水庫排水棱體淤堵原因及處理措施

曾永強(qiáng)

（廣州市黃埔區(qū)金坑水庫管理所，廣東 廣州 511363）

1 工程概況

某水庫于2004年經(jīng)過排水棱體升級，于壩腳土體與砂礫石層間增設(shè)土工布。根據(jù)此次勘察數(shù)據(jù)可知，庫水位為68.53m，大壩下游坡存在大范圍的濕潤區(qū)且伴有多股滲水，部分排水溝底部出現(xiàn)多處滲水點(diǎn)，不利于壩體的正常使用。為準(zhǔn)確判斷壩坡的滲流穩(wěn)定性狀況，需對排水棱體展開全面的分析，明確其工作情況及淤堵原因，從而采取相適應(yīng)的處理措施。

某水庫控制流域面積55.2km2，正常蓄水位74.00m，死水位51.20m，電站總裝機(jī)容量500kW，以灌溉功能為主，兼具防洪、發(fā)電等多重輔助性功能，是一座綜合型的中型水庫。大壩設(shè)置有心墻壩，壩頂長446.0m，寬6.0m，高程79.46m。大壩上游結(jié)構(gòu)體系中以混凝土預(yù)制塊護(hù)坡為主，于高程67.24m處設(shè)置馬道，高程67.24m～55.00m范圍內(nèi)設(shè)置干砌塊石護(hù)坡，高程55.0m以下為拋石固腳。坡面布設(shè)排水系統(tǒng)，建設(shè)有排水棱體裝置，其頂高49.00m，為重要的排水途徑。

2 水庫的主要問題

1）水庫浸沒。水庫所處位置主要為峽谷地段，從庫區(qū)分布特點(diǎn)來看，水庫為最低排泄基準(zhǔn)面，庫邊未形成低洼區(qū)，岸坡以較陡的斜坡為主，坡度普遍＞30°。水庫浸沒覆蓋范圍小，僅見于正常蓄水位的水邊線周邊區(qū)域。

2）庫岸穩(wěn)定。水庫區(qū)分布多條沖溝，雖有松散堆積體但數(shù)量較少，基巖出露現(xiàn)象較為普遍。從既有運(yùn)營狀況來看，無大范圍崩岸、滑坡事故，同時基巖岸坡形態(tài)較初期無明顯變化。通過調(diào)查可知庫區(qū)無不良地質(zhì)，庫岸基巖斜坡在完整性、穩(wěn)定性方面均有較好的表現(xiàn)。

3 滲流計算模型

非飽和土的滲流遵循達(dá)西定律，且符合連續(xù)性方程的基本特點(diǎn)，此方面與飽和土體的滲流特性無差異。但有所不同的是，非飽和土的滲透系數(shù)具有變動性，易受到基質(zhì)吸力的影響，且隨時間的延長土中含水率將發(fā)生變化［1］。綜合達(dá)西定律和滲流連續(xù)性方程，可進(jìn)一步生成基于非飽和土的滲流控制方程：

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為時間，s；μw為孔隙水壓力，N/m3。

4 滲流計算及排水棱體工作性態(tài)分析

4.1 滲流計算分析

以地質(zhì)勘察報告、土工試驗(yàn)及加固質(zhì)量評價結(jié)果為基本依據(jù)，合理規(guī)劃滲透分區(qū)并確定具體的滲透系數(shù)。壩體、壩基兩處的滲透區(qū)數(shù)量分別為1個、2個。引入GeoStudio軟件，利用該工具圍繞大壩滲流問題展開有限元分析，根據(jù)排水棱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮有效運(yùn)行和完全淤堵兩種工況，具體內(nèi)容如圖1、圖2所示。

