的三个基本要素。这三个要素中，前一个是自然因素，后两个是人为因素，正是这两类因素的综合影响，使得此类常规水泥灌浆帷幕体在其形成之初，就可能存在防渗薄弱部位。这就标志着运行工况下坝址渗流场内水与帷幕体间的物理-化学作用方式及其程度也呈现空间分布的不均一性。

根据表3可知，我国南方及东部地区大中型水电站库水一般具有对普通水泥灌浆帷幕体的软水溶出性侵蚀作用。当水质一定时，发生这种侵蚀作用的过程及其强度主要受控于帷幕体的基本结构及其防渗性能[13]。

在帷幕体内由水泥结石一类水化产物(包括水化硅酸盐及Ca(OH)2等)将裂隙及其网络充填的较为密实之处，渗透性比较弱，以致Ca(OH)2类水泥结石的溶解过程是以相对缓慢的扩散方式进行的。只要内、外部之间相关组分的浓度差保持一定，那么这种溶出过程就不会停止。在这样的溶出过程中，为保持固-液相间的平衡，固相表面的游离石灰被不断溶解而进入液相，直至固相表面石灰被全部消耗，此时，其它水化产物将析出钙进行补充。

而在帷幕体内由水泥结石一类水化产物将裂隙及其网络充填的不够密实之处，仍保持了一定的渗透性，以致Ca(OH)2类水泥结石的溶解过程是以较快的渗漏方式进行的。在这样的部位，Ca2-、OH-等组分的扩散系数小于渗透系数，即该部位渗漏水溶液达不到饱和状态，以致渗径周边的水化产物较快地被溶解，从而导致渗径粗化、空隙率增大；由此，也导致该部位渗透系数进一步增大。

在软水作用下，基础帷幕体中Ca(OH)2类水泥结石的上述两种不同的溶解过程及其机制，产生了不同的微观效应。在以扩散方式为主的部位，水流滞缓，水溶液中源自Ca(OH)2一类水泥结石溶解的相关组分(即Ca2+、OH-)的浓度较大，而接近饱和状态，水溶液呈相对显著的碱性，单位时间内可溶性组分(如钙质)的迁移量比较小；而在以渗漏方式为主的部位，由于存在着具有一定联通性的相对集中的渗流路径，水流交替明显快一些，水溶液中源自Ca(OH)2一类水泥结石溶解的相关组分的浓度较低，而处于非饱和状态，水溶液呈一定的碱性，但不显著，以致单位时间内可溶性组分的迁移量相对大一些。

2.2 细观效应

运行工况下，坝基帷幕体老化的细观效应是由上述微观效应产生的。

对于裂隙介质而言，岩体由岩块和结构面组成，而具有双重介质的特性。其中，岩块相对致密，所含的单个空隙空间小，且不同空隙之间的联通性差；此类空隙多由原生孔隙或微小裂隙(其开度一般小于0.2 mm)组成，故导水能力很低，但因所占的空间比较大，而具有一定的储水能力；而结构面及其网络，尽管所占的空间比例不大，但有着较强的导水能力。这是因为此类结构面一般有着一定的开度(大于或远大于0.2 mm)以及一定的延伸性，而可能与区内发育的其它组结构面相交。因此，此类结构面及其网络的水文地质参数(如渗透系数等)不同于区内岩块的，之间相差往往达一个数量级以上[14]。另外，在不同部位之间结构面可能因为不同的成因，其开度大小也可能存在差异，因而使其水力传导性呈现了非均质、各向异性。

根据裂隙介质的上述基本特征，并结合灌浆帷幕的形成机制，认为此类介质中帷幕体的基本结构具有以下特点：

(1) 一定压力下，灌入其中的水泥浆液形成的水泥结石主要充填于岩体所含的结构面及其网络之中，而极少能够充填于岩块所含的原生状孔隙以及微细裂隙中。因此，一定范围内(如2～3排灌浆孔之间)形成的帷幕体的密实程度主要取决于充填在岩体结构面及其网络中水泥结石的密实程度。

(2) 由于成因的差异性以及形成的多期性，区内不同结构面之间往往在其开度以及延伸性等方面存在着显著的差异。如就开度而言，部分裂隙大于甚至远大于0.2 mm，具有较好的可灌性；而另外部分裂隙小于甚至远小于0.2 mm，则具有较差的可灌性。可见，岩体中待灌裂隙的开度是否大于0.2 mm，是一个重要的判定指标[12]。另外，拟灌区岩体结构面的空间分布特征也会影响灌浆效果。因此认为，裂隙介质帷幕体一经形成，其防渗效率就呈现不均一性。

