水庫工程病險成因典型實例分析

李宏恩,李 錚,何勇軍

(南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所,江蘇南京 210029)

水庫工程病險成因典型實例分析

李宏恩,李 錚,何勇軍

(南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所,江蘇南京 210029)

以某座因未按設計要求施工而引起水庫工程滲流和結構問題的土石壩為例,在工程現場檢查和地質勘察的基礎上,進行了大壩滲流安全分析、結構穩定分析、抗震安全分析,并對該水庫工程的安全現狀進行了綜合分析與評價。分析結果表明:由于該工程未按設計要求進行施工,直接導致該工程結構不完整,大壩的滲透安全性、結構安全性及抗震安全性均不滿足要求,大壩安全監測等工程管理設施欠缺,可歸為三類壩。

水庫工程;土石壩;病險成因;滲流計算;抗滑穩定

第一次全國水利普查我國現有水庫98 002座,已建水庫97246座,在建水庫756座,面廣量大。水庫工程建設應特別重視建設期施工的規范化與科學化,為提高新建水庫工程建設期的管理水平,保證工程實施的科學性和規范性,國務院頒布了《水庫大壩安全管理條例》,水利部頒布了《水庫大壩安全鑒定辦法》、《水庫大壩安全管理應急預案編制導則(試行)》和其他規程、導則[1-2]。本文將詳細介紹一座修建于2007年未按設計施工、運行即出險情的土石壩工程,并對其病險成因及大壩安全進行全面分析與評價,旨在總結工程經驗教訓,為今后修建類似水庫工程提供技術指導和借鑒。

1 工程簡介

某水庫設計庫容為968萬m3,防洪標準按30年一遇洪水設計,300年一遇洪水校核。工程修建的目的是為解決鄰近工業區的生產和生活用水問題,改善周邊生態環境。大壩為碾壓式均質土壩,設計最大壩高25.95m,壩頂長941m,壩頂寬6m,上、下游筑壩材料為當地粉土、壤土,壩軸線建基面附近設置黏土截水槽,基巖采用帷幕灌漿防滲,壩體下游設置褥墊、棱柱體及貼坡相結合的排水方式,壩體上游坡面采用干砌石護坡,下游坡面為砂礫石護坡。選取最大壩高所在位置的斷面為典型斷面,大壩設計典型斷面如圖1所示。在大壩實際施工過程中,取消了下游褥墊排水及棱柱體排水,且僅在壩基沿壩軸線50～100m范圍內進行了局部帷幕灌漿,大壩實際典型斷面如圖2所示。

該工程建設時間短,工程管理不規范,2007年11月開工建設,2008年6月便進行了初期蓄水,蓄水后在大壩左岸壩體及岸坡處出現較為嚴重的壩體、壩基及繞壩滲漏現象,如圖3所示。2008—2011年,上游護坡水位變化區在風浪及冰凍作用下,部分塊石護坡遭到破壞,逢強降雨時,下游砂礫石護坡破損嚴重。經現場檢查,該水庫存在的主要問題包括:

a.未按設計施工,大壩清基不徹底,直接修建在強風化泥巖上,導致壩基滲漏嚴重;褥墊層、棱柱體、貼坡等排水設施未按設計要求實施,壩體存在嚴重安全隱患。

b.左岸壩肩滲漏量大,近壩腳處滲漏沖蝕,影響壩體穩定。

c.大壩自建成尚未經歷高水位運行考驗,若繼續蓄水,大壩所存在的滲漏問題將隨著水位升高而變得更加嚴重。

d.兩岸岸坡巖體為強風化泥巖,強度較低,未進行工程處理。

e.工程無安全監測設施和水文測報系統;無地質勘察、設計變更及工程竣工驗收等重要資料;工程建設和管理混亂。

圖1 大壩設計典型斷面(單位:m)

圖2 大壩實際典型斷面(單位:m)

