分散性土均質(zhì)土壩滲透破壞及潰壩原因分析

羅 雪

（大慶市松嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000）

分散性土均質(zhì)土壩滲透破壞及潰壩原因分析

羅 雪

（大慶市松嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000）

對(duì)分散性土均質(zhì)土壩滲透破壞性現(xiàn)狀及潰壩原因進(jìn)行研究，通過(guò)分析土壩的自身屬性、潰壩原因，提出壩體防護(hù)的解決方案。

分散性土；均質(zhì)土壩；滲透破壞；潰壩

分散性土包括有機(jī)質(zhì)土、黏土等多種土質(zhì)，過(guò)于純凈的水體會(huì)對(duì)土質(zhì)中的黏性結(jié)構(gòu)進(jìn)行解體。在水庫(kù)水體中金屬負(fù)離子含量逐漸增多的前提下，黏土顆粒會(huì)緩慢的分散，直至全部解構(gòu)。這種土質(zhì)的抗沖蝕能力較低，在較小的沖擊作用下就會(huì)產(chǎn)生堤壩管涌、壩基崩潰的現(xiàn)象。因此如何在不利的土質(zhì)條件下，對(duì)分散性土進(jìn)行防護(hù)與滲流控制，成為土壩防護(hù)研究關(guān)注的重點(diǎn)。

1 分散性土與土壩工程概況

1.1 分散性土

我國(guó)在分散性土研究方面，經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段。自20世紀(jì)80年代，分散性土均質(zhì)土壩的潰壩情況就時(shí)有發(fā)生，但在分散性土壩的壩體防護(hù)方面，科研進(jìn)展卻非常緩慢。黑龍江嫩江流域的引水灌溉工程，就由于分散性土質(zhì)的存在，在雨水沖刷下發(fā)生潰壩現(xiàn)象。但海南嶺落水庫(kù)潰堤原因分析中，專家并沒(méi)有意識(shí)到潰壩與分散性土質(zhì)有關(guān)聯(lián)，也沒(méi)有對(duì)大堤進(jìn)行分散性黏土結(jié)構(gòu)修復(fù)。近幾年，壩坡由于雨水沖擊而產(chǎn)生數(shù)道水溝，原有的土料修復(fù)處又發(fā)生決口問(wèn)題，部分雨水經(jīng)由壩頂裂縫流入壩體，最終造成壩體的全面崩潰。而在壩體土質(zhì)的調(diào)查取樣分析后，表明該水壩屬于分散性土質(zhì)水壩，壩面的修復(fù)與加固應(yīng)按照分散性土質(zhì)準(zhǔn)則進(jìn)行處理。

可以看出，我國(guó)在分散性土研究方面，有一段漫長(zhǎng)的認(rèn)知過(guò)程。分散性土在純凈水體中有著明顯的滲透特性，水壩潰壩也要具有一定的限制條件。

根據(jù)當(dāng)前的研究發(fā)現(xiàn)，分散性土均質(zhì)土壩潰壩有以下幾方面原因：首先分散性土質(zhì)對(duì)純凈水體的滲透性較強(qiáng)；壩頂會(huì)在自然介質(zhì)作用下產(chǎn)生裂縫，雨水順裂縫流入壩體，將造成壩坡?lián)p壞的情況；壩坡施工過(guò)程中沒(méi)有鋪設(shè)反濾隔離體，這使得滲透水流帶走了壩體的土質(zhì)成分；水庫(kù)中存在著較為純凈的雨水水體，純凈水質(zhì)在分散性土質(zhì)中的滲透性更強(qiáng)。因此，多方面原因?qū)е铝朔稚⑿酝辆|(zhì)土壩滲透破壞，以及潰壩情況的發(fā)生。

1.2 工程實(shí)例

以黑龍江嫩江縣東南部的青年水庫(kù)為研究對(duì)象，青年水庫(kù)屬于科洛河左岸支流流域，為支流筑壩截流而產(chǎn)生。青年水庫(kù)集雨總面積高達(dá)8.7km2，水庫(kù)庫(kù)容量171萬(wàn)m3。整個(gè)壩體長(zhǎng)259m，壩頂高8.7m，壩坡比為迎水1∶3。溢洪道為有閘開(kāi)敞式，堰頂寬17m，最大溢流深2.08m，流量23.1m3/s。該壩體為分散性土均質(zhì)土壩，壩體內(nèi)主要的填料為沉積土。1993年黑龍江嫩江流域遭遇洪水沖擊，青年水庫(kù)在暴雨中水位逐漸增高至46.5m，雨水順壩頂上部裂縫流入壩體，導(dǎo)致了潰壩。洪水退去后，對(duì)大壩中潰口處進(jìn)行了加固式修復(fù)。施工對(duì)均質(zhì)土壩的壩坡處使用中粗砂填筑，并壘砌石塊進(jìn)行加固，在壩坡表面灌注砂漿，砂漿上鋪設(shè)厚度較厚的抗?jié)B混凝土板，直至鋪設(shè)高度達(dá)46.5m以上。對(duì)于壩體中存在的水流沖溝，水壩下游使用草皮護(hù)坡，主干河道流域壩坡仍舊使用抗?jié)B混凝土板，但抗?jié)B混凝土板厚度要控制在6cm。

