淺談沙壩的滲流控制

王錦峰，楊鑫平

(1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710001；2.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

沙漠地區(qū)缺乏防滲土料，水庫大壩多為水墜沙壩，壩基和壩體材料為細(xì)沙，滲透性強(qiáng)，允許滲透比降很小，因此對(duì)滲漏量和滲透破壞的控制都很關(guān)鍵。近年來陜北沙漠新建了很多水庫，大壩為均質(zhì)沙壩，有幾座水庫出現(xiàn)了不同程度的滲透破壞，李家梁水庫就是其中之一，筆者對(duì)李家梁水庫的滲透破壞進(jìn)行了研究分析，提出工程設(shè)計(jì)中存在的問題，總結(jié)出沙壩滲流控制的要點(diǎn)和工程措施。

1 李家梁水庫工程概況

李家梁水庫位于榆林市西北約40 km，地處毛烏蘇沙漠邊緣，是一座以供水為主的中型水庫，水庫正常蓄水位1 167.60 m，總庫容2 340萬m3，調(diào)節(jié)庫容1 690萬m3。大壩為均質(zhì)砂壩，壩頂高程1 170.00 m，最大壩高25 m，上下游壩面坡坡比為1∶3和1∶3.5。

壩址河谷呈“U”形，地表多為新近堆積的移動(dòng)新月型沙丘和沙梁，壩基為第四系堆積沙土，不均勻系數(shù)2.5，滲透系數(shù)3.67×10-3cm/s，臨界滲透比降0.251，厚度大于70 m(勘察過程中鉆孔未見基巖)。大壩為水墜沙壩，壩體沙土不均勻系數(shù)3.0，滲透系數(shù)1.28×10-2cm/s，臨界滲透比降0.246。防滲采用上游面斜鋪復(fù)合土工膜的水平防滲型式，河庫及兩岸鋪設(shè)長(zhǎng)100 m的復(fù)合土工膜。下游壩腳設(shè)置反濾體，由于當(dāng)?shù)厝鄙俜礊V料，采用了1層無紡?fù)凉げ己?層20 cm厚的礫石作為反濾。大壩的典型剖面和壩后反濾體的設(shè)計(jì)見圖1、2。

水庫蓄水運(yùn)行后，當(dāng)庫水位達(dá)到1 162.00～1 163.40 m時(shí)，壩后出現(xiàn)多處涌水冒沙現(xiàn)象，壩后反濾體位置浸潤(rùn)線偏高，測(cè)水堰測(cè)量的滲漏量大約為80 L/s，約合日滲漏量為7 000 m3。

2 防滲方案選擇

由于壩基為細(xì)沙，滲透系數(shù)3.67×10-3cm/s，透水性強(qiáng)，厚度超過70 m，對(duì)于修建25 m高的大壩，采用垂直防滲不僅投資很高，也無法解決繞壩滲漏問題，設(shè)計(jì)采用鋪設(shè)復(fù)合土工膜的水平防滲型式是合理的。對(duì)于庫底土工膜鋪設(shè)長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)進(jìn)行了不同鋪設(shè)長(zhǎng)度的滲流計(jì)算，滲漏量的計(jì)算成果見表1。

圖1 原設(shè)計(jì)剖面圖 單位：m

圖2 原壩后反濾體設(shè)計(jì)圖 單位：高程，m；其它，mm

庫底土工膜鋪設(shè)長(zhǎng)度/m排水渠底滲透比降(設(shè)反濾)排水渠底滲透比降(不設(shè)反濾)單寬滲漏量/[m3·(d·m)-1]總滲漏量/(m3·d-1)總滲漏量差值/(m3·d-1)無20501002003004005000．200．110．10．090．080．070．070．070．450．300．260．250．230．220．210．2181．6546．6641．636．3331．2829．5928．9628．72408252333020800181651564014795144801436017495253026352525845315120

