混凝土重力坝渗流特性及耐久性影响评价

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第1章 绪论
　　1.1 引言
　　我国地处亚欧大陆东南部，地域辽阔，河流众多。流域面积50km2以上的河流有45203条，总长度150.85万km；流域面积100km2以上的河流有22909条，总长度111.46万km；流域面积1000km2以上的河流有2221条，总长度38.65万km；流域面积10000km2以上的河流有228条，总长度达13.25万km［1］。为了充分利用丰富的水资源，1949年中华人民共和国成立后，在全国范围内进行了大规模的大坝工程建设。经过70多年的发展，我国的大坝建设在规模、质量、技术等方面均取得了举世瞩目的成就，并在防洪、灌溉、供水、发电、航运、水产养殖及旅游等方面发挥了巨大作用，为促进我国国民经济发展、提高人民生活水平、保障社会稳定、改善生态环境做出了巨大贡献。但是，由于所处的自然条件和运行环境对大坝工程的不良影响，加上大坝工程本身设计标准偏低、存在施工缺陷，以及长期以来未形成良性的运行管理机制、管理不善、维修与更新资金投入不足等客观和主观原因，我国许多大坝随着运行年龄的增加出现了多种衰减问题，直接影响了大坝的寿命和安全运行。
　　据2019年年底的统计［2］，全国已建成各类水库98112座，水库总库容8983亿m3。其中，大型水库744座，总库容7150亿m3；中型水库3978座，总库容1127亿m3。正确分析评价大坝的渗流特性及耐久性，可为判断大坝是否正常运行提供重要的依据。
　　20世纪80年代以前，由于大坝工程安全要求较低，坝基地下水主要表现为渗漏问题，研究处理的重点在于减少坝基渗流量［3］。80年代以来，随着大坝工程规模的不断扩大，工程技术要求也越来越高，坝基地下水除了渗漏问题外，主要表现为地下水作为一种荷载对坝基的作用问题，研究的重点转移到了坝基渗流场与变形场的力学耦合分析上。
　　由于水泥、金属等人工材料易于老化，混凝土重力坝坝基防渗性能在渗流作用下会逐渐衰减。为充分了解坝基防渗性能衰减过程的实质和机理，正确评估衰减过程的发展趋势，提出限制衰减发展的各种综合性预防措施和相应的检修方法，需要进行混凝土重力坝的渗流分析。混凝土重力坝的渗流分析可以为保障混凝土重力坝的安全运行提供科学依据。本书从以下四个方面进行研究和分析。
　　（1）水电站在电网安全运行中起着举足轻重的作用，而大坝的安全状况直接影响到大坝内引水发电系统的可靠运行。本书以安康大坝为例，论述渗流引发的相关主要问题。安康大坝位于峡谷地段，两岸山体雄厚，坝基区岩层为震旦纪千枚岩，断层裂隙相当发育，多种软弱夹层结构面破坏了岩体的完整性，其防渗降压措施主要决定于防渗帷幕和排水，坝基渗流状况较为复杂。安康电厂为西北电网主要调峰电厂之一，在电网安全运行中起着举足轻重的作用，而安康大坝的安全状况直接影响到大坝内引水发电系统的可靠运行［4~6］。目前，安康大坝已运行20余年，由于受补强加固措施、坝前淤积，以及防渗体（如防渗帷幕、防渗墙等）老化、排水孔失效、基岩裂隙的渗透变形的影响，坝基渗流场发生了变化。因此研究坝基渗流场特性特别是其变化规律，进而准确分析坝基渗流安全，对保证大坝内引水发电系统的安全运行和电网的可靠运行具有重要的实际意义。
　　（2）重力坝大坝竣工蓄水后，渗流性态是决定大坝安全的重要因素之一［7~9］，因此分析和研究坝基渗流场变化规律，充分了解坝基渗流场和防渗结构、排水措施的工作性态，正确及时分析评价大坝渗流场以及整个大坝的安全状况并指导工程实践具有重要的理论意义和实用价值［10~13］。同时，可以为及时发现大坝隐患病害并制定合理的处理措施提供科学依据。
