賈金生 ， 郝巨濤 ， 徐 耀

（1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.中國大壩協(xié)會(huì)，北京 100038）

1 混凝土面板壩滲漏值的工程類比評價(jià)法

混凝土面板壩滲漏是不可避免的。滲漏量的大小判斷比較復(fù)雜，與工程情況、水庫來水量的大小、經(jīng)濟(jì)效益損失、有可能帶來的安全問題等有關(guān)。在面板壩發(fā)展的過程中，如何確定滲漏量的允許值以及如何控制滲漏量一直是工程界重點(diǎn)研究的問題。對于抽水蓄能電站，漏水量大意味著經(jīng)濟(jì)損失大；對于常規(guī)水電站，漏水量大，最重要的是隱含了不安全因素，因此，研究分析面板壩滲漏量的工程類比并進(jìn)行評價(jià)，對于大壩的設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理及決策都具有重要意義。

估算混凝土面板的滲漏量可將混凝土面板假設(shè)為一個(gè)均勻透水介質(zhì)，該介質(zhì)的滲透性與面板的綜合防滲性能有關(guān)，它包括面板混凝土的滲透性、面板開裂以及接縫滲漏情況等。這一假定的優(yōu)點(diǎn)在于能夠簡便地對面板壩的滲漏進(jìn)行評價(jià)，其缺點(diǎn)是無法反映面板的不均勻滲漏情況，如當(dāng)面板周邊縫滲漏較大，特別是發(fā)生集中滲漏時(shí)，均化了的面板綜合滲透系數(shù)從而不能給出準(zhǔn)確的滲漏位置和準(zhǔn)確評價(jià)。由于目前還沒有比較全面的評價(jià)面板壩滲漏量的方法，依據(jù)方便、簡潔、簡單的原則，筆者認(rèn)為按綜合滲透系數(shù)法計(jì)算面板的滲透系數(shù)并對滲漏量進(jìn)行工程類比和評價(jià)是可行的，有一定的實(shí)用價(jià)值。

假定面板均勻透水且通過的水流為層流，面板綜合滲透系數(shù)K為[1]

式中，Q為滿庫水位時(shí)的最大滲漏量；H為最高運(yùn)行水位時(shí)的壩前水深；L為對應(yīng)于H的壩頂長度；tm為面板平均厚度；θ為面板與水平面的夾角。

利用式（1）計(jì)算抽水蓄能電站全池防滲面板壩的面板綜合滲透系數(shù)時(shí)會(huì)有一定的誤差，這是由于式（1）沒有考慮水庫底部面板的滲漏。假設(shè)水庫底部面板的面積為A，厚度為t，則抽水蓄能電站面板壩的面板綜合滲透系數(shù)K為

面板壩滲漏量的工程類比和評價(jià)方法的步驟為：①依據(jù)式（1）或（2），求出每個(gè)工程的面板綜合滲透系數(shù)K；②對面板綜合滲透系數(shù)K值進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，得出每個(gè)具體工程的面板綜合滲透系數(shù)在統(tǒng)計(jì)意義上對應(yīng)的位置；③依據(jù)典型工程的面板綜合滲透系數(shù)K值確定面板壩的綜合滲透系數(shù)參照值[K]，并依據(jù)參照的綜合滲透系數(shù)，由公式計(jì)算出滲漏量的參照值[Q]；④計(jì)算滲漏量評價(jià)指數(shù)Z，設(shè)定Z為實(shí)際滲漏量Q與參照滲漏量[Q]的比值。評價(jià)指數(shù)Z越小，代表防滲面板質(zhì)量越好。

2 滲透系數(shù)的累積概率表達(dá)公式及典型工程分析

2.1 滲透系數(shù)的累計(jì)概率表達(dá)式推導(dǎo)

本文收集了國內(nèi)外已建67座面板壩的運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)，受篇幅所限，表1列出了其中20座典型工程的數(shù)據(jù)。由于澳大利亞克羅蒂（Crotty）工程沒有進(jìn)行過修補(bǔ)而泰國考蘭（Khao Laem）工程進(jìn)行過修補(bǔ)，因此可以參照克羅蒂工程和考蘭工程的面板綜合滲透系數(shù)，確定參照的綜合滲透系數(shù)[K]為4.69×10-6～5.51×10-6cm/s之間的一個(gè)數(shù)值， 本文取[K]=5×10-6cm/s。根據(jù) [K]值，可以得到各個(gè)工程的參照滲漏量[Q]，進(jìn)而與實(shí)際滲漏量Q相比就可以計(jì)算出對應(yīng)的評價(jià)指數(shù)Z。按照上述工程類比評價(jià)方法，可以得出工程滲漏的評價(jià)結(jié)果（見表1）。依據(jù)面板綜合滲透系數(shù)K和評價(jià)指數(shù)Z可對工程進(jìn)行排序和比較。基于67個(gè)工程的K值，可以得到面板綜合滲透系數(shù)的累積概率曲線（見圖1）。從圖1可以看出，[K]=5×10-6cm/s對應(yīng)的累積概率約為75%，表示在67個(gè)工程中只有約25%的工程面板綜合滲透系數(shù)大于[K]值?；趫D1中的面板綜合滲透系數(shù)的累積概率曲線，就可以根據(jù)具體工程的滲漏量計(jì)算出對應(yīng)的面板綜合滲透系數(shù)從而判斷其在統(tǒng)計(jì)意義上的位置，進(jìn)而可以判斷防滲面板工程質(zhì)量的相對好壞。

