某水庫排水棱體工作性態及淤堵原因分析

(1.江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術研究中心，江西 南昌 330029)

土工織物是一種應用較為廣泛的巖土工程材料，具有穩定性強、質量輕、造價低、便于運輸和施工等優點，土工織物的價格比砂石反濾料要低廉得多，且可以縮短工期、降低費用，因此發展潛力大[1]。經常替代砂石反濾料，作為反濾排水材料應用于大壩排水棱體中[2-4]。然而，無紡布在使用后可能發生不同程度的淤堵，進而導致壩體滲水無法排出，對壩體安全造成危害。

某水庫2004年除險加固翻修排水棱體過程中，在壩腳土體與砂礫石層間增設了一道土工布。此次勘查時(庫水位 68.53 m)，發現大壩下游坡出現大面積濕潤區及多股滲水，靠近右側的混凝土排水溝底部亦出現多處滲水點，為對壩坡的滲流穩定性進行評價，需對排水棱體工作性態及淤堵原因進行分析。

1 工程概況

某水庫控制流域面積 55.2 km2，按50 a一遇洪水標準設計，1 000 a一遇洪水標準校核，總庫容為 5 079萬m3。正常蓄水位 74.00 m，死水位51.20 m，灌溉面積 4萬hm2，電站裝機500 kW，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發電等綜合效益的中型水庫。

大壩為心墻壩，壩頂高程79.46 m，壩頂長446.0 m，寬 6.0 m，最大壩高 36.0 m。大壩上游為混凝土預制塊護坡，在高程 67.24 m設有寬 2.0 m的馬道，坡度自上而下分別為1 ∶3.23、1 ∶4.14，高程 67.24～55.00 m之間為干砌塊石護坡，高程 55.00 m以下為拋石固腳；下游為草皮護坡，在高程 64.00 m處設一級馬道，坡度自上而下分別為1∶2.52、1∶2.67。坡面設排水系統，排水棱體頂高程49.00m。大壩典型橫斷面見圖1，排水棱體大樣見圖2。

2 滲流計算模型

圖1 大壩典型橫斷面

圖2 排水棱體大樣

D.G.Frelund等[5]的研究表明，與飽和土體中滲流一樣，非飽和土中滲流也符合達西定律和連續性方程。只是在非飽和土中滲透系數不再是常數，而是隨基質吸力變化的函數，且土中體積含水率隨時間變化而改變。將達西定律導入滲流連續性方程，可得到非飽和土的滲流控制方程為

(1)

式中，kx、ky分別為x和y方向的滲透系數，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。

3 滲流計算及排水棱體工作性態分析

3.1 滲流計算分析

大壩的滲透分區及滲透系數取值根據除險加固階段地質勘察報告、土工試驗成果及除險加固質量評價報告確定。壩體分為一個滲透區，壩基分為兩個滲透區。大壩滲流計算采用GeoStudio軟件進行有限元分析，分別對排水棱體有效和排水棱體完全淤堵失效兩種情況進行了計算。大壩各分區的滲透系數取值見表1，計算成果見圖3，4。

表1 大壩各分區的滲透系數取值

注：滲透系數中括號內為淤堵失效時取值。

圖3 排水棱體有效狀態滲流計算

圖4 排水棱體完全失效狀態滲流計算

3.2 排水棱體工作性態分析

由滲流計算分析成果可知：①當排水棱體有效時，壩體內浸潤線較低，壩體滲水在排水棱體內出逸；②當排水棱體完全淤堵失效時，壩體內浸潤線較高，壩體滲水在排水棱體以上出逸，出逸點高程53.12 m(對應上游水位 68.53 m)；③目前排水棱體的工作狀態。通過滲流計算，出逸點高程與勘察時下游壩體干濕分界線高程較接近，符合實際工作狀況，說明排水棱體已淤堵失效。此外，水庫管理單位于2013年在排水棱體頂部采用土鉆對土工布進行穿孔。施工結束初期，下游壩腳水位局部降低，但運行數年后，鉆孔被土體淤塞，壩腳水位再次抬高。以上處理結果進一步驗證了排水棱體失效的結論。

經壩體穩定復核計算，當反濾排水棱體淤堵時，瑞典圓弧法最小安全系數均滿足規范要求，在設計工況(74.00 m)和校核工況(76.43 m)下采用畢肖普法計算出最小安全系數分別為1.283、1.268，均小于允許值1.30，不滿足規范要求。因此，排水棱體失效導致壩體滲水無法正常排出，壩體浸潤線升高，嚴重影響壩體滲透穩定及壩坡結構穩定。

4 淤堵原因分析

用土工織物作濾層時，水從被保護土中流過織物，在流動過程中可能使土顆粒封閉織物表面孔口或堵塞在織物內部，出現淤堵現象，使滲透流量減小。淤堵嚴重時會使濾層失去排水過濾作用，給工程造成危害[6]。翟超[7-8]等通過室內模擬試驗分析了黏性土中土工布淤堵的機理，并將其影響因素總結為土體密實度、黏粒含量、水力梯度、土工織物等效孔徑4個因素。綜合分析，某水庫排水棱體淤堵主要原因如下。

(1) 壩體填土成分。根據地勘報告，壩體土為黃色及紅褐色粉質黏土及粉土，土體中粗粒含量較少，細顆粒含量較多。在同等水頭作用下，粉質黏土的水力梯度大于粉土，因此，粉質黏土中的滲透力也相應大于粉土。細顆粒在滲透力作用下更容易進入土工布的孔隙中，最終導致土工布堵塞甚至淤堵失效。

(2)砂墊層顆粒級配。由于土工布與砂墊層直接接觸，滲徑較短，若未按連續級配進行設計，在滲透力作用下細砂極易進入土工布的孔隙中，進而加劇土工布的淤堵程度。

5 建 議

鑒于水庫出現的以上滲流隱患，為排除隱患，確保大壩安全運行，建議管理單位盡快進行以下處理措施。

(1) 對排水棱體進行翻修。對排水棱體進行開挖后，將土工布進行清理。鑒于壩體填土細粒土含量較多，建議按規范要求鋪設砂卵石層以替換原有土工布進行反濾保護，最后按原設計棱體頂高程、內外坡比進行結構復原。

(2)加強巡視檢查及滲流觀測。翻修排水棱體后，加密巡視檢查及測壓管水位的觀測頻次，并評價排水棱體的工作性態，確保壩體滲水在排水棱體內出逸。

根據以上分析，建議大壩設計與施工中應注意以下問題。

(1)按土體特性合理選擇土工布。對于細顆粒含量較多的土體，應對土體進行顆粒分析。土體中細顆粒含量越多，相對而言，在滲透力作用下進入土工布空隙并堵塞土工布表面及內部的可能性越高，發生淤堵的概率也越高。因此，設計時應按土體滲透性和顆粒分析合理確定土工布的物理指標和力學性能指標。

(2)適當增大砂墊層的厚度及粒徑大小。唐正濤[9-10]等通過模擬現場工況土工布淤堵試驗發現，適當增大砂層厚度將延長土顆粒向土工布移動的滲徑，在級配連續的條件下，隨著砂的細度模數的增大，從中砂過渡到粗砂，土工布中單位體積含土量也在減少。因此，在設計中宜適當增大砂墊層的厚度及粒徑大小，建議采用細度模數 3.1～3.7的連續級配粗砂作為墊層用砂，砂墊層厚度增大到15 cm，以減小淤堵的可能性。