土石壩內部侵蝕的最新研究成果

水電論壇

土石壩內部侵蝕的最新研究成果

內部侵蝕是威脅土石壩土堤安全的因素之一。介紹了2015年秋季期間舉行的以大壩內部侵蝕為議題的重要會議。從內部侵蝕分類、監測及修復等方面，總結了土石壩、堤壩及防洪堤內部侵蝕的最新研究成果，提出了大壩安全風險評估的新方法。

土石壩；內部侵蝕；監測及修復；研究成果

1 有關內部侵蝕的重要會議

2015年秋季，大壩內部侵蝕問題被列入了一系列重要會議日程。這些會議包括：在英國愛丁堡舉行的第十六屆歐洲土力學及巖土工程研討會(XVI ECSMGE)、國際大壩委員會大壩內部侵蝕專業歐洲工作組(EWGIE)年度會議(該會議與第十六屆國際大壩監測會議聯合舉行)、在波蘭維爾克姆拉(Wierchomla)舉行的兩年一度的波蘭國家委員會工作會議以及在荷蘭鹿特丹舉辦的第五屆巖土工程安全與風險國際研討會(ISGSR V)。

在以上會議中，R.布萊德爾分別以不同方式介紹了現有大壩、堤壩和防洪堤的內部侵蝕現狀，即國際大壩委員會(ICOLD)164號公告。該公告包含了EWGIE近年的主要工作成果和內部侵蝕機理的最新研究成果。如今這些成果經常被研究內部侵蝕的論文引用，同時還廣泛應用于大壩及其他巖土工程結構的內部侵蝕檢測。目前，164號公告的第1卷已經編完，并于2015年2月19日完成了最終預印本，可在ICOLD網站上查閱。第2卷基本編完，將在2016年ICOLD約翰內斯堡年會(5月15～20日舉行)之前提交給ICOLD國家委員會并征求其意見。第2卷的最新版也已發布在ICOLD官方網站上。

在波蘭國家委員會工作會議上，EWGIE成員對該工作組過去、現在以及未來的工作作了報告。波蘭的業內人士認為164號公告為內部侵蝕機理研究提供了新思路，可應用于解決現有大壩的內部侵蝕問題。會上，EWGIE主席S.邦內爾博士(來自法國環境與農業科技研究院)和EWGIE前主席J.J.弗萊博士(來自法國電力集團)作了關于內部侵蝕研究進展的專題發言，包括內部侵蝕探測、試驗和分析等。他們也對未來的研究工作進行了展望，強調了理論上的不足之處會進一步激勵研究者和工程師在實際工作中拓寬知識面，提高164號公告的適用性。

內部侵蝕現象的發生，可能會通過4種模式破壞建筑物，即潛蝕、接觸侵蝕、逆向侵蝕、集中滲漏侵蝕。本文將介紹上述會議期間所展示的內部侵蝕最新研究成果。

2 潛 蝕

在XVI ECSMGE上，來自英國謝菲爾德大學的E.鮑曼博士演示了潛蝕的過程，即細顆粒穿過粗顆粒基質之間的孔隙被滲流帶走，當細顆粒大量流失時，會導致粗顆粒基質坍塌，最終發生潛蝕破壞。鮑曼博士還再現了斯開普頓和布羅根(Skempton and Brogan)的經典試驗，并指出隨著細顆粒含量的增加，細顆粒與粗顆粒承受同等應力，疏松土體容易發生液化和隆脹。此外，來自倫敦帝國理工學院的T.夏爾博士和他的同事也展示了利用離散單元模型檢測潛蝕破壞的研究成果。

EWGIE年度會議期間，來自瑞典呂勒奧大學的H.洛克韋斯特博士介紹了其最近完成的博士畢業論文，他在論文中預測了瑞典國內土石壩的冰磧土心墻及其粗顆粒反濾層遭受潛蝕破壞的可能性。法國南特大學的D.馬羅特教授介紹了其關于持續水力負荷下不同應力狀態下潛蝕破壞的研究。

此外，來自倫敦帝國理工學院的H.泰勒正在進行利用顯微CT掃描技術檢測玻璃珠和不規則砂粒潛蝕破壞的試驗。通過模擬窄粒度分布，證明了窄粒度級配中的粗顆粒粒徑比先前通過其他方法估算的要小，從而限制了細顆粒通過的孔隙空間，解釋了有些通過當前方法鑒定為易潛蝕的土體實際上并未發生潛蝕破壞的原因。

3 逆向侵蝕

來自荷蘭三角洲研究學院的V.V.貝克總結了逆向侵蝕的機理，重點闡述了管涌形成的條件，包括：①三維侵蝕，即通過承壓含水層的缺口形成滲流通道，在含水層提供的低水頭條件下啟動和維持逆向侵蝕；②二維侵蝕(發布在ICOLD164號公告中)，即無承壓含水層時，需要較高水頭來啟動和維持逆向侵蝕，壩基砂土層在逆向侵蝕作用下暴露在表面，并沿著下游面壩趾為侵蝕水流提供自由出口。

來自澳大利亞新南威爾士大學的R.艾倫介紹了關于逆向侵蝕的最新研究成果。她特別指出，若下游面砂土基層上方無承壓含水層覆蓋，一旦發生逆向侵蝕，將持續朝水庫方向發展；若有承壓含水層覆蓋，侵蝕將在該含水層的缺口處啟動，形成砂沸，但是不一定會持續朝水庫方向發展，僅當臨界水力梯度較大時，才有可能朝水庫方向發展。