分散性土質(zhì)在純凈水體中，會(huì)對(duì)土質(zhì)中的黏性結(jié)構(gòu)進(jìn)行解體。有機(jī)質(zhì)土、黏土等滲透性強(qiáng)的土質(zhì)原來(lái)為團(tuán)狀的聚集結(jié)構(gòu)，在純凈水體中會(huì)分散成較小的顆粒狀結(jié)構(gòu)，黏性也會(huì)大大降低。這種土質(zhì)不能抵御強(qiáng)烈的水流沖刷。從多次暴雨時(shí)期的調(diào)查記錄中，可以看出青年水庫(kù)下游壩坡的破壞情況：水庫(kù)下游壩坡中的水溝非常多，均為雨水沖刷后留下的痕跡。其中水溝孔最大達(dá)10cm以上，最深達(dá)1m以上。水溝孔周?chē)捎谌狈︷B(yǎng)分，并沒(méi)有植物附著在上面，有很多滲水從孔洞中流出，這些水流顏色為渾濁的灰白色，表明沖蝕形成了壩坡中的水溝孔；下游壩坡中間鋪設(shè)的厚度較厚的抗?jié)B混凝土板，也在暴雨中產(chǎn)生塌陷、泡發(fā)狀況，而在抗?jié)B混凝土板下部，發(fā)現(xiàn)了雨水沖蝕形成的水溝孔；大雨過(guò)后壩坡面上的土層開(kāi)始變干變硬，分散性土質(zhì)的裂縫現(xiàn)象開(kāi)始發(fā)生；水壩底部排水溝的土質(zhì)解體現(xiàn)象也非常嚴(yán)重，整體水質(zhì)呈現(xiàn)灰白色。

2 土壩原料的分散性鑒定

在土壩原料的分散性鑒定，需要通過(guò)土壩成分的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，來(lái)判定其存在的物理與化學(xué)特性。在土壩成分的取樣方面，沿土壩建設(shè)方向每隔100m進(jìn)行鉆孔取樣，鉆孔深度要具有差異化。本次主要對(duì)6組土壩原料進(jìn)行取樣實(shí)驗(yàn)，包括低液限粉質(zhì)黏土3組、低液限黏土3組。其中實(shí)驗(yàn)Experiment3土壤的顆粒組成在0.005mm以下，或者大于0.05mm，屬于大小顆粒不均的黏土。Experiment5土壤的顆粒為大于0.05mm，其他土壤顆粒組成在0.005～0.05mm之間。

本實(shí)驗(yàn)的方法包括針孔沖蝕法、雙比重計(jì)法、孔隙水易溶鹽法等。針孔沖蝕法主要對(duì)土質(zhì)的工程承受度進(jìn)行測(cè)試，其中最重要的測(cè)試項(xiàng)目為分散性土質(zhì)在純凈水體中的滲流情況，以及土壩原料在水流沖擊下的強(qiáng)度。因此針孔沖蝕法為分散性土均質(zhì)土壩滲透破壞性研究的主要方法，其鑒定結(jié)果的精確度高。

2.1 針孔沖蝕法實(shí)驗(yàn)

從6組土壩原料中選擇4組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在水力坡降達(dá)到2的情況下，針孔擴(kuò)大2倍以上，因此該土質(zhì)為分散性土，針孔沖蝕實(shí)驗(yàn)如表1。

表1 針孔沖蝕法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 雙比重計(jì)與孔隙水易溶鹽實(shí)驗(yàn)

雙比重計(jì)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表格如表2。

表2 雙比重計(jì)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

雙比重計(jì)法中各組土壩原料的分散度均在50%以上，孔隙水易溶鹽實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：選擇的4組土壩原料的納百分比PS＞60%，因此判定土壩原料為分散性土。

3 分散性土均質(zhì)土壩潰壩原因

3.1 壩頂滲流對(duì)壩體的破壞

從以上數(shù)據(jù)可以看出，分散性土均質(zhì)土壩的潰壩，主要原因?yàn)樗鳚B透。在壩體潰壩后，從潰口剖面展開(kāi)壩體土料的物理性質(zhì)分析。其中土層的填土干密度、孔隙率、滲透系數(shù)等，都控制在要求的工程指標(biāo)內(nèi)。因此可以確定，水庫(kù)壩體潰壩不是由建筑工程的質(zhì)量問(wèn)題造成的。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)：在暴雨情況下，水庫(kù)潰口壩頂存在滲流，從壩頂潰口到壩體底部的距離6m，而水位回落的警戒線4m，水庫(kù)潰口沖擊深度2m的情況下，則滲流開(kāi)始從壩頂溢出。因此可以得出，壩頂滲流是壩體破壞的主要原因之一。

