土壩死水位下運(yùn)行易發(fā)險情及對策探討

(河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山　467001)

1　引　言

2014年河南省大部分地區(qū)遭遇嚴(yán)重旱情，截至2014年8月8日11時統(tǒng)計(jì)，因干旱造成受災(zāi)人口1929.94萬，因旱需生活救助人口118.89萬，其中因旱飲水困難需救助人口114.15萬，造成直接經(jīng)濟(jì)損失72.89億元，其中農(nóng)業(yè)損失70.8億元。平頂山市旱情最為嚴(yán)重，出現(xiàn)了60年來最嚴(yán)重的旱情，主要秋作物大面積受旱，作物受旱面積已占耕地面積的40.4%，依照國家防汛抗旱總指揮部辦公室制定的干旱評估標(biāo)準(zhǔn)中所確定的農(nóng)業(yè)干旱等級劃分指標(biāo)，平頂山市已經(jīng)進(jìn)入中度干旱期，人畜飲水困難。

作為平頂山市的飲用水水源地的白龜山水庫，是一個年調(diào)節(jié)水庫。流域內(nèi)連續(xù)2年沒有有效降雨，2014年7月17日水庫水位降至死水位97.50m，供水形勢異常嚴(yán)峻。啟用死庫容應(yīng)急供水后，壩坡表面出現(xiàn)裂縫。

2　白龜山水庫概況及易發(fā)險情

2.1　水庫工程

白龜山水庫位于河南省平頂山市西南部，淮河支流的沙河干流上，控制流域面積2740km2。水庫于1958年12月開工興建，1966年8月竣工，水庫工程按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核，是一座以防汛為主，兼顧城市生活、工農(nóng)業(yè)供水為一體的大(2)型綜合利用樞紐工程。水庫總庫容9.22×108m3，興利庫容為2.36×108m3；興利水位103.00m，汛限水位101.00m，死水位97.50m。

水庫工程是一座土壩，主要建筑物有攔河壩、順河壩、泄洪閘和南北干渠渠首閘。其中，攔河主壩(干砌石護(hù)坡土壩)壩長1.57km，最大壩高23.40m；順河副壩(干砌石護(hù)坡土壩)壩長18.30km，最大壩高16.30m。

2.2　應(yīng)急供水

2013年入庫水量嚴(yán)重不足，來水1.74×108m3，為年均來水量的26%。年城市生活8273.7×104m3、工業(yè)供水6070.3×104m3、農(nóng)業(yè)灌溉供水4790.4×104m3，環(huán)境生態(tài)供水2962.6×104m3，汛末庫水位100.31m，低于興利水位2.69m，比汛限水位低0.69m，較多年同期平均水位低1.60m，蓄水量1.54×108m3。2014年上半年更是干旱嚴(yán)重，前6個月入庫水量僅2390×104m3，而工業(yè)用水3066.6×104m3、生活用水4329.9×104m3，嚴(yán)重入不敷出。5月月底，水庫水位接近死水位97.50m。平頂山市防汛抗旱指揮部啟動應(yīng)急供水預(yù)案，并緊急從上游昭平臺水庫調(diào)水2000×104m3。

動用死庫容應(yīng)急供水方案委托河南省水利勘測設(shè)計(jì)有限公司編制，通過了河南省水利廳組織的專家評審。應(yīng)急供水第1次動用庫容686×104m3，供水水位97.50m～97.20m；應(yīng)急供水第2次動用庫容641×104m3，供水水位97.20m～96.90m。

2.3　干縮裂縫

動用死庫容應(yīng)急供水后，庫水位低于干砌石護(hù)坡高程97.50m，壩前鋪蓋層逐漸裸露出來，出現(xiàn)裂縫，并呈現(xiàn)出距離水面越遠(yuǎn)裂縫越大的現(xiàn)象，如圖1所示，左圖為近水面處裂縫，中圖為遠(yuǎn)水面處裂縫。順河壩迎水坡100.00m高程以下黏土鋪蓋層出現(xiàn)貫通性裂縫，寬度50mm左右，對6+000、6+130、6+230、6+250、6+300等5處裂縫進(jìn)行開挖探查，裂縫深度1.2～1.5m。

