水库渗漏原因分析评判

刘顺萍 张健梁

1 问题概述

近年来，我国为缓解当地水资源供需矛盾，保障城镇居民用水安全，打赢脱贫攻坚战，助力当地社会经济发展，我国修建了多座以城镇供水为主的水源水库。但水库渗漏问题时有发生，影响水库效益的发挥。本文以北方某中型水库为例进行渗漏原因分析，并在摸清水库渗漏情况后采取处理措施进行治理，再复核处理效果，为以后水库建设及类似问题处理提供借鉴意义。

北方某中型水库以农业及工业供水为主，控制流域面积320 km2，设计水库库容1 649 万m3，兴利库容644 万m3，年供水量500 万m3。工程由大坝、导流泄洪排沙洞和溢洪道等组成。挡水坝为黏土心墙砂砾石坝，全长675 m，最大坝高27 m，坝顶宽6.0 m，坝底宽145 m，坝顶高程1 259 m。大坝上游边坡1 ∶2.75，下游坝坡1 ∶2.5，下游在1 248.33 m 高程处设2.0 m 宽马道。上游坝坡采用0.50 m 厚的干砌石护坡，下游坝坡采用混凝土网格碎石护坡。

大坝于2012 年5 月开挖，2014 年10 月填筑封顶，并完成基础防渗墙施工及底部帷幕灌浆工作。2014 年初发现坝后排水棱体底部多处渗水，局部渗水量已汇成明流，且有增大趋势，需进行防渗处理。

2 地质情况

工程区地面高程1 230～1 350 m，属低中山。河流左岸多为侵蚀中山地貌，地面高程1 240～1 350 m；右岸多为构造剥蚀地貌，地面高程1 230～1 280 m；沿河附近多为河流堆积地貌。坝址附近河床高程为1 234～1 242 m，河面宽187 m。水库附近地层主要有太古界变质岩、新生界新近系沉积岩、第四系松散堆积层。

2.1 太古界桑干群（Ar1sn1）

岩性以硅线榴石钾长片麻岩为主，局部夹长石石英岩，厚度大于100 m，呈棕褐色、灰褐色、浅灰色。广泛出露于库区河流左岸山区，分布于坝址左岸及主河床覆盖层下部。

2.2 新生界新近系（N2）

岩性以砂砾岩、砂岩、泥岩为主，厚5～30 m，呈棕红色、灰黄色及灰白色。分布于右坝肩及溢洪道，地表多被覆盖，冲沟处多有出露。

2.3 新生界第四系全新统（Q4）

岩性有含细粒土砂、粉土质砂、低液限黏土、含细粒土砾，厚5～30 m，坝址河床处厚8.1～18.2 m。分布于库区北部基岩表层及河流右岸和河床中，成因有残积、坡积、冲积、冲洪积、沼泽堆积、人工堆积。

工程区主要构造形迹以东西向为主，为燕山期强烈的南北向水平挤压作用，形成近东西向的压性结构面，新生代以来未发现显著的构造运动形迹。

水库位于所在河流的中上游，该河流为地区最低侵蚀基准面，河两岸山体雄厚，没有低于库水位的低地和邻谷，库区两岸不存在永久渗漏问题。

2015 年2 月对大坝下游渗水坑水、坝下排水沟水及上游河水取样进行水质分析，环境水对普通混凝土无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

3 防渗体质量检测及评价

3.1 大坝防渗设计

坝体采取黏土心墙防渗，坝基采取混凝土连续墙和灌浆帷幕防渗，设计防渗标准为10 Lu。黏土心墙顶高程为1 257.12 m，顶宽5 m，心墙上游边坡为1∶0.2，下游边坡为1∶0.2。坝基防渗采用混凝土地下连续墙，厚0.6 m，防渗墙顶做成光滑的楔形插入上部黏土心墙2.0 m，墙底嵌入钾长片麻岩1 m，墙体内预埋灌浆钢管，间距2.0 m，下部基岩进行帷幕灌浆。

根据纵断面图的渗透范围，防渗墙处理长度为498.87 m。同时，对左右岸坝肩岸坡进行帷幕灌浆，灌浆孔设1 排，孔距2.0 m。坝基及左右岸坝肩帷幕灌浆均伸入10 Lu 线5 m。

3.2 防渗体质量检测

沿防渗体中心线（混凝土防渗墙中心线）不同桩号布置了钻孔和竖井，分别对黏土心墙、混凝土防渗墙、帷幕灌浆进行钻孔及探井取样，进行孔内录像、声波测试、压水试验、动力触探测试，同时在钻孔、竖井取样进行现场及室内试验，另外，在地表开展综合物探测试等，以充分了解各部位质量，找出大坝渗漏原因。

