大封門水庫副壩滲漏問題探究

張凌晨

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510640）

1 工程概況

1.1 概況及項目背景

大封門水庫位于廣州市增城區(qū)增江二級支流派潭河上游,周圍山泉水系豐富,于1969 年12 月動工興建,1982 年10 月竣工。庫區(qū)建有一座漿砌石拱壩（主壩）,及一座土壩（副壩）,副壩壩頂高程為271.50 m,最大壩高30.5 m,壩頂長120 m,面寬6 m,迎水坡平均坡為1∶2.4 混凝土護坡,設(shè)3 級馬道,其后為大體積干砌石棱柱體,為一座以發(fā)電為主的兼有防洪效益的?。?）型水庫,主要建筑物級別為4 級。

2020 年以來庫區(qū)管理部門發(fā)現(xiàn)副壩棱體仍有持續(xù)滲漏情況,管理部門反映下雨時滲漏水量會較平時有所增加,滲漏水溫度較低,水質(zhì)干凈,無肉眼可見雜物,發(fā)現(xiàn)上述問題后,管理單位對漏水位置新設(shè)明溝導(dǎo)排,防止?jié)B漏水流對出水口兩側(cè)結(jié)構(gòu)的沖刷,避免滲漏點持續(xù)擴大,并設(shè)簡易混凝土量水堰進行監(jiān)測,并同步對副壩進行滲漏分析。并作為日后水庫工程運行管理、維修加固的依據(jù)。

1.2 工程規(guī)模等級

大封門水庫原設(shè)計總庫容為665 萬m3,為?。?）型水利工程,主要建筑物為Ⅳ級。漿砌石主壩按500 年一遇洪水校核,均質(zhì)土壩副壩按1000 年一遇洪水校核。

表1 大封門水庫工程特性表

續(xù)表1

1.3 地質(zhì)情況

副壩體填土土料主要來源于附近山體的花崗巖風(fēng)化土和坡殘積土,含砂礫質(zhì)和強風(fēng)化碎塊石。根據(jù)本次地質(zhì)鉆孔資料,填土干密度1.59 g/cm3,天然含水率18.1%,最大干密度1.83 g/cm3,最優(yōu)含水率14.0%,粘聚力24.9 kPa,內(nèi)摩擦角14.7°,計算得出壓實度為86.89%。填土壓實度偏低、抗剪指標(biāo)偏低、含水量偏高。綜合土工試驗及現(xiàn)場注水試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù),壩體滲透系數(shù)為2.38×10-5cm/s～8.92×10-5cm/s,滲透性等級為弱透水。易溶鹽含量0%～0.002%,有機質(zhì)含量0.51%。

2 副壩滲漏情況

副壩整體外觀基本完好,壩頂檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫、錯動、沉降變形等異?，F(xiàn)象。迎水坡用混凝土護坡,背水坡用草皮護坡。壩面排水系統(tǒng)運行良好,大壩未發(fā)現(xiàn)裂縫、剝蝕、破損、塌坑、隆起、松脫等異?，F(xiàn)象,背水坡未發(fā)現(xiàn)異常滲漏和管涌現(xiàn)象。未發(fā)現(xiàn)存在白蟻蟻害。

副壩有浸潤線監(jiān)測系統(tǒng),壩頂有位移沉降觀測點,目前運行基本正常。但無滲流量的觀測,建議補充滲流量監(jiān)測設(shè)施。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)副壩排水棱體后滲水,通過簡易量水堰測量,現(xiàn)場觀測滲水量約10 L/min。

為查明滲漏原因,先對原設(shè)計資料結(jié)合多年水文觀測資料進行計算復(fù)核,通過滲透穩(wěn)定復(fù)核及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核均顯示滿足要求,本次將從實際物理及化學(xué)方式進一步查明滲漏實際原因。

3 儀器法滲漏通道物探

3.1 物理探測方式

本次利用高密度電法和充電法完成物探工作,揭示滲漏發(fā)生原因,高密度電阻率法是一種陣列勘探方法,利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速、自動采集。具有成本低、效率高、信息豐富、解釋方便等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于工程、礦產(chǎn)等物探勘察中。

3.2 物探組織工作

本次物探測線沿副壩草坪護坡布設(shè)。高密度電法和充電法同線開展測量。由于兩種物探方法對場地范圍需求不同,且場地有限,高密度電法和充電法完成的測線起止范圍存在一定的差異。

本次物探完成工作量為：高密度電法測線10 條,測點點距2 m,測線總長1000 m,共計510 點；工作量詳情見表2。

表2 高密度電法工作量一覽表

3.3 物探結(jié)論

由于場地內(nèi)電場干擾較大,充電法探測效果差,本次物探成果的綜合分析以高密度電法成果為主。綜合各測線高密度電法推斷解釋的異常區(qū)平面分布位置,于副壩草坪護坡推斷解釋滲漏區(qū)一處,滲漏區(qū)位置及發(fā)育走向見圖1,滲漏區(qū)上游最小寬度約為5.5 m,下游側(cè)較寬,寬度約為12.5 m,呈帶狀分布,滲漏區(qū)平面長度約為44 m,滲漏區(qū)平均深度約為16 m。

圖1 物探測線布置及推斷解釋的滲漏區(qū)位置示意圖

本次物探結(jié)論如下：本次物探根據(jù)9 處高密度電法異常區(qū),推斷解釋了滲漏通道1 處；該滲漏通道位于壩肩與山體的結(jié)合部位。具體位置及發(fā)育形態(tài)見圖2；隨地形起伏變化,各測線揭露的該通道的埋深約為13 m～21 m,平均埋深約為16 m。

