寒區(qū)廢水池護(hù)坡病害機(jī)理分析

吳多賢，尚靜石，蔡 紅，李維朝，于 沭

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

工業(yè)生產(chǎn)過程中常會(huì)產(chǎn)生一些廢水，為避免直接排放污染環(huán)境，常建設(shè)防滲性能良好的廢水池進(jìn)行貯放。在功能上，廢水池可用作沉淀池、濾池、暴氣池、污泥濃縮池、消化池、蒸發(fā)池及其他貯水構(gòu)筑物[1-3]。廢水池的防滲結(jié)構(gòu)一般由里及外有支持層、防滲層和保護(hù)層三大部分構(gòu)成[4-5]，其中保護(hù)層主要為護(hù)坡等，目的是防止防滲層被自然或人為等外界因素?fù)p傷，從而影響其防滲功能。但在寒區(qū)，因?yàn)閮鋈?、冰推、冰拔和冰凌等不利作用[6]，這些保護(hù)層往往易損。孫江岷等[7]對(duì)黑龍江省11座水庫(kù)土石壩護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了調(diào)研，護(hù)坡破壞的占調(diào)研總數(shù)的54.5%，寒區(qū)護(hù)坡運(yùn)行過程中，易產(chǎn)生凍害的主要為干砌石護(hù)坡、水泥砂漿灌縫的干砌塊石護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡，且破壞主要從位于冰蓋層以上2.0 m至最低水位之間。

本文主要是通過對(duì)某廢水池護(hù)坡屢修屢壞的調(diào)研與計(jì)算分析，對(duì)其損壞情況進(jìn)行介紹，并對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行分析，從而有助于認(rèn)識(shí)適用的寒區(qū)護(hù)坡結(jié)構(gòu)，對(duì)該廢水池護(hù)坡的修復(fù)及后續(xù)類似地區(qū)廢水池等護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式的確定等均具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 廢水池概況

某廢水池位于占地約12 hm2，主要作為事故水池使用，底部鋪設(shè)兩層防滲膜(圖1)。壩體采用山皮石堆砌而成，頂部標(biāo)高為1300.0 m，底部標(biāo)高為1295.9 m，內(nèi)外坡比均為1∶1.5。內(nèi)坡鋪設(shè)防滲膜，防滲膜上面鋪有砂墊層，砂墊層上為漿砌片石護(hù)坡，護(hù)坡表層抹有厚約1 cm的混凝土面層(圖2)。

圖1 廢水池平面衛(wèi)星圖(2012年5月19日)

圖2 護(hù)坡階段初始狀態(tài)示意圖

廢水池所在地最低溫度為-38.5 ℃，最高為36.1 ℃，年蒸發(fā)量為1716.1 mm，最大積雪深度23 cm，積雪壓力0.35 kN/m2。最大風(fēng)速為28.0 m/s，歷年平均風(fēng)速為2.5 m/s，月平均最大風(fēng)速為4.9 m/s，風(fēng)壓為0.6 kN/m2。

1.2 護(hù)坡病害情況

2011年5月，工作人員在日常巡檢中發(fā)現(xiàn)，廢水池水位在2.03 m，護(hù)坡局部出現(xiàn)裂縫和坍塌，隨后于5月26日開始整體修復(fù)，6月13日修復(fù)完畢。

2011年5月28日的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，廢水池內(nèi)存水位已達(dá)到3.5m，壩體護(hù)坡出現(xiàn)裂縫，局部產(chǎn)生坍塌。坍塌部位有土工膜裸露，且部分外露土工膜的焊口開裂(圖3)。

圖3 2011年5月28日調(diào)研照片

2011年10月26日的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，壩坡護(hù)坡已修復(fù)完畢，坡面上可見清晰的修復(fù)痕跡，少量部位依然存在小孔洞(圖4)。

圖4 2011年10月26日調(diào)研照片

2012年4月20日調(diào)研發(fā)現(xiàn)，護(hù)坡出現(xiàn)了大面積的損害，混凝土面層斷裂，部分位置有大面積塊石砌層錯(cuò)位(圖5)。

圖5 2012年4月20日調(diào)研照片

通過以上調(diào)研的時(shí)間節(jié)點(diǎn)可以看出，兩次發(fā)現(xiàn)病害的時(shí)間均為春季，分別為2011年5月和2012年4月20日。