3.3 心墙质量评价

心墙部位取出原状土样70 组，试验结果见表1。检测表明心墙土料的黏粒含量、塑性指数、渗透系数等存在不均一性，尤其是渗透系数，只有一半以上满足设计要求，存在渗漏问题。

表1 黏土心墙检测结果

3.4 防渗墙质量评价

混凝土防渗墙混凝土为C15W6F100，厚60 cm，深8.1～18.2 m。从所取的30 组岩芯看，所取出的混凝土岩芯大多较完整，胶结较好，防渗墙检测结果见表2，透水率较大的多位于防渗墙的下部，尤其是混凝土防渗墙与基岩接触部位，透水率18～50 Lu，均大于10 Lu，不满足设计要求。孔内录像中发现混凝土防渗墙局部存在缺陷现象，尤其在与下部基岩接触部位多有沉淀，造成混凝土防渗墙没有嵌入基岩，期间多为级配不良砂充填。因此，从压水试验结果及孔内录像两方面相互印证，证明混凝土防渗墙局部存在渗漏通道。

表2 混凝土防渗心墙检测结果

3.5 防渗帷幕

坝基沿防渗墙下部基岩设置1 排帷幕灌浆孔，共布置333 孔，间距2 m，分2 序次灌浆，其中1 序孔深10.90～34.60 m，平均20.10 m；单位注入量31.72～115.43 kg∕m，平均62.15 kg∕m。 2 序 孔 深11.14～35.22 m，平均20.09 m；单位注入量7.54～206.10 kg∕m，平均56.59 kg∕m。检测过程中，在基岩进行了42 段压水试验，岩体透水率1.5～33 Lu，平均8.3 Lu，属弱-中等透水性，71.14%试段岩体透水率满足设计要求。个别试段岩体的透水率超过10 Lu，且主要集中分布于各钻孔下部两段，说明上部10～15 m 岩体经过帷幕灌浆，岩体的透水率有所减小。因此，坝基岩体存在一定的渗漏量，但其渗漏量有限。

3.6 左右岸绕坝渗漏

检测中分别在左坝肩和右坝肩布置了一个钻孔。由两个钻孔压水试验成果可以看出，坝基两岸岩体透水率1.5～6.8 Lu，属弱透水性，满足设计防渗标准（小于10 Lu）。

4 渗漏量估算及预测

4.1 坝基渗流观测

现场观测期间，水库入库流量为50.70～90.95 L∕s，平均72.54 L∕s；排沙洞出口处渗漏量为5.75～7.40 L∕s，平均6.75 L∕s；坝下各水沟总渗漏量为47.21～61.39 L∕s，平 均53.28 L∕s。观 测 期 间 库 水 位 缓 慢 抬 高0.36 m，证明水库来水量大于渗流量。

从坝基地质剖面图可知，坝基下透水层厚8.1～18.2 m，从坝下观测点P6（高程1 236.65 m）到下P4（高程1 233.70 m）距离为276 m，地面水头差为2.95，则估算地下渗透坡降i=0.010 7。现场对坝基级配不良砂进行32 组渗透试验，渗透系数9.05×10–6～1.76×10–4m∕s，平均为8.18×10–5m∕s，估算时取渗透系数k=3×10–4m∕s（考虑数据离散性，取平均值的3 倍左右进行估算），由坝轴线剖面可知坝基下部强透水层的面积A=6 100 m2，则可估算坝基地下潜流Q潜流：

坝基总渗漏量Q总（明流+潜流）：

2014 年4 月3 日，上游水位上升至1 246.79 m时，观测坝下游地表明流为84.08 L∕s，加上地下潜流，坝基总渗流量为84.08 L∕s+19.56 L∕s=103.64 L∕s左右。

4.2 渗漏量计算

4.2.1 黏土心墙渗漏量

根据室内进行的50 组渗透试验，水平渗透系数1.66×10-7～1.85×10-4cm∕s， 平 均2.78×10-5cm∕s，计算中取渗透系数k=8.0×10–5cm∕s（考虑数据离散性，取平均值的3 倍左右进行估算），墙厚按平均宽9.2 m 计，底高程采用1 236.6 m，正常蓄水位1 255.5 m，坝长628 m，黏土心墙面积A=8 480 m2，水头差H按1 255.5 m-1 236.6 m=18.9 m 计，计算心墙渗透量Q=kiA=0.006 97 m3∕s=6.97 L∕s。检测期库水位1 246.43～1 246.79 m，水位变化0.36 m，坝上下游水头差9.43～9.79 m，库水位1 246.79 m 时，计算心墙渗透量Q1=1.48 L∕s。