圖1　鋪蓋裂縫(左圖為近水面裂縫，中圖為遠(yuǎn)水面裂縫，右圖為裂縫灌漿)

2.4　易發(fā)險情

大壩迎水坡護(hù)坡工程位于死水位以上，死水位以下通常是處于被水淹沒狀態(tài)，這也是通常水庫死水位以下沒有工程措施的原因。但當(dāng)水庫水位低于死水位以后，土壩迎水坡就不具有防風(fēng)浪淘蝕的能力；由于裂縫的存在導(dǎo)致壩體滲透路徑變短，直接導(dǎo)致壩體有效斷面減小。若遇到強(qiáng)降雨，表面裂縫會加劇雨淋溝的形成和發(fā)展，形成危及大壩安全的隱患。

正常情況下壩體可看作穩(wěn)定滲流，但在水庫水位驟降或驟升時，就會產(chǎn)生不穩(wěn)定滲流。不穩(wěn)定滲流問題引起的事故約占土石壩滑坡事故的25%[1]。柳群義等人[2]根據(jù)H.darcy Law,考慮非飽和土的滲透性是基質(zhì)吸力的函數(shù)，經(jīng)過模擬研究，說明水位升降在相同入滲條件下飽和滲透系數(shù)對初始地下水位有影響，并且?guī)焖簧邓俾手苯雨P(guān)聯(lián)著地下水位變化的滯后性程度。若水庫突遇暴雨，過快速率的水位抬升，突然加載使壩體各部位的變形來不及調(diào)整，產(chǎn)生的高應(yīng)力或出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的位移是土壩發(fā)生險情的重大隱患。

鄭穎人等人[3]根據(jù)Boussinesq非穩(wěn)定滲流微分方程推導(dǎo)出水庫水位在下降時計(jì)算壩體內(nèi)浸潤線的簡化公式，并以此確壩內(nèi)滲透壓力，用瑞典條分法計(jì)算岸坡安全系數(shù)，通過模擬計(jì)算說明水庫水位在下降過程中處在壩體總高度下部1/3～1/4水位區(qū)間時，對壩體穩(wěn)定是最不利的。白龜山水庫土壩總壩高16.3m，動用死庫容供水水位下降區(qū)間就接近壩體總高度的下1/4處，從水庫壩體穩(wěn)定角度來說，低水位運(yùn)行對壩體穩(wěn)定是不利的。

3　黏土裂縫原因

3.1　裂縫內(nèi)外因

含水率的減少是導(dǎo)致土體體積收縮的直接原因。黏性土的干縮裂縫是非飽和狀態(tài)下土體的力學(xué)特性，土體自身礦物的組成和含水率(或飽和度)直接關(guān)系著干縮裂縫的形態(tài)，是土體干縮裂縫的內(nèi)因，它與土體的黏粒含量、顆粒組成有關(guān)。而外部溫度、環(huán)境濕度及空氣流動性等氣候條件是干縮裂縫的外因。

在土壩浸潤面以上，土體處于非飽和狀態(tài)，土體的飽和度一定程度上決定了基質(zhì)吸力，也決定孔隙水壓力(毛細(xì)水壓力)的大小?；|(zhì)吸力的變化直接控制著土體出現(xiàn)裂縫時的臨界張應(yīng)力大小和初始階段裂縫的發(fā)展規(guī)律[4]。當(dāng)土體的含水率低于某一值后，土體孔隙中產(chǎn)生負(fù)毛細(xì)水壓力，在毛細(xì)水彎液面的表面張力作用下，土顆粒相互靠攏，在宏觀上表現(xiàn)為土體失水收縮，隨著含水率的降低，當(dāng)張應(yīng)力大于土體顆粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度時，土體表面就會出現(xiàn)裂縫。

