广东某水闸工程防渗墙渗漏探测研究
夏兵兵+车友明+陈亮
摘 要：本论文针对广东某水闸工程在2013年出现的消力池底板破坏及渗漏现象，作者根据现场实际渗流情况，在1#闸孔至14#闸孔闸室底板布设探测孔，采用人工示踪方法对渗漏区域的渗流参数进行探测，实际检测时发现探测孔内存在明显的垂向流现象，分析探测数据，并采用Geostudio对闸基渗流场进行有限元模拟，综合分析判定该水利枢纽渗漏是由于防渗墙深度不够导致，后期工程修复针对防渗墙进行深部修补，至今该水利枢纽未出现明显渗漏现象。
关键词：防渗墙；渗漏；垂向流
中图分类号：TV139.14 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）2-0077-03
水利工程渗漏问题是世界各国都面临的问题，在中国90%以上的水库存在着渗漏现象，其中30%存在着较为严重的渗漏。渗漏直接关系到大坝的安全运行。大坝的渗漏的原因非常复杂，如坝体施工质量问题引起的渗漏，库水通过顺河道断裂带或破碎带产生的绕坝基渗漏，以及防渗墙出现空洞产生的渗漏等。水利工程渗漏除险加固工程中，由于没有查清堤壩渗透破坏产生的原因，而造成的浪费占有相当的比例。解决渗漏问题的关键是调查清楚渗漏产生的原因以及确定渗漏通道所在的位置。常规的调查堤坝渗漏的方法包括：自然电位法、高密度电阻率法、探地雷达、水位、水量平衡、钻孔中渗漏流速测定、连通试验等。
本文利用人工示踪法并结合Geostudio有限元模拟分析，在广东某水利枢纽工程中探测到渗漏通道的具体位置及其发生渗漏的原因，即防渗墙深度不足使得渗流路径小于设计值，使得下游消力池面板在大水头差条件下隆起及断裂，导致水利枢纽出现严重的渗漏问题，后期工程修复针对防渗墙进行深部修补，运行至今该水闸未出现渗漏情况，为今后类似水利工程渗漏除险加固工程提供有价值的参考。
1 工程概况
广东某水利枢纽工程坝址以上集水面积为27503km3，属Ⅰ等大（1）型工程。枢纽主要由连接土坝、河床式发电厂房、船闸及拦河水闸等建筑物组成。坝顶高程34.05m，正常蓄水位25.50m；拦河水闸19孔，单孔净宽14m。电站安装位于枢纽靠右岸侧，高程9.0m，最大水头9.43m，平均水头7.10m，装机6台，总装机容量75MW。
2013年4月电站工作人员发现泄洪闸下游河水浑浊，然后发现5～13号闸门后消力池斜坡砼板块、消力池底板、消力坎连续拱起。为避免险情扩大，全部闸门关闭，通过发电方式尽量降低水位。
经过踏勘发现，现场闸孔下游消力池底板，1#～14#闸孔下游消力池底板破损严重，普遍存在断裂及隆起现象，如图1所示。
2 现场工作开展
为了实施渗漏探测方案，现场在1号闸孔至14号闸孔底板钻孔，钻孔数量总计14个，各钻孔深度约为30m，钻孔布置示意图如下图2和图3所示。
3 现场检测数据分析
本论文分析以6号探测孔为例进行论述，6号探测孔垂向流级水平流检测数据分析如下：
从图4上可以明显看出：
垂向流速度计算通过波峰的移动，波峰1（深度17m）移动到波峰2（深度14m），经过距离时间28分钟，垂向流速约为6m/h；
水闸底板下方（3～4m深度）水流向下运动，由于水闸结构决定，在底板处的渗水距离最短，水流通过底板下的渗径最小，所以这种情况较常见，流速不大，但需要补强以防止随着水闸的运行流速变大导致闸下渗漏引起进一步的破坏；
5～21m深度为排泄区，浅层与深层垂向流均通过此地层排泄，示踪剂一边随垂向流运动，一边向下游水平耗散，此位置处于防渗墙深度范围内，曲线说明此位置防渗体相对良好；
21～25m深度为补给区，由曲线可以明显看出，示踪剂浓度在此深度范围急剧下降，垂向流从深度24m处开始向上移动，此层在防渗墙深度以下，说明防渗墙深度不满足抗渗要求。
4 渗流场有限元模拟分析
4.1 有限元模拟分析思路
采用Geostudio对闸基渗流场进行计算分析。通过对比原设计情况下与实际情况下的水闸基础渗流场的差异，分析闸基防渗系统是否满足设计要求。
