沥青混凝土心墙堆石坝渗漏探测方法与处理措施研究
景锋
长江科学院长江工程技术公司
武汉长江科创科技发展有限公司
国家大坝安全工程技术研究中心
彭伟
长江勘测规划设计研究院有限责任公司
韩炜
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李珍
长江科学院长江工程技术公司
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国家大坝安全工程技术研究中心
汪在芹
国家大坝安全工程技术研究中心
1 引言
由于沥青混凝土心墙堆石坝具有抗渗性能好、有一定自愈能力、坝体散粒结构适应坝基变形能力强、抗震性好、对骨料要求不高、施工干扰少等优点，已得到了广泛应用。目前我国国内碾压式沥青混凝土心墙堆石坝已建成约100多座。但受地质条件和施工质量等因素影响，部分出现渗漏，长期渗漏影响水库蓄水，而且在长期渗漏作用下坝体内的细粒物质被带出，引起坝体不均匀沉降，进而影响大坝安全［1］。
沥青混凝土心墙堆石坝一般从沥青混凝土心墙向上、下游两侧为含有少量细砂的碎石料过渡料、石渣、堆石及干砌石护坡。由于坝体各区填筑材料的物理力学性能差异大，水库蓄水后坝体应力应变状态较为复杂，最大水平位移一般发生在防渗墙的上部或中上部，竖向最大位移发生在心墙上部，而最大拉应力和压应力均在墙体底部［2，3］。对于坝体防渗来说，沥青混凝土心墙与周边建筑物连接是防渗系统结构的关键，柔性心墙与下部刚性建筑物的接触面是主要渗漏通道，坝基混凝土防渗墙，以及下部水泥防渗帷幕局部缺陷部位都存在渗漏可能。
鉴于沥青混凝土心墙堆石坝坝体分区复杂，各区填筑材和地层介质的料物理力学性质差异大，坝体填筑材料的孔隙大小、孔隙结构和孔隙率差异大，可能的渗透点或通道多，相应的渗漏机理各异，多重差异较大介质组成的坝体结构使得该类坝体及坝基的渗漏查漏技术难度大，坝体特有的堆石结构使得成孔困难和灌浆难度大，给灌浆浆材性能、处理技术和工艺提出了较高要求。
本文拟以某沥青混凝土心墙堆石坝的渗漏探测和防渗处理为工程案例，先采用地质和施工资料分析，物探为辅钻探为主的综合查漏手段，进行了渗漏部位确定，再针对堆石坝坝体帷幕灌浆成孔困难，制定了套阀管式灌浆处理工艺。最后工程实践结果表明，坝体渗漏定位基本准确，处理工效高效果好，坝体防渗堵漏处理前后总渗水量降低了一个数量量级。
2 工程概况
某水库主要建筑物按Ⅱ级设计，次要建筑物按Ⅲ级设计，水库正常蓄水位46.80m，校核洪水位50.30m。水库枢纽由大坝、溢洪道、输水工程、防汛道路、管理站等建筑物组成。大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶宽8m，高程51.00m，最大坝高44.40m，正常蓄水库容2000多万m3，坝长约390m，坝脚宽超过200m。
