土石壩的內(nèi)部侵蝕與修復(fù)

［墨西哥］ R.弗洛爾貝羅內(nèi)等

1 概述

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料，導(dǎo)致堤防、土壩和土石壩失事的主要原因之一就是所謂的“管涌”。事實(shí)上，管涌和內(nèi)部侵蝕是造成大約50%這類土石壩結(jié)構(gòu)失事的主要原因。為防止這類事件的發(fā)生，學(xué)者卡薩格蘭德提出了以下建議性措施:確保筑壩或筑堤建材的合理選擇;控制施工期間所用建材的均一性;大粒徑石料和細(xì)粒料之間應(yīng)有過渡性材料;設(shè)計(jì)中妥善鋪設(shè)上下游反濾層。

本文以墨西哥埃爾巴丹(El Batan)壩為例對(duì)這類土石壩的內(nèi)部侵蝕與修復(fù)情況進(jìn)行了介紹。該壩土石壩段的反濾層特征與泰爾扎吉(Terzaghi)的反濾層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不符，防滲心墻的壓實(shí)度和含水量也與設(shè)計(jì)規(guī)范有出入。因此，先從大壩壩址及其壩特征入手，介紹探測(cè)到的壩內(nèi)侵蝕狀況和大壩現(xiàn)場試驗(yàn)及完成的修復(fù)工作。然后討論土石壩反濾層的設(shè)計(jì)與施工，以及土石壩如何避免管涌或內(nèi)部侵蝕的發(fā)生，并提出若干針對(duì)性的建議。文中所報(bào)告的事件，發(fā)生在1991年，而1988年年底已完成了反濾層設(shè)計(jì)。從那以后，相關(guān)重要文獻(xiàn)便接連不斷地發(fā)表。本文將嘗試性地依據(jù)目前的反濾層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)的研究和分析。

2 壩址和大壩特征

埃爾巴丹壩座落在墨西哥中部克雷塔羅(Queretaro)市西南部的埃爾皮柏里托(El Pueblito)河上，其中土石壩段長207 m，高45 m，基巖為破碎的玄武巖體，因而需進(jìn)行少量的固結(jié)灌漿處理。鄰近壩肩左側(cè)布置有一側(cè)流式溢洪道。為了控制施工期間的流量，需將大壩施工分兩個(gè)階段進(jìn)行:第1階段在右壩肩，第2階段在左壩肩。左壩肩布置有一個(gè)坡比為0.5H∶1.0V的導(dǎo)水槽，便于設(shè)置一條灌溉用的輸水管道(圖1)。溢洪道布置在左岸。該水庫總庫容為6.5 hm3。需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，有5000名居民居住在埃爾皮柏里托(El Pueblito)村，此村位于埃爾巴丹壩下游3 km處。大壩防滲心墻材料采用黑色高塑性殘積粘土(屬統(tǒng)一土分類法中的CH)，滲透系數(shù)k=10-6cm/s;用羊腳碾平行于大壩縱軸線方向碾壓，壓實(shí)層層厚20 cm。對(duì)導(dǎo)水槽下部的特殊部位，采用手動(dòng)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)壓實(shí)，對(duì)防滲墻以外的其他部位，仍遵循土工試驗(yàn)室確定的含水量和密實(shí)度規(guī)范要求進(jìn)行壓實(shí)。但只要可進(jìn)行操作，導(dǎo)水槽上半部便采用羊腳碾沿其軸線進(jìn)行壓實(shí)。表1為心墻粘土的特征參數(shù)。

圖1 導(dǎo)水槽與輸水管斷面

表1 心墻粘土的特征參數(shù)

反濾層采用砂礫石料，由運(yùn)料卡車從車后翻卸，堆厚2 m，無需碾壓，以防止施工過程中造成材料的嚴(yán)重分離。盡管反濾層設(shè)計(jì)采用了泰爾扎吉標(biāo)準(zhǔn)，但由于砂礫石料粗細(xì)顆粒的易分離性問題，所構(gòu)成的顆粒分布形態(tài)并不滿足泰爾扎吉的反濾層標(biāo)準(zhǔn)，這一點(diǎn)本文后面還將詳述。

