某水庫(kù)排水棱體工作性態(tài)及淤堵原因分析

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

土工織物是一種應(yīng)用較為廣泛的巖土工程材料，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量輕、造價(jià)低、便于運(yùn)輸和施工等優(yōu)點(diǎn)，土工織物的價(jià)格比砂石反濾料要低廉得多，且可以縮短工期、降低費(fèi)用，因此發(fā)展?jié)摿Υ骩1]。經(jīng)常替代砂石反濾料，作為反濾排水材料應(yīng)用于大壩排水棱體中[2-4]。然而，無(wú)紡布在使用后可能發(fā)生不同程度的淤堵，進(jìn)而導(dǎo)致壩體滲水無(wú)法排出，對(duì)壩體安全造成危害。

某水庫(kù)2004年除險(xiǎn)加固翻修排水棱體過(guò)程中，在壩腳土體與砂礫石層間增設(shè)了一道土工布。此次勘查時(shí)(庫(kù)水位 68.53 m)，發(fā)現(xiàn)大壩下游坡出現(xiàn)大面積濕潤(rùn)區(qū)及多股滲水，靠近右側(cè)的混凝土排水溝底部亦出現(xiàn)多處滲水點(diǎn)，為對(duì)壩坡的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，需對(duì)排水棱體工作性態(tài)及淤堵原因進(jìn)行分析。

1 工程概況

某水庫(kù)控制流域面積 55.2 km2，按50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1 000 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，總庫(kù)容為 5 079萬(wàn)m3。正常蓄水位 74.00 m，死水位51.20 m，灌溉面積 4萬(wàn)hm2，電站裝機(jī)500 kW，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的中型水庫(kù)。

大壩為心墻壩，壩頂高程79.46 m，壩頂長(zhǎng)446.0 m，寬 6.0 m，最大壩高 36.0 m。大壩上游為混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，在高程 67.24 m設(shè)有寬 2.0 m的馬道，坡度自上而下分別為1 ∶3.23、1 ∶4.14，高程 67.24～55.00 m之間為干砌塊石護(hù)坡，高程 55.00 m以下為拋石固腳；下游為草皮護(hù)坡，在高程 64.00 m處設(shè)一級(jí)馬道，坡度自上而下分別為1∶2.52、1∶2.67。坡面設(shè)排水系統(tǒng)，排水棱體頂高程49.00m。大壩典型橫斷面見(jiàn)圖1，排水棱體大樣見(jiàn)圖2。

2 滲流計(jì)算模型

圖1 大壩典型橫斷面

圖2 排水棱體大樣

D.G.Frelund等[5]的研究表明，與飽和土體中滲流一樣，非飽和土中滲流也符合達(dá)西定律和連續(xù)性方程。只是在非飽和土中滲透系數(shù)不再是常數(shù)，而是隨基質(zhì)吸力變化的函數(shù)，且土中體積含水率隨時(shí)間變化而改變。將達(dá)西定律導(dǎo)入滲流連續(xù)性方程，可得到非飽和土的滲流控制方程為

(1)

式中，kx、ky分別為x和y方向的滲透系數(shù)，cm/s；γw為水的重度，N/m3；θw為體積含水率；t為時(shí)間，s；μw為孔隙水壓力，N/m3。

3 滲流計(jì)算及排水棱體工作性態(tài)分析

3.1 滲流計(jì)算分析

大壩的滲透分區(qū)及滲透系數(shù)取值根據(jù)除險(xiǎn)加固階段地質(zhì)勘察報(bào)告、土工試驗(yàn)成果及除險(xiǎn)加固質(zhì)量評(píng)價(jià)報(bào)告確定。壩體分為一個(gè)滲透區(qū)，壩基分為兩個(gè)滲透區(qū)。大壩滲流計(jì)算采用GeoStudio軟件進(jìn)行有限元分析，分別對(duì)排水棱體有效和排水棱體完全淤堵失效兩種情況進(jìn)行了計(jì)算。大壩各分區(qū)的滲透系數(shù)取值見(jiàn)表1，計(jì)算成果見(jiàn)圖3，4。

表1 大壩各分區(qū)的滲透系數(shù)取值

注：滲透系數(shù)中括號(hào)內(nèi)為淤堵失效時(shí)取值。

圖3 排水棱體有效狀態(tài)滲流計(jì)算

圖4 排水棱體完全失效狀態(tài)滲流計(jì)算

3.2 排水棱體工作性態(tài)分析

由滲流計(jì)算分析成果可知：①當(dāng)排水棱體有效時(shí)，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線較低，壩體滲水在排水棱體內(nèi)出逸；②當(dāng)排水棱體完全淤堵失效時(shí)，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線較高，壩體滲水在排水棱體以上出逸，出逸點(diǎn)高程53.12 m(對(duì)應(yīng)上游水位 68.53 m)；③目前排水棱體的工作狀態(tài)。通過(guò)滲流計(jì)算，出逸點(diǎn)高程與勘察時(shí)下游壩體干濕分界線高程較接近，符合實(shí)際工作狀況，說(shuō)明排水棱體已淤堵失效。此外，水庫(kù)管理單位于2013年在排水棱體頂部采用土鉆對(duì)土工布進(jìn)行穿孔。施工結(jié)束初期，下游壩腳水位局部降低，但運(yùn)行數(shù)年后，鉆孔被土體淤塞，壩腳水位再次抬高。以上處理結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了排水棱體失效的結(jié)論。