4.2 工程地质及计算参数选取
根据本工程原设计资料，主要模拟地层是含砾粗砂、含卵石砾质粗砂、全风化泥质粉砂岩层和强风化粉砂岩层，闸基渗流计算主要参数如表1。
表1中的“高压旋喷防渗墙”的设计渗透系数取值主要依据以下两个方面：
（1）根据《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T5200-2004）中表5.0.3规定，由于本工程高喷墙墙体处于“含卵石砾质粗砂”地层中，故其渗透系数设计取值范围应在，（）。
（2）本水利枢纽工程初步设计报告内容，由于闸基下卧层含卵石砾质粗砂层较其底部全风化土的渗透系数高出3个数量级，故认为全风化岩体为相对不透水层。鉴于含卵石砾质粗砂层属强透水层，为渗漏或绕渗通道，需做连续封闭防渗处理，原设计要求防渗墙墙底高程需入岩2m。根据工程经验，即本工程上游防渗墙的防渗设计标准要求不低于全风化岩层的渗透性能。初设报告和竣工工程地质报告中规定，闸基砂岩全风化带土一般呈含砂粘质土状，渗透系数大部分为2.8×10-7cm/s～6.4×10-5cm/s，初设报告中采用值为3.5×10-5cm/s。
综上两方面原因，鉴于高压旋喷灌注桩设计接头较多，工程施工质量控制较困难，故本次计算“高压旋喷防渗墙”的设计渗透系数取其上限值3.5×10-5cm/s，即与闸基相对不透水层相同。
4.3 计算工况及分析
本次有限元模拟分析以上下游水头差2.5m为标准（上游17.96m，下游15.46m）作为相应计算工况的边界条件。本次对该类工况进行了模拟：
（1）防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，记为模型A（如圖5）；
（2）面板出现出水漏洞，防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，11m以下防渗效果失效，记为模型B（如图6）。
模型A中，上下水头差2.5m，防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，混凝土面板完好时，由图7可知：整个模型结构流速分布在含卵石砾质粗砂层中，流速在闸室底板下及消力池底板下分布较均匀，最大渗透流速出现在PVC排水管出口处为1.246E～05m/s，即1.246E～03 cm/s，地层内最大渗透流速为3.8 E～06m/s，即3.8 E～04cm/s，平均渗透流速在1E～04 cm/s左右，闸室底板及消力池底板凸出部位与含卵石砾质粗砂层接触处流速较其他深度流速稍大。从以上结果可以推断出，在正常渗流状态下，堤身结构的渗透流速值的数量级为1.0E～04（cm/s）。
模型B中，上下水头差2.5m，面板出现出水漏洞，防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，11m以下防渗效果失效，由图8可知：整个模型结构流速分布在含卵石砾质粗砂层中，最大渗透流速出现在面板出水漏洞出口处为2.21E～04m/s（系统默认流速单位为m/s），即2.21E～02 cm/s，地层内最大渗透流速出现在防渗墙防渗性能失效区域为1.12 E～04m/s，即1.12 E～02cm/s，含卵石砾质粗砂层中平均渗透流速在3E～05m/s即3E～03cm/s左右。从以上计算结果推断，面板出现出水漏洞，防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，11m以下防渗效果失效时，堤身结构的渗透流速值的数量级为1.0E～03（cm/s）。
5 结论
（1）根据垂向流测试结果及分析，可以得出6#探测孔都存在明显的垂向流现象。正常工况下，即防渗墙完全封堵相对透水层时，并且防渗墙底部深入强风化层时，防渗墙后的地下水水流基本呈水平运动，但6#探测孔存在异常垂向流，表明防渗墙深部存在渗漏区域。