当运行工况下地下水与帷幕体间发生的物理-化学反应主要为溶解作用时，由此不仅使幕后渗漏水的化学组成发生着变化，而且还使帷幕体的细观结构(如空隙度或裂隙开度)以及水理性质(如渗透性)发生着变化，从而导致流场也发生着变化。与此同时，水化学场以及流场的变化又控制着地下水与帷幕体之间的反应速率。可见，溶解作用还涉及多物理场之间的相互作用及其耦合，而这种耦合关系可以用式(1)～式(3)[15]来描述。

① 空隙度与反应速率。在空隙度θ的变化速率与反应速率之间，满足以下方程：

(1)

式中：Vm为矿物m的摩尔体积；rm为矿物m的溶解速率。

② 渗透率与空隙度。根据Kozeny-Carman定律，渗透率与空隙度之间具有如下关系：

(2)

式中：k0、θ0分别为初始状态下典型单元体的渗透率和空隙度；ks、θ分别为该典型单元体于不同反应时刻的渗透率和空隙度。

③ 弥散系数与空隙度。弥散系数与空隙度间的函数关系为：

(3)

式中：D为水动力弥散系数；α为弥散度；U为渗流速度；Dm则为分子扩散系数。

上述分析表明，运行工况下坝基帷幕体老化的细观效应是多物理场(如水化学场、渗流场、地质体结构场等)耦合作用的产物。

2.3 宏观效应

此主要反映在一定运行阶段帷幕体后渗流宏观动态的局部变异方面。这里，主要论及扬压力和流量这两个动态要素。

混凝土坝基幕后扬压力的分布多呈非均一性，即使在相邻测点的测值之间也往往存在一定的差异，有时相差很大。而就某部位扬压力随时间的变化而言，通常可分为3种情形[16]：(1) 收敛型，即测值具有随时间而减小的趋势；(2) 稳定型，即测值随时间保持了相对的稳定；(3) 发散型，即测值具有随时间而增大、以致超过设计值。上述3种情形中，(1)与(2)都属稳定型，从一个侧面反映了坝踵帷幕体的防渗性能是稳定的，而第1种情形可能与坝前库底淤积层的天然铺盖防渗作用随时间推移而得到加强有关；唯情形(3)是非稳定的，在一定条件下可构成大坝抗滑稳定的不利因素。这里为区别于正常情形，将情形(3)称为扬压力变异，根据幕后排水量的动态变化，也可以进行相似的判定。

已有的研究表明，坝基幕后扬压力(包括排水量)动态异常的起因是复杂的，且存在诸多的影响因素[5-6]。其中之一，这里认为系帷幕体老化的细观效应所致。

根据对于防渗效率的定义，大坝基础帷幕体的防渗效果与本身的厚度和透水性有关，而当帷幕体的厚度一定时，若有K帷幕<

(1) 由帷幕体防渗缺陷诱发。由于拟防渗区待灌的裂隙网络系统分布形态的复杂性、不规则性以及施工本身的原因(如所选用的灌浆压力值、水-灰比以及灌浆孔与裂隙的相交率等)而使帷幕体形成之初就存在防渗缺陷。在这样的防渗缺陷部位，一般具有不同于其它部位的细观结构，多存在着与相邻的灌浆孔既不相交、又不相连的单组或多组裂隙，因而在某主渗透方向(如沿上、下游方向)上仍保持着原来的渗透性(K1)，但在其它主渗透方向上的渗透性(K2、K3)却由于灌浆作用而明显减弱了，从而使该部位岩体渗透性的各向异性更加显著，即K1/K2或K1/K3之比值增大了。介质渗透性的这种变化对渗流动态有着重要的影响，即主渗透方向对渗流场具有控制意义[17]。若布于这种防渗缺陷部位下游侧的为扬压力孔，则由于渗流受阻，而在相应部位出现扬压力偏高、以致超过设计值；若为排水孔，则由于与补给源之间存在相对通畅的渗流路径，流量一般比较大，但具有相对稳定的动态。

