挪威埃普特瓦騰壩多年運(yùn)行后的塌坑現(xiàn)象分析及處理

[挪威]　E.奧德馬克 等

挪威埃普特瓦騰壩多年運(yùn)行后的塌坑現(xiàn)象分析及處理

[挪威]E.奧德馬克 等

摘要：挪威埃普特瓦騰壩于1971年建成運(yùn)行，該壩為一座堆石壩。其主體結(jié)構(gòu)采用爆破堆石料填筑，反濾層采用砂礫石，防滲體心墻采用冰磧料填筑。大壩自建成投運(yùn)以來(lái)一直運(yùn)行良好，直到2014年3月，對(duì)其實(shí)施的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，壩體出現(xiàn)明顯滲漏，且有增加的趨勢(shì)。實(shí)地檢查發(fā)現(xiàn)，大壩上游面壩頂附近已出現(xiàn)了塌坑。介紹了大壩的現(xiàn)狀以及針對(duì)大壩出現(xiàn)的問(wèn)題所采取的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：反濾層砂礫石；防滲體心墻；壩體滲漏；大壩監(jiān)測(cè)；塌坑；埃普特瓦騰壩；挪威

1挪威大壩概況

挪威大部分的大壩均建成于1955～1985年期間。自1959年至1975年，每年大約有10座大壩建成完工。在20世紀(jì)50年代中期以前，混凝土壩在挪威大壩中占據(jù)主流，此后土石壩逐漸增多。從1970年至1995年，已建成的大壩中85%為土石壩，其中絕大部分為堆石壩。建成于1986年的奧達(dá)特捷恩(Oddatj?rn)壩，壩高為142 m，是挪威最高的大壩之一。

目前，挪威有179座土石壩，其中166座為堆石壩。在這些堆石壩中，有124座采用了冰磧料防滲體心墻；有25座土石壩運(yùn)用了混凝土面板，有9座采用的是混凝土防滲體心墻；僅有13座壩為土壩。直到1980年，大部分堆石壩才開(kāi)始采用冰磧料作為其心墻防滲體材料。1980年以后，大約有18座新建的堆石壩采用了瀝青防滲體心墻，這其中又有10座采用瀝青混凝土防滲體心墻。

此后，挪威修建的越來(lái)越多的堆石壩開(kāi)始采用瀝青混凝土防滲體心墻，到目前為止，這些大壩都運(yùn)行良好。在通常情況下，即便冰磧料在當(dāng)?shù)乜梢垣@取，但是，采用瀝青混凝土心墻的大壩經(jīng)濟(jì)性比較好。目前，世界上最高的瀝青混凝土心墻壩是挪威的斯圖克勞姆瓦汀(Storglomvatn)壩，該壩壩高為125 m。世界上最大的瀝青混凝土心墻壩則是挪威的斯圖瓦滕(Storvatn)壩，壩高為90 m，壩體設(shè)計(jì)總體積達(dá)950萬(wàn)m3。

在挪威現(xiàn)有的124座冰磧料防滲體心墻堆石壩中，有7座已經(jīng)出現(xiàn)了內(nèi)部侵蝕現(xiàn)象，這些壩均建成于20世紀(jì)60年代末和70年代初。在那個(gè)時(shí)期，工程師對(duì)于壩型的可靠性過(guò)于自信，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)以便達(dá)到降低成本的目的。其優(yōu)化設(shè)計(jì)措施主要包括：在大壩臨水坡處設(shè)置反濾層、減小反濾層和心墻的厚度、縮減工期從而縮短初次蓄水前的初始沉降期等。在20世紀(jì)70年代中期以后，工程師們才逐漸認(rèn)識(shí)到反濾層及心墻必須達(dá)到足夠的厚度且反濾層級(jí)配良好的重要性。一般而言，反濾層的設(shè)計(jì)必需遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1　反濾層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2埃普特瓦騰壩

埃普特瓦騰(Eptevatn)壩位于挪威南部阿格德?tīng)?Agder)郡。大壩業(yè)主是挪威再生能源生產(chǎn)商阿格德?tīng)柟?。埃普特瓦騰壩最大壩高約為30 m，壩體剖面圖示于圖1。大壩的防滲體心墻采用的是冰磧料，反濾層為砂礫石料，其最大粒徑為250 mm，過(guò)渡層采用的是卵石或者是質(zhì)地相對(duì)較細(xì)的爆破塊石料，壩主體結(jié)構(gòu)為爆破堆石料。筑壩材料基本符合當(dāng)時(shí)堆石壩的建造標(biāo)準(zhǔn)。

圖1　埃普特瓦騰壩斷面示意

埃普特瓦騰壩于1970年開(kāi)工建設(shè)，當(dāng)年主要是對(duì)大壩的基礎(chǔ)部分進(jìn)行施工；1971年，大壩主體結(jié)構(gòu)建成。

大壩于1971年蓄水后運(yùn)行狀態(tài)良好，直到2014年，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)顯示：壩體滲漏程度明顯加重。通過(guò)實(shí)地檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大壩上游面靠近壩頂處出現(xiàn)了塌坑，見(jiàn)圖1。

3粒徑分布

埃普特瓦騰壩的防滲體心墻所用的填筑料、反濾層料以及過(guò)渡層料的粒徑分布如圖2所示。從圖2中可以看到，在心墻填筑料(區(qū)域1)的顆粒級(jí)配中，粒徑小于0.074 mm的篩分體積為30%～38%，dmax<19 mm，0.02 mm≤d15≤0.01 mm。反濾層料D15為0.3～0.9 mm。