（2）根据有限元数值模拟，上下水头差2.5m及8.2m条件下，当防渗墙防渗效果良好时，防渗墙后的渗透流速数量级分别为1.0E～04（cm/s）；上下水头差2.5m条件下，当防渗墙深度不足时，该位置防渗墙后的渗透流速数量级为1.0E～03（cm/s），可以判定防渗墙深度不满足抗渗要求。
（3）综合现场检测及有限元模拟可判定该工程渗漏通道的具体位置及其发生渗漏的原因，即防渗墙深度不足使得渗流路径小于设计值，使得下游消力池面板在大水头差条件下隆起及断裂，导致水利枢纽出现严重的渗漏问题，后期工程修复针对防渗墙进行深部修补，为今后类似水利工程渗漏除险加固工程提供有价值的理论及实践参考。
参考文献：
[1] 崔宗培.中国水利百科全书[M]，北京：水利电力出版社，1991.
[2] ICOLD. Dam failures statistical analysis[R]. Bulletin 99； ISSN 0534-8293，1995.
[3] Coplen T B. In Regional ground-water quality， ed. AlleyW M. Van Nostrand Reinhold， New York， 1993.
[4] Mazor E. Chemical and isotopic groundwater hydrology[J]： The Applied Approach， 2nd edition， Marcel Dekker，Inc， New York， 1997. 413
[5] Clark I D， Fritz P. Environmental isotopes in hydrology[J].CRC Press， 1997
[6] IAEA， Isotope hydrology[A]. IAEA， Vienna， 1984
[7] 陈建生，董海洲 堤坝渗漏探测示踪新理论与技术研究[M].科学出版社，2007
摘 要：本论文针对广东某水闸工程在2013年出现的消力池底板破坏及渗漏现象，作者根据现场实际渗流情况，在1#闸孔至14#闸孔闸室底板布设探测孔，采用人工示踪方法对渗漏区域的渗流参数进行探测，实际检测时发现探测孔内存在明显的垂向流现象，分析探测数据，并采用Geostudio对闸基渗流场进行有限元模拟，综合分析判定该水利枢纽渗漏是由于防渗墙深度不够导致，后期工程修复针对防渗墙进行深部修补，至今该水利枢纽未出现明显渗漏现象。
关键词：防渗墙；渗漏；垂向流
中图分类号：TV139.14 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）2-0077-03
水利工程渗漏问题是世界各国都面临的问题，在中国90%以上的水库存在着渗漏现象，其中30%存在着较为严重的渗漏。渗漏直接关系到大坝的安全运行。大坝的渗漏的原因非常复杂，如坝体施工质量问题引起的渗漏，库水通过顺河道断裂带或破碎带产生的绕坝基渗漏，以及防渗墙出现空洞产生的渗漏等。水利工程渗漏除险加固工程中，由于没有查清堤壩渗透破坏产生的原因，而造成的浪费占有相当的比例。解决渗漏问题的关键是调查清楚渗漏产生的原因以及确定渗漏通道所在的位置。常规的调查堤坝渗漏的方法包括：自然电位法、高密度电阻率法、探地雷达、水位、水量平衡、钻孔中渗漏流速测定、连通试验等。
本文利用人工示踪法并结合Geostudio有限元模拟分析，在广东某水利枢纽工程中探测到渗漏通道的具体位置及其发生渗漏的原因，即防渗墙深度不足使得渗流路径小于设计值，使得下游消力池面板在大水头差条件下隆起及断裂，导致水利枢纽出现严重的渗漏问题，后期工程修复针对防渗墙进行深部修补，运行至今该水闸未出现渗漏情况，为今后类似水利工程渗漏除险加固工程提供有价值的参考。
1 工程概况
