土石壩基巖滲流沖蝕破壞機理初探

宋子龍

（1.湖南省水利水電科學研究所長沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心長沙市410007）

土石壩基巖滲流沖蝕破壞機理初探

宋子龍1、2

（1.湖南省水利水電科學研究所長沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心長沙市410007）

土石壩常坐落在透水基巖上，在長期復雜的自然環(huán)境條件影響和各種內(nèi)外力作用下，可能產(chǎn)生滲漏破壞問題，尤其是土石壩基巖滲流沖蝕破壞。文章基于土石壩滲流基本理論，建立了土石壩基巖沖蝕破壞概化模型，并結(jié)合美國提堂大壩進行了驗證，研究結(jié)果表明土石壩防滲體的基巖滲流沖蝕破壞是導致坐落在透水基巖上的土石壩潰壩的根本原因，透水巖基防滲處理是防治土石壩基巖滲流沖蝕破壞的關(guān)鍵。

土石壩基巖滲流沖蝕破壞機理

1 概述

根據(jù)第一次全國水利普查，我國共有水庫98 002座（已建97 246座，在建756座），其中擋水建筑物為土石壩者約占93%。土石壩運行過程中在雨水侵蝕、庫水浸泡、洪水沖刷、干旱及人類活動等因素作用下，時常發(fā)生流土、管涌等滲透破壞，極端情況下將導致漫頂、潰壩等災害，嚴重影響流域內(nèi)正常生產(chǎn)生活，甚至剝奪了無數(shù)人的生命[1～3]。如：2008年6月12日，湖南省岳陽縣相思鄉(xiāng)相思園水庫發(fā)生垮塌事件，洪水瞬間將附近的學生和農(nóng)民淹沒，最后導致6人死亡、1人失蹤的悲劇。

土石壩是由當?shù)赝亮?、石料或土石混合料填筑而成，具有就地取材、結(jié)構(gòu)簡單、地質(zhì)條件要求低、施工技術(shù)簡單、造價低廉等特點，是世界壩工建設(shè)中應用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。由于其填筑的土料以及壩基下伏砂礫是散粒體結(jié)構(gòu)（顆粒間存在大量孔隙，具有一定的透水性），水庫蓄水后，在水壓力作用下，水流必然會沿著壩身土料、壩基土體和壩端兩岸地基中的孔隙滲向下游，造成壩身、壩基和繞壩滲漏，容易形成壩體及壩下涵管滲漏、壩基土管涌流土、壩體滑坡等安全隱患，其排查和治理一直是研究者的關(guān)注重點。

目前對土石壩安全隱患的研究主要集中在壩體滲漏破壞，1856年法國工程師達西通過試驗研究提出了線性滲透定律，為滲流理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。周創(chuàng)兵、王媛、蔣中明等基于達西滲流定律，對土石壩壩體滲流破壞機理進行了深入研究，基本掌握了壩體滲流規(guī)律。陳建生、郭愛國、朱崇輝、劉杰等通過室內(nèi)滲透模擬實驗，揭示了土石壩壩體管涌發(fā)生發(fā)展機制。近年來，諸多研究者借助安全監(jiān)測技術(shù)對壩體防滲體水力劈裂破壞進行了深入研究，如Vaughan提出了一種堤壩產(chǎn)生水力劈裂破壞的機理，認為有效小主應力必須在張拉區(qū)。Sheard J L分析了一些土石壩防滲體開裂的工程實例，認為不均勻沉陷裂縫在各類心墻土壩中是很常見的；大多事故都發(fā)生在初次蓄水期間，其中庫水位的迅速升高是導致事故發(fā)生的重要因素；集中滲漏開始前，一般都沒有明顯的標志，壩頂或邊坡事先都很少有可見裂縫的存在；心墻壩由于堆石體的拱效應而比均質(zhì)壩更容易產(chǎn)生水力劈裂；壩體不均勻沉降導致壩體內(nèi)有可能發(fā)生水力劈裂的初始裂縫產(chǎn)生。黃文熙給出水力劈裂的定義，認為水力劈裂是指由于水壓力的抬高在巖體或土體中引起裂縫發(fā)生與擴展的一種物理現(xiàn)象。王俊杰、朱俊高、張輝等從發(fā)生條件、力學機理、試驗研究及數(shù)值模擬等方面對心墻水力劈裂問題進行探討研究，認為心墻的低滲透性、裂縫和迅速蓄水的初期是水力劈裂發(fā)生的條件[4～9]。