面板綜合滲透系數(shù)的累積概率曲線上標(biāo)出了兩個(gè)點(diǎn)，即對應(yīng)概率約為75%的[K]點(diǎn)，以及對應(yīng)概率約為10%的[K]1點(diǎn)。如前所述，[K]點(diǎn)附近區(qū)域是工程是否進(jìn)行過修補(bǔ)的分界區(qū)，所以可以作為判斷工程滲漏量是否偏大的過渡區(qū)；如果K值較小的前10%的工程被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)工程，那么[K]1點(diǎn)附近區(qū)域則可以作為判斷工程質(zhì)量是否優(yōu)質(zhì)的過渡區(qū)。為了能快速計(jì)算出某一具體工程的綜合評價(jià)指數(shù)Z，可由綜合滲透系數(shù)K算出對應(yīng)的累積概率值P和Z值，基于圖1，利用回歸分析可得到如下公式

表1 部分面板堆石壩工程的滲漏量類比與評價(jià)

圖1 面板綜合滲透系數(shù)的累積概率曲線

基于Z值的相對排序，就可以判斷各個(gè)面板工程質(zhì)量的相對好壞。從圖1可以看出，參照滲透系數(shù)[K]對應(yīng)的評價(jià)指數(shù)Z=1，優(yōu)質(zhì)工程分界點(diǎn)對應(yīng)的評價(jià)指數(shù)Z為0．04。從統(tǒng)計(jì)規(guī)律看，當(dāng)Z＞1時(shí)，表明工程的滲漏量比較大；當(dāng)0．04＜Z≤1時(shí)，表明工程的滲漏量是可以接受的；當(dāng)Z＜0．04時(shí)，表明工程防滲是優(yōu)質(zhì)的。這里需要指出的是只有當(dāng)可以確認(rèn)面板壩的滲漏主要是發(fā)生在面板區(qū)域時(shí)，用Z值作為判據(jù)才有意義。

2.2 工程分析

對表1滲漏量評價(jià)指標(biāo)排序的結(jié)果表明，出現(xiàn)問題需要修補(bǔ)的面板壩工程主要是100 m高以上的面板壩，且建設(shè)年代多在80年代以前，這說明巴西阿里亞 （Foz do Areia）面板壩確立的常規(guī)止水形式確實(shí)發(fā)揮了作用，特別是對于100 m高以下的面板壩，在確保止水施工質(zhì)量、面板不出現(xiàn)較大裂縫的前提下，大壩滲漏問題采用常規(guī)止水形式是完全可以解決的。以下對Z值較大的幾個(gè)典型工程進(jìn)行分析如下：泰國考蘭（Khao Laem）壩[2]建于1979年～1984年，采用常規(guī)三道止水結(jié)構(gòu)，在1985年～1990年間通過下游壩趾處量水堰的漏水量增加發(fā)現(xiàn)面板區(qū)域有三處大的滲漏，分別來自擋土墻周邊縫、趾板廊道和面板裂縫，經(jīng)分析其滲漏原因有混凝土施工不當(dāng)、工程質(zhì)量較差、面板垂直縫間距 （15 m）過大以及擋土墻周邊縫下部堆石填筑深度過大等，后采用砂漿、化灌和細(xì)砂充填對滲漏區(qū)域進(jìn)行了修補(bǔ)。美國貝雷 （Bailey）面板壩[3]出現(xiàn)較大滲漏的原因是面板下堆石填筑不當(dāng)致使過大的沉陷從而造成面板斷裂以及止水的不連續(xù)，采用潛水員水下向縫中填粗麻繩、覆蓋塑料片以及鋪設(shè)粉細(xì)砂進(jìn)行了修補(bǔ)。尼日利亞謝羅羅 （Shiroro）面板壩[4]的滲漏經(jīng)潛水員檢查主要是由面板裂縫引起的，大壩的修補(bǔ)采用4∶1的水和粉質(zhì)砂土混合物對面板進(jìn)行沖填的方法。