4.2.2 防渗墙渗漏量

混凝土墙体属于不透水层，考虑到混凝土墙嵌入基岩（钾长片麻岩）1 m 存在一定难度，且勘察过程中发现有5 个钻孔局部进尺较快或有漏水、漏浆现象，均说明防渗墙墙体接触部位存在缺陷，有渗漏通道。渗漏计算中按0.5 m 透水层考 虑，结合压水试验渗透系 数k取6×10–2cm∕s。则正常蓄水位1 255.5 m 时，计算防渗墙渗漏量为174.27 L∕s；

库水位1 246.79 m时，防渗墙渗透量为72.98 L∕s。

4.2.3 坝基岩体渗漏量

坝基岩体除表部风化破碎透水性较强外，岩体透水性以弱透水为主，钻孔压水试验岩体透水率1.5～33 Lu，平均8.3 Lu，考虑到下部微新岩体完整，结构面发育少，透水性差，且渗径长。因此，岩体透水层考虑上部岩体，厚度按15 m 计算，结合压水试验渗透系数k取5×10–4cm∕s。则正常蓄水位1 255.5 m 时，计算基岩渗漏量43.57 L∕s。库水位1 246.79 m 时，计算坝基岩体渗透量为18.25 L∕s。

4.2.4 两岸绕坝渗漏量

两岸岩体透水率1.5～6.8 Lu，水平渗透系数2.01×10-5～3.16×10-4cm∕s，平均1.78×10-4cm∕s，计算中渗透系数k取5×10–4cm∕s。正常蓄水位1 255.5 m时，两岸绕坝渗流量估算为16.47 L∕s。库水位1 246.79 m时，两岸绕坝渗漏量为7.83 L∕s。

各部位计算渗漏量及所占比重见表3。

表3 两种水位情况下各部位渗漏量及所占比重

从表3 可知，首先坝基渗漏量以混凝土防渗墙接触带为主，占坝基总渗漏量的72%；其次坝基岩体渗漏量占总渗漏量的18%；再次为两岸绕坝渗漏量占总渗漏量的7%；黏土心墙渗漏量最小，占总渗漏量的3%。

库水位1 246.79 m 时，坝基总渗漏量计算值为100.54 L∕s，与渗流观测值103.64 L∕s 相接近，证明试验检测数值基本可靠，符合实际规律。

预测水库正常蓄水位1 255.5 m 时，坝基总渗漏量为241.281 L∕s（868.61 m3∕h），占所在河流多年平均径流量（1.94 m3∕s）的12.44%，不满足设计要求，影响水库供水效益。另外，坝基透水层多分布级配不良砂，存在渗透变形问题。故须尽快采取措施减少坝基渗漏量，保证大坝安全，可靠运行。

5 处理措施

本工程渗漏问题突出，且不是单一渗漏点，从黏土心墙、防渗墙、帷幕灌浆等各部位均存在渗漏问题，为保证工程安全，经综合考虑，决定在原防渗墙下游坝轴线上新增加一道防渗墙。沿坝轴线重新设计一道防渗墙（原防渗墙轴线距坝轴线2 m，偏上游），新防渗墙顶高程为心墙顶高程1 257.12 m，底部入基岩强风化层1 m，采用塑性混凝土防渗墙，墙厚0.8 m，如图1 所示。

防渗处理范围为桩号0+000—0+675.05，即大坝从左坝肩至右坝肩的心墙及坝基覆盖层内全部采用塑性混凝土防渗墙。墙下采用帷幕灌浆，墙内预埋帷幕灌浆管，间距1.5 m。右岸延长段重新进行补灌，根据现状岩石情况及工程总体布置，灌浆长度由原设计的30 m 增加至40 m；左岸延长段灌浆根据现状岩石情况，仍按原设计长度即30 m施工。经本次处理后，心墙内的塑性混凝土防渗墙和墙下帷幕形成完整的防渗体系。

经过对大坝重新进行渗流计算（暂不考虑原防渗墙与帷幕灌浆的防渗效果），坝体年渗漏量为23.19 万m3，占河流多年平均天然年径流量的2.4%，所占比例较小，大坝渗漏量明显减少。待新防渗墙及帷幕灌浆施工完成后，应继续通过坝后排水沟加强观测，以检验实际效果。

图1 新加防渗墙方案典型断面图（单位：mm）

6 结 语

通过在防渗中心线布设钻孔、探井，同时采取室内试验、孔内录像、压水试验等手段对黏土心墙、混凝土防渗墙、帷幕灌浆等部位进行检测，查找渗透通道；利用坝后排水沟渗漏量观测成果，与室内物理力学试验以及室外压水试验成果进行渗漏量估算成果进行对比分析，综合评判水库渗漏原因；针对各部位渗透通道，提出重新做防渗墙和帷幕灌浆的处理措施彻底拦截大坝渗漏通道，进而保证水库具备发挥效益的能力。工程的实施为解决其他相似工程问题时提供了可借鉴的成功经验。