圖3 大壩滲漏現象

2 地質勘察結果分析

為掌握大壩實際填筑質量,獲取后續滲流和結構計算參數,通過鉆探、現場及室內試驗等手段對該水庫大壩進行了地質勘察。

在壩體取原狀土樣20組進行現場試驗,試驗結果表明:①壩體砂壤土滲透變形的主要類型為流土,允許滲透坡降為0.25,滲透系數為2.48×10-4～4.24×10-4cm/s,滲透系數偏大是造成壩體滲漏的原因之一;②通過壩基壓水試驗,壩基上部存在透水率大于10Lu的巖層,最大透水率達到24.6 Lu,這可能是形成壩基及繞壩滲漏的重要原因;③壩體壓實度不均勻,干密度相差較大,變化范圍為1.52～1.64g/cm3,孔隙比為0.630～0.748。

在壩體中取試樣2組,室內試驗結果表明:最優含水率平均為15.55％,最大干密度平均為1.805g/cm3,按壓實系數0.96乘以最大干密度計算,壩體壓實后干密度為1.732g/cm3。在壩體20組原狀土樣中,干密度均未達到1.732g/cm3,按干密度平均值1.58g/cm3計算,壓實度僅為0.87,壩體壓實度不滿足設計要求。大壩各部位用于后續計算的材料參數建議值見表1,材料強度為有效應力指標。

表1 大壩各部位材料參數建議值

3 大壩滲流安全評價

3.1 有限元滲流計算

由于該水庫無安全監測設施,因此采用有限元方法對大壩進行滲流計算進而評價大壩的滲流安全性是一條簡單易行的途徑[3]。分別對正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位下的大壩滲流穩定性進行計算分析,計算成果可為大壩的抗滑穩定計算提供依據。為評估該水庫未按設計要求實施滲流控制措施對大壩滲流及結構安全的影響程度,分別對大壩設計和實際情況的滲流穩定性進行計算分析,各筑壩材料參數仍采用此次地質勘察所得參數進行計算分析。

采用二維有限元滲流模型進行計算。根據大壩典型斷面的設計圖并考慮大壩實際情況,采用三角形和四邊形混合單元對其進行剖分,相應的材料分區及離散的有限元網格如圖4所示。按大壩設計情況計算時,考慮排水設施;按大壩實際情況計算時,將該網格中的褥墊、排水棱柱體分區替換為壩體材料,帷幕灌漿分區替換為對應位置的地基材料。滲流計算得到大壩典型斷面在正常蓄水位下的壩體與壩基的浸潤線分布如圖5所示,大壩各部位的滲漏量計算成果見表2。

圖4 大壩典型斷面有限元網格(單位:m)

表2 大壩各部位滲漏量計算成果

3.2 滲流計算成果分析

從圖5(a)按設計情況計算結果看,在大壩典型斷面考慮排水設施情況時,在截水槽、壩基灌漿的防滲作用下,結合深入壩體的褥墊層、壩腳棱柱體及貼坡的聯合排水作用,壩體內滲流場位勢衰減較快,大壩防滲及排水體系效果明顯,下游壩坡出逸點位置均位于排水棱柱體頂部高程以下接近下游地面高程,且下游出逸部位的水平坡降為0.01,遠小于允許出逸坡降0.25,因此若該水庫工程按設計進行防滲及排水設施施工,即使大壩填筑質量保持現狀,壩體防滲及下游壩坡出逸位置的安全性也是基本有保證的。

從圖5(a)按大壩實際情況計算結果看,下游壩坡出逸點高程在1306.60～1308.15m之間,壩內浸潤線較高,下游壩坡出逸點位置均位于大壩下游壩坡上部,且出逸部位的水平坡降約為1.60,已大于允許出逸坡降0.25,大壩下游壩坡極易發生滲透破壞,這與現場檢查所發現的問題相吻合。此外由于大壩實際沒有有效的截滲和排水設施,客觀導致了大壩滲流場位勢衰減較慢且壩內浸潤線較高的現狀。因此,從滲流計算結果看大壩實際的壩體防滲及下游壩坡出逸位置的滲流安全性是無保證的,存在嚴重滲流安全問題。

從表2的滲漏量計算結果看,當庫水位升至正常蓄水位時,取平均值得到大壩實際的壩基日單寬滲漏量約為2.34m3/(d·m-1),是按設計要求考慮排水設施情況壩基日單寬滲漏量(6.40×10-2m3/(d·m-1))的37倍,若壩長以941m計,則大壩壩基日滲漏量約為0.22萬m3,年滲漏量約為67.00萬m3,水庫滲漏損失大,大壩壩基防滲能力不足。