2 護(hù)坡穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

護(hù)坡的坡比為1∶1.5，厚度暫定為一般設(shè)計(jì)中砌石的厚度，在這次取0.35 m，砌石和砂漿層的容重均參考相對(duì)資料設(shè)定為23 kN/m3，護(hù)坡從破壞水位至壩坡頂部的長(zhǎng)度為1.5 m，護(hù)坡的界面摩擦系數(shù)依據(jù)下伏砂墊層的摩擦性定為0.5。

考慮冰推破壞時(shí)，必須要利用靜冰壓力。靜冰壓力一般參考冰層厚度，然后利用《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 211—2006)來確定標(biāo)準(zhǔn)值。但因?yàn)槿狈Ξ?dāng)?shù)氐谋鶎雍穸?，?biāo)準(zhǔn)值無法確定，因此選定0.4 m和0.8 m兩個(gè)冰厚值來分別選取相應(yīng)的靜冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值，并進(jìn)行計(jì)算。

2.2 冰推穩(wěn)定性

冰推破壞又叫冰蓋擠壓破壞，是指水溫降到0 ℃時(shí)，庫(kù)水結(jié)冰，體積膨脹，形成的冰蓋會(huì)對(duì)壩坡產(chǎn)生冰推作用。冰蓋也有熱脹冷縮性質(zhì)，在連續(xù)升溫天氣，冰體膨脹，擠壓壩坡，產(chǎn)生很大的破壞應(yīng)力，從而使護(hù)坡平移、隆起、破碎等[8]。

參考王永平等[9]計(jì)算方法，塊石護(hù)坡的冰推穩(wěn)定性F為式(1)：

(1)

式中：f為界面摩擦系數(shù)；GH為重力G沿坡面的分量，N；GV為重力G垂直坡面的分量，N；PH為冰推力P沿坡面的分量，N；PV為冰推力P垂直坡面的分量，N。

基于上述計(jì)算參數(shù)和水平滑面的冰推力穩(wěn)定分析方法，根據(jù)式(1)分別計(jì)算出冰蓋厚0.4 m和0.8 m時(shí)的護(hù)坡安全系數(shù)分別為0.5和0.4。需指出的是，該計(jì)算方法計(jì)算的是冰蓋層以上護(hù)坡的穩(wěn)定性，并且假設(shè)冰蓋層以上護(hù)坡的抗拉強(qiáng)度為0，抗冰推力主要來自重力和摩擦力，這導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果會(huì)略偏保守。

可以看出，基于經(jīng)驗(yàn)和類比選取的計(jì)算參數(shù)，計(jì)算出冰推條件下護(hù)坡會(huì)產(chǎn)生破壞。受多方面因素的影響，可能砂漿層與砌石之間的摩擦系數(shù)為整個(gè)斷面上的最小值，所以冰推僅導(dǎo)致砌石表面砂漿層的隆起，而沒有發(fā)現(xiàn)砌石的隆起。

2.3 抗滑穩(wěn)定性

護(hù)坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)FS的計(jì)算式(2)為：

(2)

基于上述計(jì)算參數(shù)和式(2)所示的抗滑穩(wěn)定分析方法，計(jì)算出的下滑安全系數(shù)為0.8。需指出的是，本計(jì)算方法計(jì)算的僅是水位以上護(hù)坡的下滑穩(wěn)定性，而且沒有考慮護(hù)坡完整條件下，各部位護(hù)坡之間的支撐力。所以本計(jì)算方法僅考慮的是水位變幅區(qū)處砌石脫離后，其上方砌石護(hù)坡的穩(wěn)定性。

通過此計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)水位變幅區(qū)砌石因冰拔或浪淘而脫離后，其上方砌石護(hù)坡處于懸空狀態(tài)，并且安全系數(shù)小于1，從而導(dǎo)致上方砌石護(hù)坡產(chǎn)生滑塌。

3 護(hù)坡病害機(jī)理分析

針對(duì)工程現(xiàn)狀，本病害機(jī)理分析主要是從病害出現(xiàn)時(shí)間、類型、相應(yīng)時(shí)間的溫度變化及其他工程護(hù)坡的破壞現(xiàn)象來進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 病害發(fā)生事件分析