土體黏粒及含水量越高，含水土體在溫度和風(fēng)力的作用下，土體表面與內(nèi)部失水速度的差異越大，表層土體受到其相鄰深層土體的約束產(chǎn)生拉應(yīng)力形成的裂縫越大。孫曉旭等人[5]通過試驗(yàn)?zāi)M了蒸發(fā)過程，通過數(shù)據(jù)對比得出空氣相對濕度與蒸發(fā)速率的關(guān)系?？諝鉂穸仁怯绊懰舭l(fā)的一個重要因素，而逸出土體的水分是導(dǎo)致土體干縮裂縫的直接原因。

3.2　干縮試驗(yàn)

干縮裂縫的三維形態(tài)是不規(guī)則的，準(zhǔn)確定量描述比較困難，其長度、寬度、深度、間距和走向等也是沒有規(guī)律的。裂縫長度、寬度發(fā)展的同時，裂縫深度也在發(fā)展，存在著一定的相關(guān)性。這些指標(biāo)的實(shí)際測量比較困難，采用一個相對直觀綜合的裂縫率指標(biāo)面積裂縫率，即定義裂縫率為裂縫的面積與土體面積的比值。

黏土的成分各不相同，導(dǎo)致其性狀也各不相同。選取該工程所用土體土樣進(jìn)行失水收縮試驗(yàn)。稱量一定的土樣，使含水量大于液限，在失水過程中，稱量不同裂縫狀態(tài)的土樣重量。計(jì)算土體的失水率，即水減少的質(zhì)量與初始土體質(zhì)量的比值。通過拍照，利用CAD軟件測出裂縫面積，得到裂縫面積與失水率的變化情況，如圖2所示。

圖2　裂縫率與失水率的變化規(guī)律

3.3　臨界失水率

通過模擬土樣的失水收縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)失水率與裂縫率的變化規(guī)律，如圖2所示。圖形線A點(diǎn)之前，土體失水是不引起開裂的；在AB段，隨著土體蒸發(fā)失水，裂縫的開裂面積逐漸增大；BC段隨著土體的蒸發(fā)失水，裂縫的開裂面積增大的幅度逐漸變小。A點(diǎn)的失水率約為0.25%，即為該土樣不開裂的臨界失水率。此點(diǎn)對實(shí)際工程實(shí)踐中具有運(yùn)用價值和指導(dǎo)作用。

4　搶護(hù)方案

作為已建成的土壩來說，影響土體干縮裂縫的因素中其內(nèi)因是無法改變的。而外部局部溫度、環(huán)境濕度及空氣流動性等氣候外因可直接影響土體裂縫發(fā)展程度，可以通過土壩的壩體表面局部溫度、濕度及空氣流動性等的調(diào)整來左右干縮裂縫發(fā)展。

4.1　墑土層確定

處于濕潤狀態(tài)的墑土對延緩水分蒸發(fā)和干縮裂縫的發(fā)展起到重要作用。壩體內(nèi)浸潤面是自由水面，浸潤面以下的土體處于飽和狀態(tài)，以上的土體由于毛細(xì)水作用而處于濕潤狀態(tài)。毛細(xì)水是受水與空氣交界面處表面張力作用的自由水，毛細(xì)水高度主要取決于土粒比表面積、孔隙大小。

對于水庫土壩來說，由孫曉旭等人[5]模擬試驗(yàn)可知，水位的升降直接導(dǎo)致壩體浸潤面的升降，壩體內(nèi)部的毛細(xì)水層隨之相應(yīng)的調(diào)整，初始蒸發(fā)的是土體中的重力水，補(bǔ)充這部分逸出的重力水或降低蒸發(fā)的速率，減少庫水位上升時壩體應(yīng)力重新調(diào)整時間是解決問題的關(guān)鍵。作為傳遞介質(zhì)必須具有良好的給水度，中粗砂(粒徑d為0.25～2mm)的給水度為0.2～0.3[6]是比較理想的。墑土層厚度應(yīng)由傳遞墑介質(zhì)的給水度能夠補(bǔ)充開裂土體的失水量來決定，同時提供壩體的土體表面局部溫度、濕度等微氣候環(huán)境條件。