3.2 壩頂裂縫的滲透與滲流破壞

在大壩壩頂出現(xiàn)裂縫的情況下，分散性土均質(zhì)的滲透系數(shù)會(huì)迅速升高。壩頂橫向裂縫，會(huì)導(dǎo)致從壩頂潰口到壩體底部的滲透破壞，這是滲透作用影響的最大高度范圍。根據(jù)從壩頂潰口到壩體底部的數(shù)據(jù)分析，可以得出：壩頂裂縫滲流至壩坡的滲徑長(zhǎng)度L為15.6m。壩體裂縫滲透的水力坡降0.12，而分散性黏土的水力坡降值1.25。從理論分析，大壩壩頂?shù)臐B透破壞，不會(huì)對(duì)整個(gè)壩體造成巨大影響。但從表格1，2中可以得出，在分散性黏土水力坡降小于2時(shí)，實(shí)驗(yàn)孔徑在10min時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大4倍；同時(shí)壩頂裂縫受到雨水的不斷沖刷，其土質(zhì)結(jié)構(gòu)就會(huì)分散成較小的顆粒狀。因此顆粒狀土質(zhì)不能抵御強(qiáng)烈的水流沖刷，分散性土均質(zhì)的土壩潰壩現(xiàn)象就會(huì)隨之發(fā)生。

4 分散性土均質(zhì)土壩的加固與排水措施

分散性土均質(zhì)土壩在抵御水流沖擊方面，仍舊存在很多需要解決的問(wèn)題。因此在分散性土均質(zhì)土壩防護(hù)上，要從加固、排水兩方面制定措施，來(lái)保證暴雨時(shí)期土壩的穩(wěn)固性。首先土壩建筑施工部門(mén)應(yīng)在采用非分散性土鋪設(shè)路面，壩頂壩肩設(shè)置排水系統(tǒng)，以保證壩頂雨水的排流通暢。排水系統(tǒng)的設(shè)置主要起到壩頂防滲作用，同時(shí)也對(duì)壩坡的雨水沖刷具有保護(hù)作用。而壩坡的加固方案為在分散性土中加入3%的石灰，或者在壩坡使用中粗砂填筑，形成一層反濾隔離體，來(lái)避免雨水對(duì)壩體的破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

有機(jī)質(zhì)土、黏土等滲透性強(qiáng)的土質(zhì)原來(lái)為團(tuán)狀的聚集結(jié)構(gòu)，在純凈水體中會(huì)分散成較小的顆粒狀結(jié)構(gòu)，黏性也會(huì)大大降低。因此對(duì)于分散性土均質(zhì)土壩防護(hù)方面，要將分散性土質(zhì)的加入3%的石灰，變?yōu)榉欠稚⑿酝临|(zhì)。同時(shí)也要從壩體加固、排水兩方面著手，對(duì)分散性土質(zhì)的壩頂、壩坡進(jìn)行防護(hù)處理，才能有效避免滲透潰壩情況的發(fā)生。

［1］梁滿洋.均質(zhì)土壩填筑施工的技術(shù)要點(diǎn)及管理方法研究［J］.廣東科技，2014（2）.

［2］阮濱，王志華.基于擴(kuò)展有限元法的均質(zhì)土壩裂紋模擬［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2013（S2）.

［3］趙高文，樊恒輝，石美.基于黏性土分散機(jī)制的分散性土化學(xué)改性研究［J］.巖土力學(xué)，2013（S2）.

［4］王啟東.基于分散性黏土的綜合評(píng)定［J］.黑龍江水利科技，2013（8）.

［5］黎志鍵，戴明，大容山.（高垌）水庫(kù)均質(zhì)土壩防滲設(shè)計(jì)［J］.紅水河，2012（1）：6-10.

Situation of dispersive soil homogeneous earth dam seepage destructive and dam failure cause analysis

LUO Xue
（Management Office of Songhua-Nen River Engineering，Daqing 163000，China）

Analysis of the seepage situation of dispersion soil in homogeneous earth dam ， dam failure cause and its characters，the solutions for dam protection are put forward.

dispersive soil； homogeneous earth dam； seepage failure； dam

P64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1672-9900（2017）06-0089-04

2017-10-13

羅 雪（1982-），女（漢族），廣西桂林人，碩士研究生，主要從事水利水電方向研究，（Tel）13261737277。

王艷肖）