綜合現場檢查及滲流有限元的計算成果分析,該水庫大壩壩體防滲體較差,壩體及壩基滲透穩定性不滿足設計要求,大壩滲漏嚴重。實際施工中未按設計要求對大壩截水槽下壩基進行全面帷幕灌漿,未設置褥墊層、棱柱體及貼坡等排水設施,存在嚴重滲流安全隱患。

圖5 大壩典型斷面浸潤線分布(高程單位:m)

4 大壩結構安全評價

4.1 大壩結構計算

采用簡化畢肖普法[4]對大壩實際及設計情況的壩體上、下游壩坡穩定進行計算,計算過程中考慮了前述滲流場的影響。除正常運用條件外,還計算了非常運用條件Ⅰ(校核洪水位)、非常運用條件Ⅱ(地震作用下,壩址區地震動峰值加速度為0.20g,基本烈度為Ⅷ度)下的上、下游壩坡穩定。壩體上、下游壩坡抗滑穩定計算結果表見表3。

表3 壩體上、下游邊坡抗滑穩定成果

4.2 結構計算成果分析

從表3看出,正常運用條件及非常運用條件Ⅰ下,大壩上游壩坡無論是設計情況還是實際情況,最小安全系數均滿足要求,這是由于水壓力作用于上游壩坡,其抗滑力遠大于因大壩自重產生的滑動力,水庫一般運用條件下不存在整體滑動問題。在非常運用條件Ⅱ下,無論是設計情況還是實際情況,上游壩坡均出現了最小安全系數均小于允許安全系數的情況,可見大壩壩坡的抗震安全性是無保證的。

從下游壩坡抗滑穩定計算結果看,在正常運用條件及非常運用條件Ⅰ下,設計情況各工況的最小安全系數均滿足要求;而實際情況各工況均不滿足要求。可見實際情況大壩下游壩坡的抗滑穩定安全性是沒有保證的,當庫水位達到或超過正常蓄水位時,大壩下游壩坡存在結構穩定問題。

綜合大壩上、下游壩坡抗滑穩定計算結果分析,該水庫大壩出現較為嚴重的壩坡穩定性問題的根本原因是由于壩體填土壓實度不足,且大壩防滲體系作用有限,造成壩內滲流場浸潤線較高,孔隙水壓力的存在造成土體有效應力降低,直接降低了土體抗滑力,進而導致大壩下游壩坡穩定性不滿足要求。

5 結語

該水庫工程未按設計要求進行施工,工程結構不完整,實際施工中未按設計要求對大壩截水槽下的壩基進行全面帷幕灌漿,未設置褥墊層、棱柱體及貼坡等排水設施,壩體壓實度不足,導致大壩滲透安全性、結構安全性及抗震安全性均不滿足要求,此外,大壩安全監測等工程管理設施欠缺,按《水庫大壩安全評價導則》的有關規定,該工程可歸為三類壩。

[1]SL233—2008 水利水電建設工程驗收規程[S].

[2]SL258—2000 水庫大壩安全評價導則[S].

[3]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].2版.北京:中國水利水電出版社,2003.

[4]王世夏.水工設計的理論和方法[M].北京:中國水利水電出版社,2000.

Typical case study on danger cause of reservoir engineering

//LI Hongen,LI Zheng,HE Yongjun(Dam Safety and Management Department of Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

This work presents a typical case of small-sized reservoir with seepage and structural problems caused by nonstandard and not following design construction.Based on field examination and geological survey,dam seepage safety,structural stability and anti-seismic ability are analyzed.The current safety status of the project is evaluated comprehensively.The result shows:non-standard and not following design construction directly caused strict dam safety problems,such as incomplete structure of the project,unsatisfied seepage,structural and seismic safety,lack of dam safety monitoring devices etc.Hence,the project here analyzed could be classified as‘C'.

reservoir engineering;rockfill dam;danger cause;seepage calculation;anti-sliding stability

TV139.14

:A

:1006-7647(2014)06-0066-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.014

2013-10-17 編輯:周紅梅)

國家自然科學基金(51309164);江蘇省自然科學基金(BK20130072)

李宏恩(1982—),男,河北石家莊人,工程師,博士,主要從事大壩安全監測與評價研究。E-mail:heli@nhri.cn