4.2　搶護(hù)方案

白龜山水庫是一個半平原半丘陵型水庫，土壩壩體長，裂縫多且分布面積廣是其顯著特點(diǎn)，由此決定了搶護(hù)任務(wù)十分艱巨。

水庫生活供水、蒸發(fā)及滲漏綜合平均每天約40×104m3，水位每天降低約20mm，供水水位下降時基本上是連續(xù)的，不存在驟降情況，庫水位驟降可能引發(fā)的土壩險情基本上不存在。關(guān)鍵是應(yīng)對突遇暴雨，水位上升速度過快，突然加載使壩體各部位的變形來不及調(diào)整，產(chǎn)生高應(yīng)力或出現(xiàn)不協(xié)調(diào)位移下的易發(fā)險情。搶護(hù)方案的制定必須滿足該條件才是可行的。

水位的上升速度不宜過快，對于流域集水面積1310km2的突降暴雨來說，人為能力是無法控制荷載加載強(qiáng)度的。必須從影響裂縫形成的氣溫、風(fēng)力和濕度等因素去考慮，能夠采取的也只有調(diào)整濕度方面的措施：?增加土體表面局部濕度，減少土體水分蒸發(fā)的損失速率；?設(shè)置墑土層，調(diào)節(jié)土體含水率。使壩體各部位的變形調(diào)整與水位的上升相適應(yīng)，避免產(chǎn)生高應(yīng)力或出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的位移。

4.3　搶護(hù)實(shí)施

采用巡查和工防相結(jié)合的搶護(hù)方案。巡查定人定點(diǎn)定時記錄壩體裂縫變形情況，及時反饋相關(guān)信息，適時調(diào)整方案。針對已出現(xiàn)的各種裂縫，采取相應(yīng)的處理措施，局部微氣候的調(diào)整是土體重新到達(dá)新的臨界平衡點(diǎn)。

a.中粗砂墑土層法。對于剛裸露出黏土鋪蓋層，用中粗砂噴水保墑，覆蓋厚度100mm，向土體傳遞補(bǔ)充蒸發(fā)的水分。

b.灌漿封堵法。對于寬度和深度大的裂縫，用塑性指數(shù)小于10的低塑性黏土并在其中加入適量的中細(xì)砂等材料，以減小裂縫灌漿的收縮量。

c.土工布覆蓋法。對于寬度大的裂縫，灌漿后表面采用土工布覆蓋噴水，增加局部濕度，以減小灌漿裂縫表面的再開裂。

5　結(jié)　語

水庫水位從2014年7月17日低于死水位97.50m啟動應(yīng)急供水，通過南水北調(diào)干渠、上游水庫調(diào)水以及降雨，到2014年9月15日庫水位回升至97.58 m，歷時60d，在此期間，按照動用死庫容運(yùn)行應(yīng)急方案及搶護(hù)措施，土壩工程安全度過了嚴(yán)峻時期。

經(jīng)過4年的運(yùn)行，土壩壩體的各項(xiàng)指標(biāo)未出現(xiàn)異常的變化。對于死水位以下沒有工程措施的土壩工程應(yīng)急供水運(yùn)行，為應(yīng)對裂縫易發(fā)險情做了嘗試性探索，實(shí)踐證明通過調(diào)整土壩的壩體表面局部溫度、濕度及空氣流動性等措施左右干縮裂縫發(fā)展，采取的應(yīng)對方案是可行的。

[1]張楚漢，王光綸，金峰.水工建筑學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

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[3]鄭穎人，時衛(wèi)民，孔位學(xué).庫水位下降時滲透力及地下水浸潤線的計(jì)算[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，23(18):3204-3210.

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[6]戚筱俊.工程地質(zhì)及水文地質(zhì)[M].北京：水利電力出版社，1985.