上下游反濾層周圍的卵石和堆石體(最大粒徑為0.30 m)，其填筑的壩體斷面外坡為2.0H∶1.0V;至于這些石料的粒徑分布情況，還沒有明確的答案，不過肯定是按統(tǒng)一規(guī)模的尺寸開采自破碎的玄武巖(但石料不規(guī)則)，平均粒徑0.15 m。

3 滲漏事件

埃爾巴丹壩于1990年12月完工，水庫原計(jì)劃于1991年7月首次蓄水至1902 m高程。但在水庫蓄水達(dá)到此目標(biāo)前的12 d，由于連續(xù)數(shù)天的降雨，在輸水管道附近，觀察到下游坡面發(fā)生滲漏。之后滲漏量逐步增加到50 L/s以上，漏出的水呈暗黑色，表明心墻材料正在被浸蝕。1991年7月28日清晨，正如上述提到的在同一地點(diǎn)觀測(cè)到200 L/s的滲漏，同一天數(shù)小時(shí)后，沿輸水管出口線壩頂附近觀測(cè)到2個(gè)集中滲漏通道(相距20 m)，一個(gè)在上游，另一個(gè)在下游壩坡，此時(shí)庫水位在1902.23 m高程(溢洪道高程以上3.63 m)。

在出現(xiàn)這兩個(gè)滲漏通道之后，漏水量立即驟減，為15 L/s，可能是由于塌落的土料落入通道使?jié)B漏被封堵所致。為防止進(jìn)一步浸蝕和管涌的發(fā)生，在溢洪道中開了一個(gè)溢水槽，使庫水位能降低到1895 m高程，并通過排水孔注入某種材料(浸蝕發(fā)生后的24 h)以填補(bǔ)已被沖走的土石料，總共用了410 m3的石料(主要為卵石和塊石，如同原設(shè)計(jì)中的反濾層料)，封堵了此滲漏通道。

4 現(xiàn)場勘測(cè)

除快速降低庫水位外，還采取了一些緊急措施，防止壩體失事，同時(shí)沿下游壩面對(duì)任一漏水的情況都進(jìn)行了嚴(yán)密的巡察，并對(duì)泄水管周圍的滲水跡象全面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)工程項(xiàng)目的應(yīng)急計(jì)劃，采取了如下風(fēng)險(xiǎn)防范措施:

(1)將庫水位泄放至1895 m高程;

(2)定期進(jìn)行大壩檢測(cè)，建立長效防范機(jī)制;

(3)進(jìn)行壩內(nèi)探測(cè)，在受損或薄弱地帶使用觀測(cè)儀器;

(4)在溢洪道頂部1898.6 m高程處開一個(gè)溢水槽，防止在現(xiàn)場勘測(cè)和隨后的修復(fù)工程中水庫水位上升。

在滲漏影響區(qū)的周圍，及時(shí)進(jìn)行了土質(zhì)勘察，以查明事件原因。此次調(diào)查，共挖了兩個(gè)防塌豎井和9個(gè)鉆孔，以獲取原狀并具代表性的土樣，同時(shí)在每個(gè)防塌豎井中都設(shè)置了露天測(cè)壓管。

運(yùn)用獲取的原狀土樣，通過試驗(yàn)，測(cè)得了美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的常規(guī)土壤特性指標(biāo)，如土的剪切強(qiáng)度、滲透率、壓縮系數(shù)等等，還進(jìn)行了某些特殊附加試驗(yàn)，如含鹽量、有機(jī)物含量、碎塊試驗(yàn)(ASTM D6572-06)，以及為確定防滲心墻粘土分散特性的碎塊試驗(yàn)。

從工地勘測(cè)獲取的若干資料如下:

(1)設(shè)在上游滲漏通道附近的B4鉆孔內(nèi)，在大壩防滲心墻18～22 m深的范圍，通過B4鉆孔發(fā)現(xiàn)有較大面積的松濕土，并混有礫石。

(2)B4鉆孔內(nèi)的水位與水庫同高，表明它們是連通的。

(3)一旦鉆孔全部鉆畢，并在不同深處設(shè)置若干測(cè)壓計(jì)，就可確定在壩內(nèi)不同部位隨時(shí)間而變化的水位。

5 現(xiàn)場調(diào)查分析

通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析，可得出如下結(jié)論:

(1)壩體防滲心墻各碾壓層在壓實(shí)期間，由于含水量變化很大，導(dǎo)致了壩體材料均勻性的喪失。

(2)由于輸水管較陡的過水側(cè)會(huì)形成不均勻沉降和穹隆，加上有效應(yīng)力的作用，以及持續(xù)或瞬時(shí)水流的滲透力，導(dǎo)致水力壓裂情況的產(chǎn)生?？紤]到因敷設(shè)輸水管沿程的開挖應(yīng)力分布問題，探察了靜水壓力超過橫向正應(yīng)力和拉應(yīng)力合力的地段，因此可以認(rèn)為，在水壓力超過顆粒間壓力這樣的地帶，土骨架中會(huì)出現(xiàn)張力，也就是所謂“水力致裂”過程導(dǎo)致土體崩裂的情況。

6 解決方案

為恢復(fù)埃爾巴丹壩的受損或破壞部分，用水泥和膨潤土加水混合后的泥漿材料建一道不透水心墻。該不透水隔水墻長35 m，寬0.8 m，深度13～36 m不等(即深入到受損區(qū)域基巖再加1 m，以便伸入到基巖部分)。圖2示出了該不透水心墻的布置。工程修復(fù)期間的庫水位維持在1895 m高程。

圖2 灌漿過程與隔水墻

修復(fù)工程分如下3個(gè)階段。

(1)階段1。此階段為自流式灌漿，即采用灌漿法穩(wěn)定破壞區(qū)域，包括隔水墻施工開挖和向土體注漿使之硬化。灌漿過程分為兩步。第1步采用73%的水、24.5%水泥、2.5%膨潤土混合漿體進(jìn)行自流式灌漿。將自流式灌漿孔深入巖石內(nèi)1 m深(在壩頂?shù)闹行木€部位，鉆孔間隔2 m)。鉆孔的平均吸漿量在0+060斷面附近為130 L/m，最大1100 L/m。第2步為壓力灌漿。灌漿沿兩條平行線進(jìn)行，上游一條線，下游一條線(參見圖3)，兩條線間隔2 m。為防止水壓致裂，規(guī)定最大灌漿壓力為400 kPa，最大吸漿量為400 L。

(2)階段2。此階段為隔水墻施工(圖3)，即采用槽壁法(slurry trench method)施工。整墻劃分為19個(gè)槽段，每個(gè)槽段長2.2 m、寬0.8 m，開挖深度為13～36 m。為穩(wěn)定開挖槽壁，采用由75%的水、20.8%水泥和4.2%的膨潤土的混合漿作為注入鉆孔內(nèi)的泥漿。

(3)階段3。此階段為結(jié)合灌漿。經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)期后，采用灌漿注入法，即應(yīng)用一種特殊的砂漿，注入隔水墻和基巖結(jié)合部位，使其緊密結(jié)合。砂漿注入基巖的深度為5 m，最大允許灌漿壓力為500 kPa，最大注入量500 L。

7 滲漏觀測(cè)