來自美國陸軍工程團(USACE)實驗室的B.羅賓斯介紹了正在進行的試驗和數據分析情況。在ISGSRV上，J.賴斯博士介紹了美國猶他大學有關逆向侵蝕的研究，指出了易發生逆向侵蝕的地貌特征，其案例為決口扇，即河水暴漲引起天然河堤潰決后，在下游決口處形成的扇形泥砂礫沉積。來自USACE的M.科克倫表示，為解決此類河流潛在的逆向侵蝕破壞，USACE最先對砂礫進行了逆向侵蝕試驗，其粒徑比均勻中砂(d50=0.3mm)稍大，并與中砂的逆向侵蝕試驗結果進行了對比。

V.V.貝克和來自加拿大魁北克水電公司的M.史密斯運用澤爾邁爾(Sellmeijer)方法檢測黏土層下部砂土發生逆向侵蝕破壞的可能性。上升流可穿過黏土層流入大壩和水庫下游的湖泊中，壩體和水庫為上升流流入下游湖泊提供了壓力水頭。全球地理分析數據為該試驗提供了許多有價值的詳細資料，例如覆蓋壩址黏土層的厚度等。他隨后進行了詳細的內部侵蝕調查，包括黏土層坡面下方發生逆向侵蝕的可能性，而在坡面下方啟動逆向侵蝕所需的水力梯度比水平面下方所需水力梯度小。

在XVI ECSMGE上，R.布萊德爾介紹了他和S.梅塞克林格的論文。他們認為，1907年蒙大納州霍瑟(Hauser)大壩潰壩的原因可能是逆向侵蝕破壞，而向上發展的逆向侵蝕也解釋了伊朗拉爾(Lar)壩形成圓錐形滲坑的原因。

4 集中滲漏侵蝕

在EWGIE年度會議期間，來自捷克布爾諾大學的M.雷哈教授分析了孔侵蝕試驗中的水力學條件，用于確定土壤的臨界剪切應力和水力作用下的抗剪強度，進而檢測墻體裂縫及缺口的土體發生集中滲漏侵蝕的可能性。水流產生的剪切應力可以被計算出來，并與穿過墻體裂縫及缺口水流的剪切應力進行比較，他指出如果不考慮入口和出口的水力梯度損失，臨界剪切應力估算值將會偏高2個系數。

此外，來自波蘭的A.達布斯卡介紹了薄下承層的滲透性檢驗。來自葡萄牙國家土木工程實驗室的R.C.桑托斯博士介紹了壩體上游過渡區和下游反濾層對分區土石壩滲流量限制和內部侵蝕影響的試驗研究。

5 內部侵蝕監測、試驗及修復

K.拉德斯基博士(來自波蘭克拉科夫大學)、S.博內利博士及合著者展示了其論文，他們利用水力熱力耦合計算模型分析溫度監測數據，并利用該數據驗證波蘭克孜勞爾·戈拉(Kozlowa Gora)大壩壩基的假設滲漏及侵蝕過程。

來自Geophy公司的R.貝金博士介紹了法國運河堤沿線安裝80 km長光纖監測系統的成功經驗。有趣的是，由于光纖埋深較淺(一般小于1 m，具體根據土層滲透性確定)，監測系統有時會監測到暴雨數據。但這并不影響監測系統識別新滲漏點的能力，因為一直使用兩種不同的程序包反演監測結果，其中一種是純統計軟件，該軟件不受特定時間和空間現象的影響。此外，J.J.弗萊博士介紹了法國ERINOH研究項目數據庫中記錄的有關內部侵蝕事故的經驗教訓。

R.托雷斯介紹了一種檢測壩體上部侵蝕的方法，并在美國某大壩的上部進行了試驗。試驗前先將水庫蓄水位提高5 m，通過檢測，未發現缺陷。同時，若能在洪峰來臨前及時下泄增加的蓄水，該方法還可用于檢測其他壩體壩頂裂縫和溢洪道擋土墻侵蝕問題。

來自比利時的G.赫里厄介紹了用石灰處理土壤，以防控表面及內部侵蝕的經驗。H.里斯曼和P.班茨哈夫的合著論文總結了混凝土防滲墻技術，其中包含150 m深的地下連續墻、80 m深的咬合樁墻以及25 m深(有些情況下為40 m)的混合墻。

6 大壩風險評估

在ISGSRV大壩風險專題討論會上，會議組織者D.保羅博(ICOLD土石壩委員會美國代表，來自USACE)和ICOLD大壩安全委員會主席A.杰林斯基介紹了評估大壩風險的方法，并演示了內部系統運行對大壩安全的影響。ICOLD數值分析委員會主席I.埃斯庫德教授探討了大壩安全風險的治理方法，他提到風險的積累源于知識缺乏及其應用經驗的不足。來自美國大壩協會(USSD)土石壩委員會的J.弗朗斯介紹了美國當前大壩風險評估及防治大壩內部侵蝕的方法，該方法是在卡特里娜颶風襲擊新奧爾良后，由澳大利亞的R.菲爾教授、USACE和美國墾務局(USBR)利用Piping Toolbox軟件共同研發的。

會議最后，ICOLD土石壩委員會英國代表R.布萊德爾指出，ICOLD164號公告對現有大壩、堤壩和防洪堤內部侵蝕的研究成果使人們能夠估算內部侵蝕引起潰壩時的庫水位。該庫水位的年發生概率可以通過洪水水文資料估算，進而估算大壩失事的概率；再結合潰壩導致的生命財產損失估算，就可獲得內部侵蝕造成的大壩失事風險。

也可以采用相似的方法評估漫頂或地震引起大壩失事的概率和風險。大壩安全風險評估的復雜性在于其失事的概率永遠不可能為零，如果可能導致人身傷亡，則必須確定一個可接受的概率，這對工程師和社會來說都是一項挑戰。

周 榮 孫 言 譯

(編輯：陳紫薇)

1006-0081(2017)01-0015-03

2016-10-29

TV641

A