由表1可以看出不采取任何防治措施，日滲漏量為40 825 m3/d，鋪設(shè)土工膜后滲漏量明顯減少，隨著庫底土工膜鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，滲漏量逐漸減小，壩后排水渠滲透比降也隨之減小。但當(dāng)土工膜鋪設(shè)長(zhǎng)度大于200 m后，滲漏減小并不明顯，排水渠滲透比降基本不變。所以一味地增加庫底土工膜鋪設(shè)長(zhǎng)度并沒有太大意義，因此原設(shè)計(jì)考慮節(jié)約工程投資的因素，采用100 m長(zhǎng)的庫底鋪設(shè)長(zhǎng)度是比較合適的，日滲漏量為18 165 m3，較不采取任何防滲措施的日滲漏量40 825 m3減少56%。筆者認(rèn)為，鋪設(shè)200 m長(zhǎng)的滲漏量較100 m長(zhǎng)減少13.9%，日滲漏量減少2 525 m3，在水資源嚴(yán)重缺乏的沙漠地區(qū)，如果經(jīng)濟(jì)允許的話，最好將庫底鋪設(shè)長(zhǎng)度增加至200 m長(zhǎng)。

3 滲流破壞原因分析

對(duì)水庫運(yùn)行的幾年滲流觀測(cè)資料進(jìn)行整理，繪制出庫水位1 162.00 m時(shí)的大壩浸潤(rùn)線，并按原設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算出庫水位1 162.00 m對(duì)應(yīng)的浸潤(rùn)線，將這2條浸潤(rùn)線進(jìn)行對(duì)比(見圖3)，在反濾體上游處，實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線高出設(shè)計(jì)浸潤(rùn)線1.2 m。

圖3 實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線與設(shè)計(jì)浸潤(rùn)線對(duì)比圖 單位：m

針對(duì)壩后出現(xiàn)的涌水冒沙現(xiàn)象，在冒沙嚴(yán)重的地段對(duì)反濾體進(jìn)行了拆除檢查，反濾體外部全部包裹土工布，而排水渠底部卻未設(shè)土工布。發(fā)現(xiàn)土工布進(jìn)水側(cè)沙土的顏色變?yōu)闇\灰黑色，土工布上下游形成不小于0.3 m高差的水頭，可見土工布有一定的阻水作用。為了查清滲透破壞的原因，對(duì)壩基和壩體土重新進(jìn)行了地質(zhì)勘察，并模擬反濾體排水性能降低進(jìn)行大壩滲流計(jì)算，結(jié)果見表2。實(shí)測(cè)每天滲漏量約為7 000 m3，壩下0+008 m、壩下0+036 m、壩下0+072 m實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線高程在1 162.00 m水位時(shí)大致高程分別為1 152.50 、1 150.80、1 148.30 m，與滲流計(jì)算中1 162.00 m水位+排水失效的浸潤(rùn)線高程十分吻合。排水渠底部的滲透比降達(dá)到了0.39，大于壩基土的臨界滲透比降0.251，因此發(fā)生了滲透破壞，由于壩基沙土的不均勻系數(shù)為2.5，因此破壞形式為流土，表現(xiàn)為沸騰狀的涌水冒沙。隨著壩基沙土的逐漸流失，壩基被掏空，將會(huì)導(dǎo)致潰壩失事。

原設(shè)計(jì)反濾結(jié)構(gòu)為1層無紡?fù)凉げ己?層20 cm厚的礫石，用土工布將反濾體全部包裹，但在排水渠底部未設(shè)土工布，只考慮到將反濾體上游的沙土進(jìn)行保護(hù)。壩體沙土的滲透系數(shù)為1.28×10-2cm/s，強(qiáng)透水性，在大壩運(yùn)行一段時(shí)間后，無紡?fù)凉げ急患?xì)顆粒填充，滲透性降低，導(dǎo)致了反濾體上游側(cè)的浸潤(rùn)線抬高，增加了反濾體上下游水位差，從而使排水渠中底部的滲透比降增加，發(fā)生滲透破壞。筆者認(rèn)為，如果將排水渠周圍也用土工布進(jìn)行保護(hù)，也發(fā)生涌水冒沙的機(jī)率會(huì)大大降低。