圖6為2011年冬季前后同一部位護(hù)坡狀態(tài)的對(duì)比，圖6(a)攝于2011年10月底，圖6(b)攝于2012年4月底，結(jié)合前面廢水池病害發(fā)展的概述及此兩次調(diào)研的現(xiàn)象可以看出：2011年10月份的最低溫度已達(dá)到-12 ℃，但最高溫度為21 ℃，此時(shí)廢水池內(nèi)水未曾結(jié)冰，護(hù)坡修復(fù)痕跡清楚可見，但未發(fā)現(xiàn)顯著的護(hù)坡破損現(xiàn)象；2012年4月份的最低溫度為-4 ℃，但最高溫度為24 ℃，此時(shí)廢水池內(nèi)冰已全部融化，未見冰塊，但護(hù)坡已發(fā)生大面積的破損情況。

兩次調(diào)研時(shí)的最高最低溫度相差不多，但護(hù)坡的狀態(tài)發(fā)生了顯著的變化，這是因?yàn)閮纱握{(diào)研之間夾雜著整個(gè)冬季，溫度呈明顯的“V”字型發(fā)展，期間最低溫度為-35°(圖7所示)。由此推測(cè)該廢水池護(hù)坡病害的主因是冰凍。在溫度較低的條件下，庫(kù)水結(jié)冰，從而對(duì)護(hù)坡產(chǎn)生破壞。

圖7 廢水池所在地2011-10—2012-04溫度走勢(shì)圖

3.2 病害現(xiàn)象

通過對(duì)不同時(shí)間調(diào)研結(jié)果的對(duì)比及對(duì)護(hù)坡破損現(xiàn)象的整理分析，可以發(fā)現(xiàn)以下幾種破壞現(xiàn)象：

(1)破損位置發(fā)生變化，由近水位區(qū)擴(kuò)展至整個(gè)坡面。從圖6(a)中的砂漿層修復(fù)痕跡可以看出，修復(fù)的主要為水位變幅影響區(qū)，這表明在修復(fù)前的破壞位置主要集中于水位變幅區(qū)。而圖6(b)整個(gè)坡面均損害，而不再僅僅局限于水位變幅區(qū)。

(2)護(hù)坡砌石滑塌破壞。多處發(fā)生大面積的護(hù)坡砌石滑塌現(xiàn)(如圖8所示)，滑塌區(qū)頂部具有明顯的寬10多厘米的裂縫，區(qū)內(nèi)砌石有明顯的順坡向下滑移，且呈散亂堆積現(xiàn)象，砂漿層碎裂(見圖9)?；鷧^(qū)未影響壩體頂部，頂部滑塌拉裂縫距離壩體頂部約有30 cm(見圖9)。

圖8 護(hù)坡滑塌位置圖(2012年4月)

圖9 砌石護(hù)坡滑塌破壞(2012年4月)

(3)北側(cè)及東北角砂漿層隆起。在距離壩體頂部約30 cm處的砂漿層產(chǎn)生隆起，且隆起部位主要集中于廢水池的北側(cè)及東北角(如圖10所示)?，F(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，隆起的砂漿層與下伏的砌石脫離，且手折可斷。

圖10 護(hù)坡砂漿層隆起破壞(2012年4月)

(4)水位變幅區(qū)砂漿層脫落。在水位變幅區(qū)發(fā)現(xiàn)砂漿層脫落，砌石裸露(圖11)。裸露的砌石似未見水泥摸縫，因當(dāng)時(shí)安全措施不具備，未能下至砂漿層脫落處仔細(xì)觀察砌石的狀態(tài)。

圖11 水位變幅區(qū)砂漿層脫落(2012年4月)

3.3 病害機(jī)理分析

結(jié)合前人對(duì)凍脹及冰壓力下護(hù)坡的破壞機(jī)理及本廢水池中發(fā)現(xiàn)的護(hù)坡病害現(xiàn)象，分析認(rèn)為不同病害現(xiàn)象代表了相應(yīng)的破壞機(jī)理及發(fā)展階段，經(jīng)整合可得本廢水池病害的機(jī)理及發(fā)展流程。