綜上所述，國內(nèi)外學者對水流在壩體內(nèi)的滲流過程進行了系統(tǒng)研究，能在一定程度上實現(xiàn)壩體內(nèi)及其防滲體滲流控制。但許多土石壩滲流失控發(fā)生在壩體與基巖的接觸部位，目前基巖滲流沖蝕破壞機理尚不明確。

本文基于土石壩相關(guān)滲流理論，建立土石壩基巖沖蝕破壞概化模型，并結(jié)合美國提堂大壩進行驗證。

2 土石壩基巖滲流沖蝕破壞概化模型

土石壩常坐落在透水基巖上，對于一定年限的土石壩而言，在長期復雜的自然環(huán)境條件影響和各種內(nèi)外力的作用下，土石壩的狀態(tài)隨時都在改變；再加上人為因素的影響，如設(shè)計考慮不周、施工不能完全保證質(zhì)量，可能產(chǎn)生滲漏破壞問題，尤其是土石壩基巖滲流沖蝕破壞。

土石壩運行后，滲流水通過壩體內(nèi)防滲體及其齒槽滲入下游的透水基巖中，防滲體尚未被沖蝕，如圖1所示；滲流水逐漸沖蝕防滲體與大壩基巖的接觸部位并使其滲透坡降增大，當土石壩壩前水位不斷上升，防滲體齒槽底與透水基巖的滲透坡降進一步增大，滲流水進一步?jīng)_蝕壩體內(nèi)防滲體，不斷將壩體防滲體與基巖接觸部位的土體顆粒從防滲體下游透水基巖的裂隙通道帶走，如圖2所示；形成壩體內(nèi)防滲體不斷被滲流沖蝕→接觸滲透坡降不斷增加→土體顆粒沿下游裂隙通道被帶走→……的惡性循環(huán)，進而使壩體內(nèi)防滲體形成沖蝕空穴、塌坑，如圖3所示；隨著壩體內(nèi)防滲體的破壞，壩體滲漏加劇，最終導致潰壩如圖4所示，即為土石壩基巖滲流沖蝕破壞概化模型。

3 提堂大壩潰堤案例分析

3.1 工程概況

提堂（Teton）壩位于美國愛達荷州提堂河上，是該河流域開發(fā)中一個主要的多目標工程。水庫總庫容3.18億m3?？梢苑篮榘l(fā)電并灌溉農(nóng)田約4.67萬hm2（70萬畝）。

圖1 滲流水通道形成

圖2 滲流水沖蝕防滲體與基巖接觸部位

圖3 形成沖蝕空穴、塌坑

圖4 大壩潰決

該工程由美國墾務局設(shè)計，最大壩高126 m，壩頂高程為1 626.26 m，壩頂長度包括溢洪道約950 m，壩的填筑量為765萬m3。附屬建筑物有：右岸3孔斜槽式溢洪道，最大泄量506 m3/s；右岸一條輔助泄水隧洞，最大泄量24.1 m3/s；左岸一條導流兼輸水隧洞，最大泄量96.3 m3/s；左岸一座16 000 kW電站。大壩為分區(qū)中央心墻式土石壩，大壩上游坡比為1∶2.5～1∶3.0，下游坡比為1∶2.0～1∶3.0。防滲心墻采用土料為風積粉砂土，滲透系數(shù)約5×10-6cm/s。

壩址基巖除河床偏左壩段為玄武巖外，其余壩段均為流紋巖（一種熔結(jié)的火山灰流凝灰?guī)r）。熔結(jié)凝灰?guī)r不僅存在著水平葉理，而且節(jié)理發(fā)育，緩傾角節(jié)理與葉理平行，陡傾角節(jié)理多為張性節(jié)理。熔結(jié)凝灰?guī)r的張性節(jié)理使右壩段壩基呈透水狀，對此，設(shè)計單位經(jīng)試驗比選最終決定，分別在左右有關(guān)壩段采取截水齒槽和楗槽為主的基礎(chǔ)防滲措施。玄武巖出現(xiàn)在河谷偏左底部1 530 m高程處，最大厚度約38 m。它和下伏的熔結(jié)凝灰?guī)r之間被一層厚（1.2～7）m的粉砂、砂和礫石組成的沖積夾層所隔開。