　　（3）结合实测资料，通过三维渗流数值模拟和人工智能技术的分析计算与演绎，挖掘大坝和坝基运行的新规律和信息，据此指导大坝的安全运行管理。本书的研究成果可为安康大坝补强加固和大坝安全运行提供科学依据和相关技术支持，同时也为国内外已建工程渗流安全和新建工程渗控方案的研究提供借鉴。因此研究坝基渗流特性，评价其对大坝的安全影响，具有重要的理论价值和实用意义［14~16］。
　　（4）消力池是水工建筑物经常采用的消能设施之一，其长期稳定和安全运行对确保大坝正常发电和汛期行洪安全至关重要，特别是消力池底板安全稳定尤为关键。但由于种种原因，许多大坝消力池底板都存在安全稳定问题，甚至会发生失稳破坏。一旦发生失稳，轻则影响水电站设计功能的发挥，重则可能造成坝溃厂毁，殃及下游，给人们的生命财产安全造成巨大的损失。工程实践表明，长期处于水下的消力池底板混凝土在渗水压力的作用下，材料中的水泥水化产物溶出和分解并不断被渗水带走，导致混凝土微观结构改变和孔隙率增加，渗透性增大，化学侵蚀逐步加重，混凝土因而损失胶凝性，强度和耐久性逐渐下降［17~20］。因此，混凝土水化学侵蚀是消力池底板混凝土强度及耐久性劣化的重要原因，必须予以重视。
　　1.2 研究现状及进展
　　一些大坝的工程事故表明，大坝的失稳或破坏大多涉及大坝岩基稳定或者坝体建基面附近的开裂，而岩体的失稳破坏又大多与岩体的渗流状态直接相关，岩体渗流不但影响岩体的物理力学性质，而且还对岩体应力场有重要影响。但是直到研究人员查明1959年法国的Mallpasset拱坝溃坝和1963年意大利的Vajont拱坝大滑坡是由于水在岩体中运动所引发，这才引起了研究人员对岩体渗流研究的重视，岩体渗流研究才有了较大进展［21~24］。
　　由于岩体结构和工程实际的复杂性，至今仍缺少能够直接应用于工程实际的通用成熟的理论和方法，但这并不影响广大学者以及工程技术人员探索岩体渗流的本质，并将其推广应用于实际工程中的决心。特别是随着数学、力学的不断完善和计算技术的发展，模糊数学［25］、灰色系统及理论［26］、混沌分形理论［27］、神经网络模型［28］、智能优化算法［29］等非线性科学的不断发展及其在工程领域中的应用，以及高速大容量计算机的出现和数值计算处理软件的不断发展和完善，使得复杂渗流场分析模型的研究呈现全面发展的态势，用于复杂渗流场正反分析的各种新理论、新方法也相继出现。
　　在应力场研究领域，人们根据材料在不同阶段和荷载作用下所表现出的本构关系，用数值分析方法对坝体应力变化规律及转异特征进行了深入研究。但在复杂渗流场研究领域，人们一直集中在对各种数学计算模型、求解精度以及适用条件等方面的研究，而忽略了对大坝渗流场在不同运行阶段、不同工况组合下所表现出来的变化规律及其转异特征的研究。随着实际工程中大坝渗流场异常情况的出现，人们建立了用于渗流安全监控的各种数学模型［30~33］，并对复杂渗流场变化规律及转异特征进行了初步的研究。
　　复杂渗流场变化规律是指渗流场随时间的变化规律，它对评价大坝渗流场的性态，以及整个大坝的安全状况具有重要意义。大坝安全监控的数学模型可以用来描述效应量和环境量之间的相关关系、对将来的观测值进行估计和预测、对实测数据的精度及有效性进行检验等，但从安全监控的角度来看，其主要目的是了解建筑物的安全状况随时间的变化过程，即将不可恢复量（或变化量）及其规律与水位、温度变化引起的可恢复量及其规律分辨出来。各类监控模型的基本假设都是效应量受环境量的影响，一般可分为水压分量、温度分量和时效分量三个独立的部分，其中水压分量、温度分量为可恢复部分，时效分量为不可恢复部分，它描述了监测量随时间的变化过程。