表2 滲流計(jì)算成果表

為了從根本上徹底解決壩后滲透破壞，對(duì)原反濾進(jìn)行拆除，新建的反濾體分為2層:1層粗砂反濾;1層礫石反濾，厚度均為30 cm。并將反濾體的長(zhǎng)度由13 m增加到25 m，對(duì)排水渠的周圍設(shè)置土工布進(jìn)行保護(hù)。經(jīng)計(jì)算，正常蓄水位時(shí)排水渠底部的滲透比降為0.07，遠(yuǎn)小于壩基土的臨界滲透比降。

4 滲流控制要點(diǎn)

4.1 滲漏量控制

對(duì)于相對(duì)不透水層埋深不大的工程，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件允許的條件下，最好采用垂直防滲的方案，徹底解決大壩滲漏問題。像李家梁水庫這樣的在沙漠中修建的大壩工程大多壩基滲透性強(qiáng)，且相對(duì)不透水層埋藏很深，很難采取垂直防滲方案，只能通過水平鋪蓋延長(zhǎng)滲徑的方法減少滲漏量，不能在根本上解決滲漏問題，只能適當(dāng)?shù)臏p少滲漏量。從李家梁水庫的防滲長(zhǎng)度計(jì)算成果可以看出，當(dāng)庫底土工膜鋪設(shè)長(zhǎng)度大于10倍蓄水水頭后，增加土工膜鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)滲漏量的影響已經(jīng)很小，因此應(yīng)綜合考慮工程的經(jīng)濟(jì)性，合理選擇土工膜的鋪設(shè)范圍。

4.2 滲透比降控制

沙土的臨界滲透比降很小，李家梁水庫壩基土臨界滲透比降0.251，壩體土臨界滲透比降0.246，極易發(fā)生滲透破壞。為了說明壩后設(shè)置反濾的必要性，在表1中分別列出了壩后設(shè)反濾和不設(shè)反濾2種情況下排水渠滲透比降的計(jì)算值，設(shè)置反濾后的滲透比降約為不設(shè)反濾的1/3，對(duì)降低滲透比降有顯著效果。

李家梁水庫原設(shè)計(jì)沒有通過試驗(yàn)驗(yàn)證土工布作為反濾的可靠性，在工程運(yùn)行中由于土工布淤堵形成阻水作用，導(dǎo)致浸潤(rùn)線抬高發(fā)生了滲透破壞。因此反濾設(shè)計(jì)的內(nèi)容應(yīng)包括2個(gè)方面：一是被保護(hù)土不流失；二是反濾層的透水性一定要大于被保護(hù)土。對(duì)于重要部位的反濾設(shè)計(jì)，必須通過試驗(yàn)確定。

5 結(jié) 語

中國北部及西北部蘊(yùn)藏著大量的石油、煤炭資源，西部大開發(fā)帶動(dòng)了新疆、甘肅、內(nèi)蒙、陜北等沙漠地區(qū)的石油化工和煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然而這些地區(qū)的水資源稀缺，為了適應(yīng)工業(yè)的發(fā)展，不得不在沙漠地區(qū)開發(fā)利用水資源，在沙漠中修建水庫成為必然。水庫運(yùn)行安全是保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前題。沙土滲透性強(qiáng)，抗?jié)B透能力差，沙壩的滲流控制是工程設(shè)計(jì)中的核心問題，做好防滲，減小水庫滲漏量，更為重要的是防止?jié)B透破壞。工程設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行充分的計(jì)算分析及試驗(yàn)論證，采用合理可靠的工程措施保證水庫的安全運(yùn)行。

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