1、混凝土坝基防渗帷幕体老化的基本模式及识别指标 余波 郑克勋 王建平 宋汉周 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 河海大学地球科学与工程学院 摘 要： 采用综合分析方法, 对混凝土坝基防渗帷幕体的老化模式以及识别指标进行了系统的探讨。基于相对防渗效率, 把帷幕体老化分为相对稳定型、缓慢变化型以及阶段性变化型 3 种基本模式;在分析时段内, 不同的模式具有不同的防渗效率。用于识别帷幕体老化的指标有 3 类:第一类为渗流的微观动态要素, 包括析钙量、TDS 值、pH 值、无机质和有机质等, 可用于揭示帷幕体的老化机制;第二类为渗流的宏观动态要素, 包括扬压力、排水量等, 可用于判断帷幕体的老化程
2、度及其基本模式;第三类为数值分析指标, 包括饱和指数和渗漏水源比例系数等, 可用于量化分析帷幕体的老化过程。3 类指标的识别有助于构建混凝土坝基防渗帷幕体老化评估体系。关键词： 坝基防渗帷幕体; 老化模式; 渗流; 识别指标; 作者简介：余波 (1972) , 男, 教授级高级工程师, 博士, 主要从事水利水电工程地质研究。E-mail:作者简介：宋汉周 (1954) , 男, 教授, 主要从事大坝环境水文地质研究。E-mail:收稿日期：2016-12-21基金：中国电力建设股份有限公司科技项目 (DJ-ZDXM-2014-21) Basic patterns and identificat
3、ion indexes for ageing behavior of anti-seepage curtains under a concrete-dam foundationYU Bo ZHENG Kexun WANG Jianping SONG Hanzhou Power China Guiyang Engineering Co., Ltd.; School of Earth Science and Engineering, Hohai University; Abstract： The long-term safe operation of a dam can be influenced
4、 by the ageing of anti-seepage curtains under its foundation. Based on a synthetic analysis method, basic ageing patterns and some indexes of identification are presented.Three kinds of patterns, including a relatively stable pattern, a slow-weakening pattern and a weakening in stage pattern were cl
5、assified in terms of the relative anti-seepage efficiency. Each pattern has its unique anti-seepage efficiency during the analysis time. Three types of indexes can be used to identify the ageing. The first type is the micro dynamic elements of seepage, including Ca2+, TDS, pH, inorganic and organic
6、matters, which can be used to reveal the ageing mechanisms. The second one is the macro dynamic elements, including the uplift pressure and flow rate, which can be used to identify the ageing degrees and the basic aging patterns. The third type is the numerical analysis indexes, including the satura
7、tion index and ratios of the different seepage sources, which can be used to quantify the ageing process. Evaluation systems for the aging behavior of anti-seepage curtains under a concrete-dam foundation can be constructed based on the 3 types of identification indexes.Keyword： anti-seepage curtain
8、s under a dam foundation; ageing patterns; seepage; identification indexes; Received： 2016-12-21据 21 世纪初统计, 我国在岩溶地区及非岩溶地区已建有各类大坝约 8.4 万座, 其中在国际大坝委员会登记的坝高大于 15 m 的达 1.9 万座, 居世界首位1。其中, 坝龄小于 20 a 的占已建大坝总数的 34%, 在 2030 a 之间的占 44% (与20 世纪 70 年代大坝建设高峰期相符) , 在 30 a 以上的占 21%, 平均坝龄为22.87 a。从运行年龄上看, 我国多数大坝已进入