導(dǎo)致對常規(guī)止水形式適應(yīng)性產(chǎn)生懷疑的工程實(shí)例是哥倫比亞格里拉斯 （Golillas）面板壩[5]，格里拉斯面板壩的滲漏性評價(jià)在表1中排在倒數(shù)第二位，該壩采用常規(guī)三道止水，盡管壩高不高 （H=125 m），但是岸坡較陡，周邊縫位移較大，曾達(dá)到10 cm的沉陷，經(jīng)調(diào)查滲漏主要來自于左壩肩趾板與巖石之間的張性節(jié)理 （寬60 cm）接觸面以及周邊縫，此外還發(fā)現(xiàn)周邊縫中部止水帶部位存在多孔混凝土，在靠近兩個(gè)趾板走向發(fā)生突變的部位，混凝土面板被壓裂等現(xiàn)象，在右壩肩周邊縫還發(fā)現(xiàn)了PVC止水帶沿中心管剪切破壞現(xiàn)象，格里拉斯的修補(bǔ)是在水下修補(bǔ)效果不佳的情況下降低水位進(jìn)行的，修補(bǔ)采用灌漿、填新混凝土和重做周邊縫的方法。格里拉斯大壩的情況說明常規(guī)三道止水在用于高陡邊坡（大剪切作用）的面板壩中還存在問題，需要做進(jìn)一步改進(jìn)，如止水帶剪破、IGAS與混凝土之間的不良粘結(jié)、PVC面膜保護(hù)不夠致使IGAS從面膜中溢出等等。當(dāng)壩高超過200 m時(shí)，由于止水結(jié)構(gòu)需要承受三向大變位和高水壓，采用文獻(xiàn)[1]建議的新的止水設(shè)計(jì)和新的止水結(jié)構(gòu)是必要的。

對67個(gè)工程的Z值進(jìn)行分類計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 滲漏量評價(jià)指數(shù)Z的分類統(tǒng)計(jì)值

從表2可以得到如下結(jié)論：

（1）我國壩高在30 m以上和100 m以上面板壩的Z值平均值分別為0．671和0．311；國外30 m以上和100 m以上的面板壩Z值平均值分別為3．233和4．596，說明我國面板壩總體質(zhì)量良好，尤其是100 m以上的面板壩工程，Z值明顯小于國外工程，說明我國在面板壩設(shè)計(jì)、施工理念和止水研究方面取得了很好的成績。

（2）我國2000年以前與之后工程Z值平均值分別為 1．266和 0．290； 國外 2000年以前、后工程Z值平均值分別為3.614和1.652。說明2000年之后工程質(zhì)量明顯優(yōu)于之前的工程。

3 結(jié)語

利用面板壩滲漏評價(jià)指數(shù)可以比較面板工程質(zhì)量的優(yōu)劣，工程數(shù)量越多，比較和統(tǒng)計(jì)意義越有參考價(jià)值，尤其是對于不同設(shè)計(jì)理念、不同止水結(jié)構(gòu)的評價(jià)，對于新的工程設(shè)計(jì)更具有參照價(jià)值。

面板壩發(fā)展已有百年歷史，截至2009年，30 m以上已建、在建面板壩總數(shù)為477座，其中國內(nèi)為240座。利用工程類比和滲漏評價(jià)指數(shù)法，進(jìn)行全面分析具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。由于條件所限，本文分析了67座的資料，因此，期望對更多的觀測資料進(jìn)行分析。

［1］ Casinader R， Rome G.Estimation of leakage through upstream concrete facings of rockfill dams［C］//Proceedings of the 16th Congress on Large Dams,Q.61,R.17,ICOLD,1988:283-310.

［2］ Thongsire T,Suttiwong P.Safety surveillance and remedial works for Khao Laem Dam［C］//Proceedings of International Symposium on High Earth-Rockfill Dams,Beijing,1993.

［3］ Beene R R W,Pritchett E C.The R.D.Bailey Dam-A concretefaced earth-rockfill［C］//Cooke J B,Sherard J L,eds.Concrete face rockfill dams-design,construction and performance, American Society of Civil Engineers,1985.

［4］ Bodtman W L,Wyatt J D.Design and performance of Shiroro Rockfill Dam［C］//Proceedings of the Symposium on CFRD-Design,construction and performance,ASCE Convention,Detroit,1985.

［5］ Amaya F,Marulanda A.Colombian experience in the design and construction of concrete face rockfill dams［C］//Proceedings of the 20th Congress on Large Dams.ICOLD,2000.

［6］ Rousseeuw P J,Chapter 17:Robust estimation and identifying outliers［M］//Wadswirth H M,Jr.,ed.Handbook of statistical methods for engineers and scientists,2nd Ed.McGraw-Hill,New York,1998.