圖1 排水棱體有效狀態(tài)滲流計算

圖2 排水棱體完全失效狀態(tài)滲流計算

4.2 排水棱體工作性態(tài)分析

通過對滲流計算結(jié)果的分析可知：

1）在排水棱體有效運(yùn)行的條件下，壩體浸潤線高程相對較低，滲水能夠通過排水棱體外排，總體運(yùn)行狀況良好。

2）在排水棱體完全失效的工況下，壩體浸潤線高程將大幅提升，壩體滲水排出狀態(tài)異常，均從排水棱體以上部分逸出，具體的點(diǎn)位高程達(dá)到53.12m。從現(xiàn)階段的排水棱體工作狀況來看，出逸點(diǎn)高程逼近下游壩體干濕分界線高程，意味著排水棱體的淤堵現(xiàn)象較為嚴(yán)重，已經(jīng)失效。同時，在2013年便針對排水棱體頂部的土工布采取優(yōu)化措施，對其鉆孔，短期內(nèi)下游壩腳水位有所下降，但經(jīng)過多年使用后鉆孔依然存在淤堵問題，導(dǎo)致壩腳水位隨之提高。從實(shí)際結(jié)果來看，可充分說明現(xiàn)階段排水棱體已經(jīng)處于失效狀態(tài)。此時壩體滲水難以快速排出，壩體浸潤線隨時間的延長而逐步升高，壩體和壩坡兩處的穩(wěn)定性每況愈下。

5 淤堵原因分析

土工織物可作為濾層材料而使用，水流經(jīng)該土工織物，期間大量土顆粒持續(xù)封閉土工織物孔口，發(fā)生淤堵現(xiàn)象，可見滲透流量持續(xù)下降，淤堵的出現(xiàn)將導(dǎo)致濾層失效［2］。通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方式探明該淤堵的作用機(jī)制，總結(jié)出較為典型的淤堵成因，具體作如下分析：

1）壩體填土成分。壩體土主要以粉質(zhì)黏土和粉土居多，內(nèi)含粗顆粒含量相對較少，但存在大量的細(xì)顆粒。在同等水頭作用下，從水力梯度指標(biāo)的角度來看，具有粉質(zhì)黏土明顯超過粉土的特點(diǎn)，進(jìn)一步說明粉質(zhì)黏土的滲透力相對較大。由于存在滲透力作用，導(dǎo)致細(xì)顆粒逐步進(jìn)入土工布的孔隙內(nèi)，發(fā)生淤堵現(xiàn)象。

2）砂墊層顆粒級配。土工布與砂墊層采取直接接觸的方式，滲徑相對較短，若未滿足連續(xù)級配的相關(guān)要求，則細(xì)砂易進(jìn)入土工布的孔隙內(nèi)，隨之發(fā)生淤堵。

6 基于排水棱體淤堵的建議措施

鑒于上述所提的滲流異常狀況，出于維持大壩等相關(guān)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的基本目的，現(xiàn)提出相應(yīng)的對策，以期從根本上排除安全隱患。

1）基于排水棱體現(xiàn)狀組織翻修作業(yè)。開挖處理，將土工布清理干凈?？紤]到壩體填土細(xì)顆粒含量偏多的特點(diǎn)，宜鋪設(shè)砂卵石墊層，以便替換原土工布，達(dá)到反濾保護(hù)的效果，此后按照棱體的既有尺寸完整復(fù)原。

2）經(jīng)過翻修處理后需注重日常觀測，及時掌握排水棱體的工作狀態(tài)，對處理效果作出評價，存在異常狀況時可采取針對性應(yīng)對措施，保證壩體滲水可以快速排出。

考慮到壩體防滲效果欠佳的問題，特采取高壓旋噴和土工膜相綜合的方式。具體而言，取壩體高程183.27m至壩基范圍，對該處采取高壓旋噴灌漿處理措施，灌漿孔設(shè)置在內(nèi)坡平臺處，183.27m直至壩頂部分完整鋪設(shè)復(fù)合土工膜。各灌漿孔按1.25m的間距標(biāo)準(zhǔn)依次布設(shè)，孔深入基巖部分的深度達(dá)0.5m。壩體單薄，坡面存在較明顯的坑洼現(xiàn)象，總體缺乏平整性，對下游壩坡培厚的同時對壩坡面采取加固處理措施。鑒于既有排水棱體功能效果逐步下降的情況，現(xiàn)對其加以改造，重點(diǎn)處理區(qū)域?yàn)槔吓潘怏w上游坡腳，于該處沿壩軸線方向按照3m的間距依次造孔，孔內(nèi)鋪反濾料并采取壓實(shí)處理措施，各沖抓孔均按照3m的間距設(shè)置，孔徑1m，應(yīng)完全深入至老排水體，鉆孔后回填1m厚的粗砂，再回填卵石。各排水孔之間開挖溝槽（基本尺寸要求為寬1m、深2m），以便與前期設(shè)置好的沖抓孔連通，于周邊鋪設(shè)土工布，取距溝底0.5m的位置，于該處埋設(shè)φ200mm的塑料盲管，若無誤則回填砂卵石并采取壓實(shí)處理措施，鋪2層土工布后回填粘土。從實(shí)際檢測結(jié)果來看，經(jīng)處理后的壩體滲透系數(shù)均在1.0×105cm/s以內(nèi)，具有弱透水性的特點(diǎn)，以往壩體滲漏的情況不復(fù)存在?？梢娭黧w壩體的防滲加固效果良好。