9、中老龄阶段, 与之相伴的老化问题逐趋突出, 而成为一个需要深入研究的问题。近年来, 不少学者针对大坝老化现象从不同的方面开展了研究。一些较早兴建混凝土坝的发达国家, 对大坝老化问题相当关注, 如在 2003 年第 21 届国际大坝会议上, 将老化问题列为专题进行研究;我国对于大坝老化的诊断及治理虽相对滞后, 但也取得了一定的进展。在老化诊断方面, 认为一般经过 30 多年运行的混凝土坝, 显露的各种老化病害主要表现为渗流变异、溶蚀加重、碳化累进、冲磨空蚀加剧以及裂缝增生扩展等2-4。在老化评估及大坝安全评价方面, 具有代表性的是基于室内试验成果, 比较系统地提出了水工建筑物不同的表层病害对于整
10、体老化的评价指标5;也有以特征时段为区间, 根据多效应量来获取指标的隶属度, 结合信息熵理论和专家评估法确定指标权重, 采用统计方法进行时段类比6。而在老化治理方面, 相关技术方法以及新材料方面的研究均取得了一定的进展7-8。相对而言, 对于一定龄期混凝土坝基防渗帷幕体 (以下简称帷幕体) 老化的研究显得弱一些。究其原因, 一方面与其特有的隐蔽性以及复杂多变的影响因素有关, 另一方面也与相关检测资料的相对零散有关。本文采用综合分析方法, 建立运行工况下坝基非岩溶裂隙介质帷幕体老化的基本模式, 依据渗流动态监测/检测资料, 提出用于识别帷幕体老化的 3 类指标, 并分析其指示意义, 旨在为构建帷
11、幕体老化的评估体系提供支持。1 帷幕体老化的基本模式坝基非岩溶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和硬化后形成的, 岩体中发育的结构面及其网络是硅酸盐类水泥结石充填的主要部位。因此, 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及其网络的空间分布特征。坝基不同部位岩体结构面的力学性质、发育程度等方面存在的差异性, 决定了由施工阶段形成的帷幕体的完整程度以及防渗效果也存在相应的不均一性, 从而导致其在运行阶段发生老化及老化程度的差异性。为进一步分析帷幕体的老化随时间演变的不一致性, 参照相对防渗效率这一物理量
12、, 可把运行工况下帷幕体老化的基本特征, 大致分为相对稳定型 (类) 、缓慢变化型 (类) 和阶段性变化型 (类) 3 种模式, 其相关帷幕体防渗性能的时效变化如图 1 所示。图 1 帷幕体老化基本模式示意图 下载原图相对防渗效率定义如下:式中:E r为相对防渗效率, 数值上在 01 之间变化, 当 Er1 时, 表明帷幕体的防渗效率稳定, 而当 Er0 时, 则表明帷幕体的防渗效率趋于丧失;E t为帷幕体于运行期 t 时刻的实际防渗效率;E t0为帷幕体于运行初期 t0时刻的实际防渗效率, 在数值上有:E t0= (Qb-Qa) /Qb, 其中 Qb为不设帷幕时的单宽流量, Q a为设置帷幕
13、后的单宽流量, 两者均可根据达西定律求得。由达西定律基本定义可知, 当帷幕体的厚度一定且当帷幕上下游侧基岩的渗透性一定时, 帷幕体的渗透性越低, 或远低于基岩的渗透性, 则其防渗效率越高 (E t0100%) ;反之, 若帷幕体的渗透性仍保持一定, 或相似于基岩的渗透性, 则其防渗效率就很低 (Et00) 。根据式 (1) , 可知帷幕体的不同老化模式具有不同的防渗性能:对于类帷幕体, 在分析时段内有 EtE t0, 或有 EtE t0, 帷幕体的防渗效率保持了相对的稳定;对于类类帷幕体, 在分析时段内均有 Et0 (G0) 时, 表明水溶液与目标矿物之间处于饱和状态, 即处于沉淀状态。若坝址
14、区具有相同或相似的岩性条件, 可根据幕后渗漏水的 SI值沿某一方向 (如沿坝轴线方向) 的断面, 判定帷幕体的防渗性能沿此方向的分布特征14。同样, 可根据幕后渗漏水某测点于不同时刻 (如不同年份) 的 SI值, 通过对比来判定相邻帷幕体防渗性能可能发生的弱化或老化。渗漏水源比例系数则反映了不同渗漏水源所占的份额。应该说, 幕后地下水的混合作用也是水化学的一种重要的形成作用。这种作用多发生在左、右坝肩部位, 即在这样的部位, 幕后渗漏水中可能既含有坝前库水, 也含有来自侧向的岸坡地下水;若坝前库水所占的百分比为 R, 岸坡地下水则为 1-R。根据质量守恒定律, 并结合对区内水-岩相互作用系统
15、(多为灰色系统) 的认知, 可建立水文地球化学反向模拟模型;依据系统中初始液与溶出液的水化学检测资料, 采用数值方法进行求解, 可得到系统中“可能矿物相”发生的迁移量以及不同渗漏水源所占的比例 (R 值) 15。通过对比分析, 可判定相邻部位帷幕体的防渗性能可能发生的弱化/老化。3 结论a.运行工况下, 帷幕体老化现象具有的时空差异性分布特征是由其基本结构决定的。按照相对防渗效率, 可把帷幕体的老化模式分为相对稳定型、缓慢变化型和阶段性变化型 3 种。在分析时段内, 不同的模式具有不同的防渗效率:相对稳定型具有相对稳定的防渗效率;而缓慢变化型和阶段性变化型均趋于缓慢的衰减, 之间的区别在于,
16、缓慢变化型呈近于线性变化, 而阶段性变化型则呈非线性变化。这种分类具有实用性, 并具有普遍意义。b.幕后渗漏水宏、微观动态要素中, 隐含着多个可用于识别帷幕体老化的指标。其中, 微观动态要素中包括析钙量、TDS 值、p H 值以及渗水析出物中的无机质和有机质 5 个指标;而宏观动态要素则主要包括扬压力及排水量 2 个指标。前一类指标可用于揭示帷幕体老化的形成机制;而后一类指标则用于判断帷幕体老化的程度以及老化的基本模式。第三类指数值分析指标, 包括饱和指数和渗漏水源比例系数等, 可用于量化分析帷幕体的老化过程。这 3 类指标可用于建立帷幕体老化的评估体系。参考文献1吴中如, 顾冲时.重大水工混
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