坝河床坝段防渗体系从坝体至坝基为沥青混凝土心墙、混凝土防渗墙、防渗帷幕。两岸坝肩大坝防渗体系：坝体为沥青混凝土心墙，下接基岩防渗帷幕。大坝轴线向上、下游两侧过渡层为粒径30～150mm含有少量细砂的碎石料、石渣、堆石及干砌石护坡。沥青混凝土心墙宽0.5～0.8m，心墙上、下游侧各设约3m厚含有少量细砂的过渡层，孔隙率约20%。坝体堆石石渣料，压实后孔隙率小于25%。坝基第四系覆盖层与基岩全风化带采用混凝土防渗墙，墙厚1.0m。防渗墙下接灌浆帷幕，帷幕进入基岩强风化带或弱风化带。大坝建基面在两岸坝肩岩体为强风化带，而坝基河床段第四系覆盖层最厚达13.0m左右，对第四系覆盖层采取振冲碎石桩进行加固补强［4］。施工期现场施工场景见图1和图2。
图1 坝体填筑整体场景图
图2 沥青混凝土心墙填筑场景图
坝体渗透情况：2007年8月大坝建成开始蓄水，随即河床段大坝后脚普遍出现渗漏，且随库水位缓慢抬高，渗漏量不断缓慢增大，当库水位迅速抬高至正常蓄水位46.80m，渗漏速率迅速增大，渗漏量亦不断增大，至2009年初渗漏量已达253L/s，随着蓄水时间延长，渗漏量增大至600L/s。在2010年11月渗漏量最大值超过700L/s。在坝后坡脚长约198m范围内干砌石缝隙间普遍出现流水，局部有翻水现象。大坝渗漏已威胁到大坝的安全和正常使用，因此急需对大坝防渗结构进行渗漏探测和修复。现场渗水场景见图3。
图3 坝后坡脚典型渗漏部位渗水情况
3 渗漏探测方法
为处理好堆石坝的渗漏，首先需确定坝体的渗漏通道。通常的渗漏探测步骤：先基于已有的地质资料和施工质量等资料，初步分析可能的渗漏部位；再通过物探手段，进一步判断可能的渗漏部位和渗漏机理；最后再补充钻探，利用钻孔并结合其他测试手段确定渗漏部位、渗透途径和渗漏机理。
对于该工程实例，首先经现场调研，以及综合分析坝基地质条件、大坝设计和施工过程中的技术质量等资料，初步认为两岸坝肩应不存在绕坝渗漏，大坝可能产生渗漏的部位为沥青混凝土心墙、混凝土防渗墙、沥青混凝土心墙与混凝土防渗墙结合部位和防渗帷幕及基岩弱风化带。
在初步分析的基础上，排除了坝肩渗漏的可能性，又利用瞬变电磁、高密度电法等手段对大坝的渗透部位进行了探测，但受沥青混凝土心墙堆石坝坝体和坝基多重介质物理力学性质差异大，物探分辨率低，以及此处渗漏多为非集中的点状渗透，物探的准确性较低，渗漏部位仍需进一步确定。
根据上述情况，最后决定再系统布置勘探孔，以勘探钻孔为平台，再结合其他测试和试验。勘探孔沿整个坝轴线在沥青混凝土心墙上下游对称布置钻孔，孔距在沥青混凝土防渗墙、混凝土防渗墙顶、底部及灌浆帷幕等部位，在施工过程中曾出现过质量缺陷或槽壁坍塌部位及横跨防渗墙的断层部位适当减小。另在坝体上下游布置了少量观测孔。
利用勘探钻孔平台，进行了着色剂和食盐示踪试验、地下水流速测定、水位测量、钻孔彩色电视、基岩压水试验等。着色剂示踪试验场景见图4和图5。
通过多种手段的测试分析，通过勘探孔水位确定了坝体水位等值线图，通过示踪试验建立了渗漏水的流速和流向与渗流通道，采用钻孔电视确定了孔内的渗流状态，通过钻孔压水试验确定了强风化和中风化岩层的渗透情况。各种勘探结果相互补充和佐证，通过上述综合分析认为沥青混凝土心墙以及钢筋砼基座附近渗漏现象明显，局部渗漏严重；钢筋混凝土基座以下的砼防渗墙有渗漏现象，仅个别段渗漏严重，基岩帷幕渗漏迹象总体不明显。另将坝体渗漏情况将坝体渗漏总体分为了：强渗漏区、中等渗漏区和不明显渗漏区。
图4 渗漏着色剂示踪试验场景图
图5 孔内着色剂示踪试验水样
4 防渗堵漏措施