經(jīng)壩體穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，當(dāng)反濾排水棱體淤堵時(shí)，瑞典圓弧法最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)工況(74.00 m)和校核工況(76.43 m)下采用畢肖普法計(jì)算出最小安全系數(shù)分別為1.283、1.268，均小于允許值1.30，不滿足規(guī)范要求。因此，排水棱體失效導(dǎo)致壩體滲水無(wú)法正常排出，壩體浸潤(rùn)線升高，嚴(yán)重影響壩體滲透穩(wěn)定及壩坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 淤堵原因分析

用土工織物作濾層時(shí)，水從被保護(hù)土中流過(guò)織物，在流動(dòng)過(guò)程中可能使土顆粒封閉織物表面孔口或堵塞在織物內(nèi)部，出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，使?jié)B透流量減小。淤堵嚴(yán)重時(shí)會(huì)使濾層失去排水過(guò)濾作用，給工程造成危害[6]。翟超[7-8]等通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)分析了黏性土中土工布淤堵的機(jī)理，并將其影響因素總結(jié)為土體密實(shí)度、黏粒含量、水力梯度、土工織物等效孔徑4個(gè)因素。綜合分析，某水庫(kù)排水棱體淤堵主要原因如下。

(1) 壩體填土成分。根據(jù)地勘報(bào)告，壩體土為黃色及紅褐色粉質(zhì)黏土及粉土，土體中粗粒含量較少，細(xì)顆粒含量較多。在同等水頭作用下，粉質(zhì)黏土的水力梯度大于粉土，因此，粉質(zhì)黏土中的滲透力也相應(yīng)大于粉土。細(xì)顆粒在滲透力作用下更容易進(jìn)入土工布的孔隙中，最終導(dǎo)致土工布堵塞甚至淤堵失效。

(2)砂墊層顆粒級(jí)配。由于土工布與砂墊層直接接觸，滲徑較短，若未按連續(xù)級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滲透力作用下細(xì)砂極易進(jìn)入土工布的孔隙中，進(jìn)而加劇土工布的淤堵程度。

5 建 議

鑒于水庫(kù)出現(xiàn)的以上滲流隱患，為排除隱患，確保大壩安全運(yùn)行，建議管理單位盡快進(jìn)行以下處理措施。

(1) 對(duì)排水棱體進(jìn)行翻修。對(duì)排水棱體進(jìn)行開(kāi)挖后，將土工布進(jìn)行清理。鑒于壩體填土細(xì)粒土含量較多，建議按規(guī)范要求鋪設(shè)砂卵石層以替換原有土工布進(jìn)行反濾保護(hù)，最后按原設(shè)計(jì)棱體頂高程、內(nèi)外坡比進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)原。

(2)加強(qiáng)巡視檢查及滲流觀測(cè)。翻修排水棱體后，加密巡視檢查及測(cè)壓管水位的觀測(cè)頻次，并評(píng)價(jià)排水棱體的工作性態(tài)，確保壩體滲水在排水棱體內(nèi)出逸。

根據(jù)以上分析，建議大壩設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)注意以下問(wèn)題。

(1)按土體特性合理選擇土工布。對(duì)于細(xì)顆粒含量較多的土體，應(yīng)對(duì)土體進(jìn)行顆粒分析。土體中細(xì)顆粒含量越多，相對(duì)而言，在滲透力作用下進(jìn)入土工布空隙并堵塞土工布表面及內(nèi)部的可能性越高，發(fā)生淤堵的概率也越高。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按土體滲透性和顆粒分析合理確定土工布的物理指標(biāo)和力學(xué)性能指標(biāo)。

(2)適當(dāng)增大砂墊層的厚度及粒徑大小。唐正濤[9-10]等通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況土工布淤堵試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增大砂層厚度將延長(zhǎng)土顆粒向土工布移動(dòng)的滲徑，在級(jí)配連續(xù)的條件下，隨著砂的細(xì)度模數(shù)的增大，從中砂過(guò)渡到粗砂，土工布中單位體積含土量也在減少。因此，在設(shè)計(jì)中宜適當(dāng)增大砂墊層的厚度及粒徑大小，建議采用細(xì)度模數(shù) 3.1～3.7的連續(xù)級(jí)配粗砂作為墊層用砂，砂墊層厚度增大到15 cm，以減小淤堵的可能性。