圖2　冰磧石、反濾層料和過(guò)渡層料的粒徑級(jí)配

從1970年起，在正常情況下，根據(jù)規(guī)范要求，反濾體基材的D15應(yīng)為d15的5～45倍，且D50不能超過(guò)d50的25倍。從圖3可以看出，埃普特瓦騰壩的反濾層用料的顆粒粒徑要大于20世紀(jì)70年代早期的常規(guī)大壩設(shè)計(jì)值。

根據(jù)挪威水資源和能源局(NVE)于2012年頒布的土石壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，類(lèi)似埃普特瓦騰壩不透水材料反濾層的D15最大值為0.7 mm，反濾層的D90最大值不得超過(guò)20 mm。

從大壩施工期間所提取的33個(gè)顆粒樣本粒徑分布圖(見(jiàn)圖2)來(lái)看，反濾層所用材料的大部分粒徑均大于20 mm，其中，石料的最大粒徑達(dá)250 mm。如此大的粒徑會(huì)引起較高的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榉礊V層中的材料在施工期間可能會(huì)發(fā)生分離，從而在大壩下游的過(guò)濾區(qū)形成粗糙且分散的夾層，致使原設(shè)計(jì)的反濾層特性受到破壞。

4滲漏與塌坑

埃普特瓦騰壩安裝了壩體滲漏監(jiān)測(cè)裝置，利用該裝置，通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)即可將滲漏數(shù)據(jù)傳送至阿格德?tīng)柟镜牟倏刂行摹?/p>

在2014年3月底之前，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，壩體滲漏的監(jiān)測(cè)值一直處于正常狀態(tài)。在正常情況下，雨期和融雪期滲漏量的最大值應(yīng)該為10～20 L/s；旱季，當(dāng)水庫(kù)蓄滿時(shí)，滲漏量則應(yīng)小于1 L/s。

2014年3月27日，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，大壩的滲漏量顯現(xiàn)急劇升高的態(tài)勢(shì)，且最大值達(dá)到了70 L/s。大約24 h后，滲漏量又降低為20 L/s。之后，直到5月5日在對(duì)大壩實(shí)施實(shí)地檢查時(shí)，一直保持著該滲漏量沒(méi)變。

隨著大壩滲漏量急劇增大之后，水庫(kù)的蓄水位也快速下降了6～7 m。

綜上所述，有理由相信，大壩滲漏量的增大是由于防滲體心墻出現(xiàn)了管涌。根據(jù)推斷，由于在施工期間反濾層所用的粗骨料發(fā)生了離析，因而導(dǎo)致防滲體心墻中的細(xì)粒料通過(guò)壩體內(nèi)相對(duì)擴(kuò)開(kāi)的通道被沖到了下游的反濾層中。

防滲體心墻部位出現(xiàn)的管涌最早可能是發(fā)生在大壩的下游側(cè)，隨著細(xì)骨料被沖走，防滲體心墻的水力梯度開(kāi)始出現(xiàn)增大，管涌通道則開(kāi)始向上游側(cè)擴(kuò)大，最終在心墻上形成了孔洞。隨著防滲體心墻中的細(xì)骨料被沖走，孔洞上方其他一些骨料落下來(lái)，這又進(jìn)一步造成更多的細(xì)骨料被沖走。同時(shí)，由于粗骨料粒徑過(guò)大，無(wú)法通過(guò)下游反濾層，因此只能沉積在孔洞的底部。隨著孔洞頂部的骨料不斷落下以及細(xì)骨料不斷流失，致使心墻內(nèi)的孔洞不斷地向上擴(kuò)展，最終形成了一個(gè)接近壩頂表面的“煙囪”，導(dǎo)使壩頂附近出現(xiàn)塌坑。

塌坑深3 m，體積大約為25 m3，這就表明防滲體心墻中大約有25 m3的細(xì)骨料被沖走。

5修復(fù)工作

根據(jù)確定的塌坑位置，在壩體上設(shè)置了一系列的灌漿孔，擬通過(guò)灌漿來(lái)替換流失的細(xì)骨料。灌漿漿液由水泥、水和添加劑混合而成。

在鉆孔和灌漿施工過(guò)程中，主要采用了以下施工設(shè)備。

(1) 一輛卡薩格蘭第(Casegrande)M6型履帶式鉆機(jī)，可鉆掘直徑為139.7 mm的鋼套管鉆孔；

(2) 一臺(tái)高壓空氣壓縮機(jī)，安裝在沃爾沃(Volvo)卡車(chē)上，氣體流量為25 m3/min；

(3) 一臺(tái)普茨邁斯特(Putzmeister)SP11-Beliso LMR型灌漿泵；

(4) 一輛4輪牽引機(jī)，用于水泥和其他建筑材料的內(nèi)部運(yùn)輸。

整個(gè)修復(fù)工程共布置了39個(gè)孔深為15～30 m的鉆孔，總進(jìn)尺為720.9 m。灌漿施工是采用自下而上分段實(shí)施的方式，從鉆孔底部開(kāi)始灌漿，每隔1.5 m即向上移動(dòng)一次鋼套管。

整個(gè)灌漿共使用水泥量59 690 kg。為了獲得泌水率最小的漿液，每100 kg水泥中摻加了0.7 kg的Dynamon Sx-n外加劑。

目前，水庫(kù)仍未蓄水至最高水位，因此灌漿的最終效果尚不得而知。

埃普特瓦騰壩的業(yè)主決定，在最近2 a內(nèi)，將對(duì)大壩的上下游壩坡用堆石體進(jìn)行護(hù)坡養(yǎng)護(hù)工程施工。同時(shí)，在此期間，將對(duì)大壩狀況進(jìn)行深入的檢查和全面的評(píng)估，以確定是否需要對(duì)大壩的心墻進(jìn)行維護(hù)處理。

(楊家凱趙秋云編譯)

收稿日期：2016-01-19

文章編號(hào)：1006-0081(2016)04-0028-03

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV641.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A