圖12 砂漿層破壞示意圖

(1)水位變幅區(qū)砂漿層脫落，變幅區(qū)上方面板隆起。

在水庫(kù)結(jié)冰后，受冰拔作用(即冰蓋的彎距作用)，水位變幅區(qū)的砂漿層因厚度較小、抗彎強(qiáng)度低而被折斷，從而導(dǎo)致脫落(如圖11和圖12所示)；受冰推作用，變幅區(qū)上方護(hù)坡表面的砂漿層因與砌石之間粘和程度低、摩擦系數(shù)小而產(chǎn)生沿護(hù)坡面的向上剪切位移，從而導(dǎo)致隆起(如圖10和圖12所示)。

(2)變幅區(qū)砌石和砂墊層因冰拔或浪淘作用而被淘空或移位。

該現(xiàn)象并未在本廢水池的病害中發(fā)現(xiàn)，但依據(jù)變幅區(qū)的砂漿層脫落和砌石的滑塌現(xiàn)象，以及相近工程的借鑒，可以推測(cè)在病害的發(fā)展過程中存在此階段。因?yàn)槿绻兎鶇^(qū)的砌石沒被淘空或移位，其上方的砌石不會(huì)存在較大的向下變形的空間，所以也就不會(huì)產(chǎn)生滑塌變形。

水位變幅區(qū)的面板脫落后，干砌石和沙失去了保護(hù)層。冰拔作用易使該部位的干砌石脫落或移位，而浪淘作用易使墊層中的沙流失，從而將變幅區(qū)的砌石淘出或移位(圖13)。但究竟該部位干砌石是因何種原因而離位或移位，因沒有直接的觀測(cè)資料，難以明確。但不外乎此兩種作用。

圖13 變幅區(qū)砌石掏空示意圖

(3)摩阻力降低，水位變幅區(qū)上方的干砌石產(chǎn)生滑塌。

水位變幅區(qū)的干砌石脫落或移位后，其上方的砌石失去了下部的支撐，阻滑力降低，墊層沙的流失可能會(huì)進(jìn)一步加劇阻滑力的降低，當(dāng)阻滑力不足以抵抗上方砌石的滑動(dòng)力時(shí)，上方砌石沿坡面產(chǎn)生向下的滑動(dòng)(見圖9和圖14)。

圖14 砌石滑塌破壞示意圖

3.4 病害對(duì)防滲的影響

依據(jù)該廢水池壩坡的防滲結(jié)構(gòu)，防滲主要是依靠砂墊層下方的土工膜，砂墊層、砌石和砂漿層則主要起保護(hù)作用。

依據(jù)圖12～圖14所示的病害發(fā)展演化過程與機(jī)理，可以看出病害主要發(fā)生在保護(hù)層，在病害發(fā)展階段中，只有砌石的滑塌破壞階段有可能會(huì)對(duì)土工膜產(chǎn)生影響。如果砌石產(chǎn)生滑塌時(shí)，砌石與土工膜之間依據(jù)存在足夠的砂墊層，那么該滑塌不會(huì)對(duì)土工膜產(chǎn)生影響；如果部分砂墊層已流失，那么砌石會(huì)有可能直接與土工膜產(chǎn)生接觸并相對(duì)滑動(dòng)，這時(shí)砌石鋒利的邊緣會(huì)有可能割壞或刺穿土工膜。

4 結(jié) 論

本文在對(duì)一寒區(qū)廢水池護(hù)坡病害情況多年追蹤的基礎(chǔ)上，結(jié)合護(hù)坡結(jié)構(gòu)和寒區(qū)池水冰的作用力分析，對(duì)該廢水池護(hù)坡屢修屢壞的機(jī)理進(jìn)行了分析，從而為其修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

該護(hù)坡的破壞機(jī)理主要分三個(gè)階段，首先冰拔和冰推作用導(dǎo)致水位變幅區(qū)砂漿層脫落，變幅區(qū)上方面板隆起；其次變幅區(qū)砌石和砂墊層因冰拔或浪淘作用而被淘空或移位；最后界面摩阻力降低，水位變幅區(qū)上方的干砌石產(chǎn)生滑塌。

在常規(guī)的修復(fù)中，只是將破壞區(qū)原樣修復(fù)，沒能從機(jī)理上阻隔，從而出現(xiàn)了屢修屢壞的現(xiàn)象，從且護(hù)坡滑動(dòng)過程中，邊緣鋒利的砌石還容易對(duì)防滲層的土工膜造成損傷。