3）對于副壩壩體的滲漏現(xiàn)象，可采用沖抓套井回填處理，沿壩頂中心線依次布孔?？讖?.1m，主井與套井中心間距設(shè)為0.865m。從現(xiàn)場情況來看，上游壩坡面護(hù)坡存在較明顯的受損現(xiàn)象，因此通過砼預(yù)制塊護(hù)坡。對下游壩坡采取培厚處理措施，壩頂在既有寬度的基礎(chǔ)上擴(kuò)寬，達(dá)到1.04m。通過實(shí)測結(jié)果可知，副壩壩體沖抓套井在經(jīng)過回填處理后，成型的防滲心墻總體質(zhì)量良好，實(shí)測滲透系數(shù)均在1.0×105cm/s以內(nèi)，具有弱透水性的特點(diǎn)，以往下游壩體滲漏的情況不復(fù)存在。由此表明，在對副壩壩體采取防滲加固處理措施后，能夠解決副壩排水棱體功能不足的問題。根據(jù)排水棱體的現(xiàn)有狀況，對其改造處理，沿壩體軸線方向按照3m的間距標(biāo)準(zhǔn)依次鉆孔，孔內(nèi)鋪反濾料后再采取壓實(shí)處理措施，以構(gòu)成排水孔；對表層采取開挖處理措施，形成導(dǎo)滲溝。鑒于副壩涵管異常滲漏的情況，對該處翻新，將既有的漿砌石箱涵挖除干凈，設(shè)置鋼筋混凝土預(yù)制涵管。

7 設(shè)計及施工的注意事項(xiàng)

1）以土體特性為依據(jù)選擇高性能土工布。若土體內(nèi)部含大量細(xì)顆粒，此時在滲透力作用下易導(dǎo)致該部分顆粒進(jìn)入土工布空隙，隨時間的延長而堵塞土工布表面，甚至出現(xiàn)土工布完全失效的情況，淤堵現(xiàn)象異常明顯。對此，必須綜合考慮到土體的滲透性和顆粒組成情況，以此為依據(jù)合理選擇土工布，保證其在物理、力學(xué)方面的指標(biāo)均可滿足要求。

2）優(yōu)化砂墊層結(jié)構(gòu)組成。經(jīng)土工布淤堵試驗(yàn)可知，在砂墊層厚度增加的情況下，土體顆粒向土工布轉(zhuǎn)移的滲徑隨之延長，此時隨著砂細(xì)度模數(shù)的提高，從中砂過渡至粗砂，可以發(fā)現(xiàn)土工布內(nèi)存在的含土量也隨之減少。由此表明可以適當(dāng)加大砂墊層的厚度，材料方面可選擇連續(xù)級配粗砂，具體應(yīng)保證其細(xì)度模數(shù)穩(wěn)定在3.1～3.7，將砂墊層厚度增至15cm，通過此方式可避免淤堵現(xiàn)象。

8 結(jié)語

受技術(shù)水平、現(xiàn)場環(huán)境、運(yùn)營時間等方面的影響，水庫的病險因素隨之增加，導(dǎo)致其發(fā)生功能異常等情況。而水庫對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、沿線百姓的生命安全等均具有明顯的影響，因此需準(zhǔn)確認(rèn)識水庫的既有問題，分析成因，通過有效的措施從根本上解決問題，切實(shí)提高水庫的社會經(jīng)濟(jì)效益，為社會發(fā)展助力。