广东某水利枢纽工程坝址以上集水面积为27503km3，属Ⅰ等大（1）型工程。枢纽主要由连接土坝、河床式发电厂房、船闸及拦河水闸等建筑物组成。坝顶高程34.05m，正常蓄水位25.50m；拦河水闸19孔，单孔净宽14m。电站安装位于枢纽靠右岸侧，高程9.0m，最大水头9.43m，平均水头7.10m，装机6台，总装机容量75MW。
2013年4月电站工作人员发现泄洪闸下游河水浑浊，然后发现5～13号闸门后消力池斜坡砼板块、消力池底板、消力坎连续拱起。为避免险情扩大，全部闸门关闭，通过发电方式尽量降低水位。
经过踏勘发现，现场闸孔下游消力池底板，1#～14#闸孔下游消力池底板破损严重，普遍存在断裂及隆起现象，如图1所示。
2 现场工作开展
为了实施渗漏探测方案，现场在1号闸孔至14号闸孔底板钻孔，钻孔数量总计14个，各钻孔深度约为30m，钻孔布置示意图如下图2和图3所示。
3 现场检测数据分析
本论文分析以6号探测孔为例进行论述，6号探测孔垂向流级水平流检测数据分析如下：
从图4上可以明显看出：
垂向流速度计算通过波峰的移动，波峰1（深度17m）移动到波峰2（深度14m），经过距离时间28分钟，垂向流速约为6m/h；
水闸底板下方（3～4m深度）水流向下运动，由于水闸结构决定，在底板处的渗水距离最短，水流通过底板下的渗径最小，所以这种情况较常见，流速不大，但需要补强以防止随着水闸的运行流速变大导致闸下渗漏引起进一步的破坏；
5～21m深度为排泄区，浅层与深层垂向流均通过此地层排泄，示踪剂一边随垂向流运动，一边向下游水平耗散，此位置处于防渗墙深度范围内，曲线说明此位置防渗体相对良好；
21～25m深度为补给区，由曲线可以明显看出，示踪剂浓度在此深度范围急剧下降，垂向流从深度24m处开始向上移动，此层在防渗墙深度以下，说明防渗墙深度不满足抗渗要求。
4 渗流场有限元模拟分析
4.1 有限元模拟分析思路
采用Geostudio对闸基渗流场进行计算分析。通过对比原设计情况下与实际情况下的水闸基础渗流场的差异，分析闸基防渗系统是否满足设计要求。
4.2 工程地质及计算参数选取
根据本工程原设计资料，主要模拟地层是含砾粗砂、含卵石砾质粗砂、全风化泥质粉砂岩层和强风化粉砂岩层，闸基渗流计算主要参数如表1。
表1中的“高压旋喷防渗墙”的设计渗透系数取值主要依据以下两个方面：
（1）根据《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T5200-2004）中表5.0.3规定，由于本工程高喷墙墙体处于“含卵石砾质粗砂”地层中，故其渗透系数设计取值范围应在，（）。
（2）本水利枢纽工程初步设计报告内容，由于闸基下卧层含卵石砾质粗砂层较其底部全风化土的渗透系数高出3个数量级，故认为全风化岩体为相对不透水层。鉴于含卵石砾质粗砂层属强透水层，为渗漏或绕渗通道，需做连续封闭防渗处理，原设计要求防渗墙墙底高程需入岩2m。根据工程经验，即本工程上游防渗墙的防渗设计标准要求不低于全风化岩层的渗透性能。初设报告和竣工工程地质报告中规定，闸基砂岩全风化带土一般呈含砂粘质土状，渗透系数大部分为2.8×10-7cm/s～6.4×10-5cm/s，初设报告中采用值为3.5×10-5cm/s。
综上两方面原因，鉴于高压旋喷灌注桩设计接头较多，工程施工质量控制较困难，故本次计算“高压旋喷防渗墙”的设计渗透系数取其上限值3.5×10-5cm/s，即与闸基相对不透水层相同。
4.3 计算工况及分析
本次有限元模拟分析以上下游水头差2.5m为标准（上游17.96m，下游15.46m）作为相应计算工况的边界条件。本次对该类工况进行了模拟：
（1）防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，记为模型A（如圖5）；
（2）面板出现出水漏洞，防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，11m以下防渗效果失效，记为模型B（如图6）。