时效分量的影响因素相当复杂，由于认为水压分量、温度分量不随时间变化，实际上其所引起的不可逆部分也被反映在时效分量中，所以时效分量也包括了由结构异常因素引起的监测量变化。因此，时效分量反映了复杂渗流场的变化过程，各类模型的时效分量也就成为评价大坝安全的主要依据，这也是传统数学监控模型应用的基础。时效分量的变化规律一定程度上反映了大坝的工作性态，吴中如等［34］将测值的趋势性变化类型分为四种，即逐渐减小、逐渐趋于稳定、以一定速率发展和速率不断加大，并用2倍或3倍的均方差进行技术报警，以判断测值变化趋势是否在允许范围内。何金平等［35］将大坝实测效应量随着时间推移而出现的时效分量的趋势性变化过程作为大坝结构实测性态综合评价的定量指标，并认为它是大坝结构实测性态正常与否的重要标志之一。将效应量的时效分量分为以下五种表现形式：①时效分量基本无变化或在一定范围内小幅度变化，这是一种比较理想的状况，对大坝安全最为有利；②时效分量在初期增长较快，在运行期变化平稳，变化幅度较小，这种情况在实际工程中最为常见，是一种比较正常的情况；③时效分量以相同的速率持续增长，这种情况表明大坝存在危及安全的隐患，对大坝的安全较为不利；④时效分量以逐渐增大的速率持续增长，这是对大坝安全显著不利的情况，表明大坝的隐患正在向不利的方向发展；⑤时效分量持续增长，并在变化过程中伴有突然增大的现象，这是对大坝安全最为不利的情况，表明大坝的隐患已发生恶化，并继续向更加恶化的方向发展。这五种变化趋势分别对应于大坝结构实测性态综合评价的五种评价等级：正常、基本正常、轻度异常、重度异常和恶性失常。
　　在特定水文地质条件和环境量作用下，大坝及岩基将产生复杂的渗流场。环境量是一个随时间连续变化的随机过程，大坝及岩基渗流场也将在环境量的反复作用下表现出随时间变化的规律和特征。影响渗流场变化的因素极为复杂，其中新的工程措施、坝前淤积等引起渗流场的改善，而基岩裂隙和坝体裂缝随着渗透压力和水化学侵蚀作用而产生的渗透变形、防渗体（如防渗帷幕、防渗墙等）老化等所导致防渗性能的降低，坝基排水孔失效，以及形成新的渗漏通道、工程质量老化等都将引起渗流场的改变［36~38］。
　　对复杂渗流场变化规律的研究除了从水物理场（渗透压力、渗流量、测压管水头等）的角度进行以外，研究者也着手从水化学场的角度进行研究［39~45］。实际上，水化学场也是复杂渗流场的重要组成部分。库水作为一种溶液，在向坝基运移过程中会产生水与坝基岩石之间、水与混凝土之间、水与帷幕之间以及水与灌浆材料之间的相互作用，水中的溶质将产生物理和化学上的相互交换，最后这些作用和交换的结果将反映在坝基水质特征中。坝基地下水径流条件制约着溶质交换的速度和程度，反过来地下水水质特征也必将反映出大坝的渗流特性，这便是用水化学场来分析和研究渗流场变化规律的原理所在。运用水文地球化学原理，对坝基地下水的pH、化学成分、化学类型及其成因等进行全面分析［46~54］，从而对坝基地下水所处的地球化学环境的形成过程和变迁历史进行推理分析，为评价大坝防渗帷幕的防渗性能以及排水孔的排水效果提供依据，达到对复杂渗流场变化规律的认识。
　　在渗流场计算区域内，满足不可压缩流体稳定渗流的控制微分方程在一定的已知条件下，如水头边界、流量边界等，才可以求得注解，此时方可对渗流场计算区域内的渗流要素如水头、流量等进行求解。大坝及岩基渗流场的变化除了与坝体上下游水位有关外，还与坝体坝基防渗结构密切相关。在大坝投入运行后，如果坝体坝基防渗结构没有发生明显变化，则在相同边界条件下，大坝渗流场的变化规律应该相似，当大坝渗流场出现异常的变化规律时，表明大坝防渗结构有可能已经发生变化。