上述两个物理量的变化一般具有以下特征：在帷幕体投入运行之后不久就出现异常，与坝前库水位之间具有较密切的相关性，同步性好，无明显的时间滞后[18]。

(2) 由帷幕体防渗性能弱化诱发。此主要发生于充填在裂隙及其网络中的水泥结石本身以及与周围岩块间不够密实的部位。在这样的部位，渗透水流尤其是处于一定压力(由上下游之间较大的水头差产生)下的渗透水流可以渗入其中，而与相接触的可溶性物质(如Ca(OH)2晶体)发生压力溶解作用，从而导致该部位裂隙隙宽的增大。同时，这种压力溶解作用还具有随时间而向结构面尖灭部位推进的趋势；在此过程中，多呈碱性的渗透水流还发生着对于固相介质的应力腐蚀作用[19]。正是这种双重作用，使得原先相对隔离的相邻结构面之间具有水力联系成为可能，从而使得该部位帷幕体的防渗性能趋于弱化。幕后若有扬压力测点布于这样的部位，由于渗透水流受阻，可导致测值偏大，甚至超过设计值；若有排水孔布于这样的部位，由于与补给源之间存在着渐趋通畅的渗流路径，所测流量亦渐趋增大。

上述两物理量的变化一般具有以下特征：测值总体上具有缓慢上升的趋势，这种不稳定性通常具有阶段性变化的特点；与库水位之间的相关性总体上具有渐趋密切的态势[20]。

3 结 语

(1) 混凝土坝基裂隙介质帷幕体实际上是由天然岩体以及灌入其中的水泥浆液经凝固及硬化而形成，其基本结构很大程度上决定了运行期间发生的老化现象具有以下两个基本特点：一是呈空间分布的不均一性；二是随时间演变的不一致性。

(2) 运行工况下，坝基帷幕体的老化可产生多重效应。帷幕体不同部位密实程度的差异性，导致帷幕体中可溶性组分(如钙质)的差异性溶失，此为微观效应；帷幕体中可溶性组分的差异性溶失，导致其细观结构(如空隙度)以及水理性质(如渗透性)的改变，此为细观效应；帷幕体细观结构以及水理性质的改变，于一定阶段导致幕后渗流宏观动态出现变异，如局部扬压力偏大以致大于设计值，或排水量增大等，此为宏观效应。在此演变过程中，帷幕体的防渗性能趋于弱化，并趋于相对显著的非均质、各向异性。

(3) 就本质而言，运行工况下坝基帷幕体的老化及其多尺度效应，多源于水-岩-帷幕体间相互作用过程中元素的迁移。

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Basic Characteristics of Ageing Behavior of Anti-seepage Curtain under Concrete-dam Foundation and its Multi-scale Effects

YU Bo1, ZHANG Guojun1, ZHU Xufen2, SONG Hanzhou2

(1.PowerchinaGuiyangEngineeringCorporationLimited,Guiyang,Guizhou550081China;
2.CollegeofEarthSciencesandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu211100,China)

The ageing of anti-seepage curtain under a dam foundation will affect dam's long-term safety operation. Basic ageing characteristics and the multi-scale effects are analyzed in this paper. It is shown that the ageing behavior of the curtain was uneven both in spatial and in temporal distribution. As a result three effects with a different scale were produced and developed, first is the microscopic effect formed by the different dissolution which was caused by different density of the curtain itself in place, second is the microscomic effect formed by the variation of the texture (i.e. porosity) and its specific property (i.e. permeability) which was caused by the different dissolution, the last is the macroscopic effect formed by the local abnormal regime of the seepage behind the curtain during some period of the operation which was caused by the variation of the basic texture of the curtain. Essentially the effects above and their evolution are all caused by the element transfer from the interaction among water, rock and curtain.

Anti-seepage curtain under dam foundation; ageing; multi-scale effects; qualitative analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.003

2017-03-29

2017-04-21

中国电力建设股份有限公司科技项目(DJ-ZDXM-2014-21)；国家自然科学基金项目(41272265)

余 波(1972—)，男，贵州福泉人，教授级高级工程师,主要从事水电水利工程地质勘察与研究。 E-mail：Yubo079@126.com

宋汉周(1954—)，男，江苏启东人，教授，主要从事环境水文地质研究。E-mail：songhz@hhu.edu.cn

TU42

A

1672—1144(2017)04—0013—06