模型A中，上下水头差2.5m，防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，混凝土面板完好时，由图7可知：整个模型结构流速分布在含卵石砾质粗砂层中，流速在闸室底板下及消力池底板下分布较均匀，最大渗透流速出现在PVC排水管出口处为1.246E～05m/s，即1.246E～03 cm/s，地层内最大渗透流速为3.8 E～06m/s，即3.8 E～04cm/s，平均渗透流速在1E～04 cm/s左右，闸室底板及消力池底板凸出部位与含卵石砾质粗砂层接触处流速较其他深度流速稍大。从以上结果可以推断出，在正常渗流状态下，堤身结构的渗透流速值的数量级为1.0E～04（cm/s）。
模型B中，上下水头差2.5m，面板出现出水漏洞，防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，11m以下防渗效果失效，由图8可知：整个模型结构流速分布在含卵石砾质粗砂层中，最大渗透流速出现在面板出水漏洞出口处为2.21E～04m/s（系统默认流速单位为m/s），即2.21E～02 cm/s，地层内最大渗透流速出现在防渗墙防渗性能失效区域为1.12 E～04m/s，即1.12 E～02cm/s，含卵石砾质粗砂层中平均渗透流速在3E～05m/s即3E～03cm/s左右。从以上计算结果推断，面板出现出水漏洞，防渗墙插入全风化泥质粉砂岩层深度大于2m，11m以下防渗效果失效时，堤身结构的渗透流速值的数量级为1.0E～03（cm/s）。
5 结论
（1）根据垂向流测试结果及分析，可以得出6#探测孔都存在明显的垂向流现象。正常工况下，即防渗墙完全封堵相对透水层时，并且防渗墙底部深入强风化层时，防渗墙后的地下水水流基本呈水平运动，但6#探测孔存在异常垂向流，表明防渗墙深部存在渗漏区域。
（2）根据有限元数值模拟，上下水头差2.5m及8.2m条件下，当防渗墙防渗效果良好时，防渗墙后的渗透流速数量级分别为1.0E～04（cm/s）；上下水头差2.5m条件下，当防渗墙深度不足时，该位置防渗墙后的渗透流速数量级为1.0E～03（cm/s），可以判定防渗墙深度不满足抗渗要求。
（3）综合现场检测及有限元模拟可判定该工程渗漏通道的具体位置及其发生渗漏的原因，即防渗墙深度不足使得渗流路径小于设计值，使得下游消力池面板在大水头差条件下隆起及断裂，导致水利枢纽出现严重的渗漏问题，后期工程修复针对防渗墙进行深部修补，为今后类似水利工程渗漏除险加固工程提供有价值的理论及实践参考。
参考文献：
[1] 崔宗培.中国水利百科全书[M]，北京：水利电力出版社，1991.
[2] ICOLD. Dam failures statistical analysis[R]. Bulletin 99； ISSN 0534-8293，1995.
[3] Coplen T B. In Regional ground-water quality， ed. AlleyW M. Van Nostrand Reinhold， New York， 1993.
[4] Mazor E. Chemical and isotopic groundwater hydrology[J]： The Applied Approach， 2nd edition， Marcel Dekker，Inc， New York， 1997. 413
[5] Clark I D， Fritz P. Environmental isotopes in hydrology[J].CRC Press， 1997
[6] IAEA， Isotope hydrology[A]. IAEA， Vienna， 1984
[7] 陈建生，董海洲 堤坝渗漏探测示踪新理论与技术研究[M].科学出版社，2007