水庫在1975年10月3日封閉導流隧洞后開始蓄水。1976年6月3日，工程人員檢查右岸壩頭，發(fā)現(xiàn)有兩處小滲水，位于壩趾下游400 m和460 m處。滲出的是清水，流量分別約為3.8 L/s和2.5 L/s。6月4日，在右岸壩趾下游（40～60）m處，發(fā)現(xiàn)清水滲出，流量約1.25 L/s。此后，到6月4日下午9:00，再未發(fā)現(xiàn)有其他的滲漏。6月5日7∶45，墾務局測量人員發(fā)現(xiàn)一處漏水，位于右岸壩肩的1 539 m高程壩軸線下游230 m、樁號5+28附近。6月5日9∶00～9∶10，施工工程師等人在1 586 m高程，發(fā)現(xiàn)滲水出逸，估計滲漏量大于60 L/s。6月5日10∶00～10∶30之間，在壩體1 586 m高程壩軸線下游85 m、樁號4+65、離右壩肩（4.5～6）m處出現(xiàn)一塊濕斑。濕斑很快發(fā)展成有（0.3～0.45）m3/s的集中滲水，從壩面將5區(qū)（碎石塊料保護層）內(nèi)的細料沖走。6月5日11∶00許，出逸滲水形成沖溝。6月5日約11∶00稍后，上游水庫內(nèi)離壩上游面（4.5～6）m、靠近樁號4+19處（約離右岸水庫邊緣45 m），水面出現(xiàn)一個漩渦，漩渦直徑迅速擴大。11∶40～11∶50之間，右岸沖淘擴大范圍，同時在壩體下游面高程1 620 m、近樁號4+19處，出現(xiàn)一個坍陷洞。右岸沖溝迅速向上游發(fā)展。5 min后，即11∶55，壩頂陷落，11∶57，大壩決口。從第一次發(fā)現(xiàn)滲水到壩潰決，歷時僅5 h。

3.2 失事原因分析

提堂壩失事后，國內(nèi)外專家學者投入大量的人力物力財力對其進行了詳細的調(diào)查、勘探、試驗、模擬、分析，最終得出一致肯定的結(jié)論：雖然大壩在建設(shè)中對巖基進行了防滲處理（開挖截水齒槽、截水楗槽，并沿壩基齒槽和楗槽中心線進行了帷幕灌漿，對齒槽和楗槽內(nèi)基巖張節(jié)理進行了固結(jié)灌漿），但忽視了壩基基巖張節(jié)理滲漏破壞的問題，既沒有對大壩粉質(zhì)土心墻嵌入基巖截水槽的上、下游巖石的裂隙進行有效的封堵，也沒有沿心墻土體與基巖接觸面對心墻采取有效的防沖蝕保護措施，從而導致了潰壩。

3.3 大壩失事模式分析

滲流水通過心墻及右岸鍵槽滲入防滲體下游的張節(jié)理發(fā)育的透水基巖中，防滲土體中的土粒尚未被沖蝕；滲流水逐漸沖蝕防滲土料并使?jié)B透坡降增大。當水庫水位達1 617 m時，鍵槽底與帷幕頂?shù)臐B透坡降達9，滲流水進一步?jīng)_蝕粉質(zhì)土心墻中的土粒，并不斷將沖蝕的粉粒、粘粒從防滲土體下游的張節(jié)理中帶走，形成心墻土粒不斷被滲流沖蝕→接觸滲透坡降不斷增加→土粒沖蝕加劇→……的惡性循環(huán)；進而使心墻發(fā)生沖蝕空穴、塌坑，最終導致潰壩，與土石壩基巖滲流沖蝕概化模型基本一致。

4 結(jié)論

本文通過理論分析，建立了土石壩基巖滲流沖蝕破壞概化模型，即基巖與防滲體的接觸部位防滲處理不到位時，滲流水就必然通過巖基滲漏通道沖蝕防滲體，隨著滲流失控沖蝕防滲體，最終導致潰壩，并通過美國提堂心墻壩失事案例分析，驗證了基巖滲流沖蝕破壞概化模型。土石壩透水巖基防滲處理是防治土石壩基巖滲流沖蝕破壞的關(guān)鍵，仍需進一步研究。

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2016-10-16）

宋子龍（1972-），男，工程碩士，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)與大壩安全管理研究工作，手機：13508470172。