圖2 滲漏點取樣（左）及左壩肩泉水出逸點取樣（右）

4 水質(zhì)化學(xué)成分分析

4.1 分析方法

采用高密度電法初步查明了滲漏通道的發(fā)育位置及形態(tài),如需進一步明確滲漏水系來源,則需要借助水質(zhì)化學(xué)成分分析。因水質(zhì)具有化學(xué)穩(wěn)定性及微生物穩(wěn)定性,所以常常用在工程隱患排查,庫區(qū)滲漏監(jiān)測中。

水質(zhì)化學(xué)分析主要有以下幾種方法：（1）儀器分析方法；（2）XRF 分析法；（3）中子活化分析法,不同方法適用范圍及檢測精度各不相同。結(jié)合本次滲漏量小,較為清澈,本次水質(zhì)化學(xué)成分分析采用儀器分析法。

4.2 水質(zhì)分析取樣

本次取樣分別取水庫水、滲漏水、山水水樣各2 L（主樣1 L、副樣1 L）。

本次水樣分析含水庫水、滲漏水和山水共3 個試樣,分析內(nèi)容包括：陽離子（銨離子（ρ(NH4+））、鎂離子（ρ（Mg2+））、鈣離子（ρ（Ca2+））、鉀.鈉離子（ρ（K++Na+））,陰離子（氫氧根（ρ（OH-））、碳酸根（ρ（CO32-））、重碳酸根（ρ（HCO3-））、硫酸根（ρ（SO42-））、硝酸根（ρ（NO3-））、氯離子（ρ（Cl-））,游離二氧化碳（ρ（fCO2））,侵蝕性二氧化碳（ρ（ECO2））,總堿度（ρ（CaCO3））,總硬度（ρ（CaCO3））,礦化度,pH 值。

4.3 水質(zhì)分析結(jié)果及結(jié)論

本次三個試樣主要分析項目對比結(jié)果見表3。

表3 水樣分析主要項目對比一覽表

通過水質(zhì)化學(xué)分析試驗,將分析結(jié)果進行二維線型擬合,以副壩滲漏水為基準,擬合后的離散性見圖3～圖4。

圖3 水庫水相關(guān)性擬合表

圖4 山水相關(guān)性擬合表

通過水質(zhì)化學(xué)分析,對滲漏水和水庫水的陽離子、陰離子、游離二氧化碳、侵蝕性二氧化碳、總堿度、總礦度、礦化度和pH 值進行分析,并進行相關(guān)關(guān)系擬合,結(jié)果顯示水庫水與滲漏水相關(guān)值在0.9917,相關(guān)性很高,而山水與滲漏水相關(guān)值僅0.7805,對比從水質(zhì)化學(xué)分析相似性結(jié)果可以判定滲漏水為水庫水。

5 滲漏處理措施或建議

大封門水庫副壩已進行帷幕灌漿等工程防滲加固措施并通過驗收,可認為防滲帷幕加固是有效的。鑒于上述實際情況,可進一步排除庫區(qū)直接產(chǎn)生滲漏通道的可能。結(jié)合本次物探成果,基本可認為滲漏為副壩左岸繞滲或基礎(chǔ)蟲洞或軟弱破碎帶打通了下游與庫區(qū)水系所致,地下水或山泉水等非庫區(qū)水系接入滲漏點可能性較小。

大封門水庫建設(shè)時間相對較早,當(dāng)時在施工監(jiān)督和管理方面還未有現(xiàn)在完善,有些受自然條件所限,使得工程建設(shè)過程中難免有若干問題?？v觀水利建設(shè)中水庫滲漏現(xiàn)象非常普遍,滲漏程度各不相同,大封門副滲漏出現(xiàn)時間早,管理單位發(fā)現(xiàn)后曾于2016 年及時進行了除險加固,加固以后滲漏持續(xù)發(fā)生,有以下兩種可能性：

（1）左岸的壩體填料性質(zhì)、壩基面防滲處理不均勻,防滲處理效果較右岸差；

（2）副壩左岸存在一定的繞壩肩滲流。

以上為大封門副壩滲漏可能的原因,無論是哪種原因引起,根據(jù)水庫管理方提供的管理資料,大封門水庫幾十年的運行良好,滲漏點滲漏水量沒有明顯變化,說明該滲漏點滲流狀況是穩(wěn)定的,目前為正常、安全狀態(tài),不會引起結(jié)構(gòu)破壞,無須進行工程處理。

大封門水庫運行幾十年來持續(xù)發(fā)揮興利調(diào)洪效益。結(jié)合本次結(jié)構(gòu)模型計算及現(xiàn)場物探分析,建議如下：

（1）盡早完善大壩安全自動化監(jiān)測設(shè)施,考慮增加更加先進的溫度計流量監(jiān)測設(shè)施,對大壩滲漏能提前有效監(jiān)測；加強資料整理與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的維護工作,確保土壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和合理性。大壩安全監(jiān)測需高度重視并應(yīng)加強管理。發(fā)現(xiàn)滲流有明顯變化趨勢,應(yīng)再次論證分析。

（2）進一步加強管理,包括蟲蟻防治,防止因蟲蟻破壞引起滲漏通道進一步擴大。

水庫大壩滲漏原因復(fù)雜多變,形成滲漏通道常常有各種原因交織,應(yīng)重點做好日常水庫大壩各部位的巡查和監(jiān)控工作,針對工程隱患,做好應(yīng)急預(yù)案,力爭將工程隱患消除在發(fā)生的源頭。