在对混凝土防渗墙方案和灌浆方案进行经济技术风险分析后确定在原大坝心墙的上游增设一道帷幕，防渗要求是堆石料、过渡料、第四系覆盖层以及全风化层中的灌浆幕体渗透系数为1.0×10-5cm/s，下部帷幕灌浆防渗标准为7.5×10-5cm/s。在施工前进行灌浆试验，试验采用自上而下分段、孔口封闭纯压式灌浆，分序采用排间分序和排内加密的原则，浆材采用水泥膏浆、稳定浆液和纯水泥浆，不同部位采用不同的灌浆浆液，灌浆效果可满足设计要求［4，5］。
后考虑到堆石坝成孔困难，以及自上而下灌浆工艺工效低等因素，中水基础局提出了更适合堆石坝渗漏灌浆处理的套阀管法灌浆工艺。该工艺具有可一次成孔、自下而上分段灌浆，灌浆质量可控，工效高等优点。具体步骤为：跟管钻进、放置灌浆阀管、灌注套壳料、拔出套管，待壳料到一定强度后，在灌浆阀管内下放阻塞器，自下而上分段式灌浆。工程场景见图6，现场场景见图7。
图6 套阀管制作场景
图7 套阀管灌浆过程中坝后排水和漏浆场景
5 防渗堵漏效果分析
灌浆效果主要通过钻孔取芯、注水试验、压水试验（包括疲劳压水、耐压压水）、室内芯样抗压强度检测与室内芯样抗渗等级检测、钻孔彩色电视录像等综合手段，了解套阀管法灌浆与基岩帷幕灌浆的防渗性能否达到设计要求。
坝体过渡料灌浆质量检查以检查孔注水试验成果为主，结合施工记录、钻灌资料、检查孔压水试验、检查孔取芯、芯样抗压强度、抗渗等级、孔内彩色电视录像等综合分析评定。
基础第四系覆盖层及全风化层灌浆质量检查以检查孔压水试验成果为主，结合施工记录、钻灌资料、检查孔取芯、典型芯样抗压强度、抗渗等级、孔内彩色电视录像等综合分析评定。
检查顺序：钻孔→取芯→孔内彩电→注水试验→压水试验。
经防渗处理后，钻孔检测结果表明渗漏处理效果明显，各项检测指标总体上达到了设计要求，坝后的总渗漏量已从最初的700L/s降低至约30L/s。
6 结语
（1）沥青混凝土心墙堆石坝坝体分区复杂，各区填筑材料的孔隙大小、孔隙结构和孔隙率差异大，坝基地层介质的料物理力学性质差异也大，可能的渗透点或通道多，相应的渗漏机理各异。
（2）堆石坝坝体和坝基岩体多重差异较大介质组成的坝体结构使得该类坝体及坝基的渗漏查漏技术难度大，应先通过前期地质和施工资料分析、物探和钻探等综合手段分步确定渗漏性质和部位。
（3）堆石坝坝体特有的堆石散体结构使得成孔和灌浆难度大，给灌浆浆材性能和灌浆工艺提出了很高要求，套阀管法能很好地解决成孔、分段灌浆、重复灌浆等问题，且工效高。
参考文献
［1］ 王为标，Kaare HOEG.沥青混凝土心墙堆石坝：一种非常有竞争力的坝型［C］//第一届堆石坝国际研讨会论文集.北京：中国水利水电出版社，2009：62-67.
［2］ 解卫东.碾压式沥青混凝土心墙坝堆石体应力应变分析［J］.内蒙古水利，2009，122（4）：8-9.
［3］ 叶发文，高阳，张建海.寨子河沥青混凝土心墙堆眉坝渗琉及应力应变分析［J］.水力发电，2014，40（2）：60-62.
［4］ 邬美富，徐宏亮，杨磊.阳江核电水库堆石坝防渗灌浆施工技术研究［J］.中国农村水利水电，2014，（3）：54-61.
［5］ 邬美富，杨磊，曾力.阳江核电站水库渗漏处理中灌浆材料的试验与设计［J］.武汉大学学报（工学版），2012，（5）：575-583.