將若干測(cè)壓計(jì)(位于測(cè)壓站)和觀測(cè)井布置在隔水墻上下游側(cè)壩內(nèi)的防滲心墻中，在10 a的觀測(cè)期內(nèi)，采用這些儀器測(cè)量和記錄了大量數(shù)據(jù)，以確定與庫水位有關(guān)的壩內(nèi)水位差。表2列出了數(shù)種工況和2種不同庫水位情況下，滲流通過防滲心墻時(shí)壩下游坡腳處經(jīng)計(jì)算的水力梯度。結(jié)果表明，10 a期間防滲墻的運(yùn)行狀況良好，令人滿意。沿出口管道下游側(cè)的滲漏量表明，在隔水墻施工完成后，可抑制滲漏量65%。

表2 不同工況下防滲心墻的理論水力梯度

8 結(jié)論與建議

從上述土石壩事件中可得出以下主要結(jié)論:

(l)在坡度急變地段，如為適應(yīng)輸水管路布置的導(dǎo)水槽路線一帶，極易出現(xiàn)不均勻沉降，也可能出現(xiàn)穹隆，而且這種地段還會(huì)因土骨架內(nèi)的拉應(yīng)力和滲透力作用導(dǎo)致土體崩裂和水力致裂。在輸水管周圍的過渡區(qū)一帶，即使是均質(zhì)土，也很難達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，因此，工程劃定了若干易于引起內(nèi)部侵蝕的薄弱環(huán)節(jié)區(qū)域。

(2)埃爾巴丹壩反濾層的顆粒分布狀況與泰爾扎吉標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定出入很大，不符合權(quán)威機(jī)構(gòu)新近頒布的反濾層標(biāo)準(zhǔn)，也說是說，壩內(nèi)反濾層的粒徑材料太粗，級(jí)配極不合理，不能很好地防止大壩心墻材料的內(nèi)部侵蝕。

(3)埃爾巴丹壩反濾層的現(xiàn)場運(yùn)行情況表明，由于壩體侵蝕作用，在壩頂上形成的兩個(gè)滲漏通道，就像豎井一樣穿過防滲心墻，所以反濾層所用料過粗，一方面是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的問題，但主要還是施工工藝上的問題。

(4)文中的實(shí)例研究表明，在設(shè)計(jì)新土石壩時(shí)，必須持續(xù)修訂反濾層的標(biāo)準(zhǔn)。但令人遺憾的是，很多人都還未認(rèn)識(shí)到頻頻出現(xiàn)的錯(cuò)誤，也未見發(fā)表的文獻(xiàn)中指出這些問題來避免新的設(shè)計(jì)中重蹈覆轍。

(5)沿防滲心墻的上下游側(cè)設(shè)置反濾層，以防可能的管涌和內(nèi)部侵蝕的發(fā)生，這方面的工作還有很多要做;對(duì)反濾層材料的粒徑分布狀況也必須進(jìn)行很好地控制，避免鋪設(shè)這些反濾層時(shí)出現(xiàn)粗細(xì)顆粒的分離。此外，在防滲心墻每層的鋪料和壓實(shí)期間，對(duì)材料的含水量必須進(jìn)行嚴(yán)格控制和質(zhì)量管理，理由很明確，如果土是在最佳而偏干燥的狀態(tài)下壓實(shí)的，則滲透率可能會(huì)出現(xiàn)很大的變化。

(6)這類土石壩在水庫首次蓄水期間和之后，應(yīng)制定好特殊的防范措施預(yù)案并持續(xù)地進(jìn)行觀測(cè)，必要時(shí)應(yīng)采取補(bǔ)救措施，避免重大事件的發(fā)生或大壩失事。在防滲心墻的兩側(cè)，應(yīng)將專用測(cè)壓裝置按不同深度布設(shè)，以使大壩水庫在首次或隨后的蓄水期間，能測(cè)得地下水位的任何異動(dòng)情況。

(7)采用水泥和膨潤土加水混合的材料來修復(fù)防滲心墻，如埃爾巴丹壩這樣的防滲心墻，確實(shí)是一種可行的方案，這種做法，對(duì)其他同類土石壩的修復(fù)和正常運(yùn)行具有很好的借鑒意義。