烏魯瓦提大壩滲流的影響及控制

黃 濤

（新疆維吾爾自治區烏魯瓦提水利樞紐管理局，新疆 和田 848000）

0 引言

大壩是由透水性能差的材料構成的水工建筑物，橫跨河流，在上游側形成水庫，用于灌溉、發電、供水、防洪、航運、漁業和娛樂。大壩可分為單用途大壩和多用途大壩，大壩也可以被定義為一個阻擋水流并產生水庫的屏障，在運行過程中往往產生滲流。關于大壩潰壩的報道現在很常見，潰壩可能是由多種原因引起，其中最常見的原因是滲漏和管涌（35%）、漫頂（25%）、溢洪道侵蝕（14%）、過度變形（10%）、滑動（10%）、閘門破壞（2%）、施工失誤（2%）和地震失穩（2%）。研究表明，大部分滲漏故障是由于在故障發生之前缺乏監測和檢測的儀器[1～2]。

當土壤抵抗力小于產生土壤結構的滲透力時，土壤結構就會因水流而發生侵蝕，從而使土壤顆粒被清除并隨水流一起攜帶。土壤阻力取決于粘性、連鎖效應、土壤顆粒的重量等因素。由于通過土壤結構的滲透不均勻，當存在滲透和水流集中時，侵蝕現象增加；在這種集中出現在下游側的地方，對土壤顆粒的侵蝕力可能變得非常顯著。由于不均勻沉降、地震運動、張力應力或動物啃咬（兔子、老鼠等）造成的孔洞，這種侵蝕過程可能發生在地球結構中的任何裂縫處。有的內部侵蝕條件也存在于土壤和剛性墻、混凝土結構、與基巖地基的界面等[3～4]。本文以烏魯瓦提水利樞紐為研究對象，介紹大壩的基本滲流條件、成因、效應和控制方法。

1 工程概況

烏魯瓦提水利樞紐工程是新疆和田河西支流喀拉喀什河中游河段控制性工程，烏魯瓦提大壩為混凝土面板堆石壩(圖1)，壩址距和田市71 km，樞紐以上控制流域面積19983 km2，約占全河流域面積的90%，控制全河徑流量約97%。本工程是一項具有灌溉、防洪、發電、改善生態等綜合效益的大(2)型水利樞紐，水庫正常蓄水位1962.00 m，設計洪水標準為100 年一遇，校核洪水標準為2000 年一遇(加15%安全保證值)，設計洪水位1962.65 m，校核洪水位1963.29 m，水庫總庫容3.336 億m3。

圖1 烏魯瓦提大壩結構

2 滲漏分析

在土壤工程中，滲流是土壤中的水運動，常常是建筑基礎中的一個關鍵問題。滲透取決于幾個因素，包括土壤的滲透性和壓力梯度，本質上是通過重力和其他因素作用于水的力的組合。根據土壤結構和成分的不同，滲透性可以在很大范圍內變化，從而使大壩和水庫等結構的安全設計成為可能，而滲漏損失可以忽略不計，并使其他結構（如壩基和濾水層）的安全設計成為可能，在這些結構中，需要快速排水。大壩經常發生滲漏，如果滲漏量在設計范圍內，不會對大壩的穩定造成危害。但是，如果滲流集中或不受控制超過極限，將導致失水，降低抗剪強度，并可能導致大壩破壞。管道是滲透破壞的類型之一。當通過土壤孔隙（即滲流）的水庫水對流經的土壤顆粒施加牽引力，足以在滲流的無保護出口處將其清除時，就會發生管涌現象。管涌最初的物理表現通常是一個圓錐形的土堆，或是從斜坡流出的泥水流。土壤的清除可能會向上游推進，形成一個特征性的開口管或“管道”，通過大壩，這種現象由此而得名。儲存在壩后的水總是尋求沿阻力最小的路徑溢出或流動。這條路線可能穿過大壩，在大壩下面，或在大壩周圍。

2.1 滲流量統計

工程監測區域內共有滲流溢出點三處，即：位于主、副壩之間的下游山坡上的1905.78 m 高程的SL-1 滲水點、SL-2 滲漏點以及高程為1905.32 m 的SL-3 滲漏點；表1 及圖2 為滲漏點歷年滲流量變化；從表1 及圖2 可以看出，歷年最大滲流量呈逐漸減小的趨勢，表明大壩防滲向好的方向發展。

表1 烏魯瓦提大壩歷年滲流量統計表

圖2 烏拉瓦提大壩歷年滲流量變化

2.2 滲漏原因

導致烏拉瓦提大壩滲漏的原因主要為管涌，包括穿過壩體的管涌和穿過地基的管涌，見圖3(a)、3(b)。前者由于大壩建造時，土壤貧瘠，存在很多細小縫隙，在使用過程形成水力壓裂區域，從而產生內部侵蝕，最終水體穿過大壩形成滲漏；后者則是因為滲透性的空腔、裂縫、礫石或粗砂地層存在于壩基中，當水壓過大時水可能通過這些縫隙發生滲漏。

圖3 管涌侵蝕

2.3 防滲控制

強調定期監測和檢查對于檢測滲漏和防止潰壩至關重要，與危險等級較低的大壩相比，應更普遍地檢查等級較高的大壩。根據烏魯瓦提大壩滲流量統計，至少應每六個月對所有大壩進行一次目測檢查，在預計的重大風暴事件之前、暴雨或融雪期間或之后，并在施工完成和水庫蓄水后每周進行一次檢查。如果在堤壩或地基上檢測到滲漏，則應定期對其進行嚴密監測，直至被糾正為止。如果滲流增加或路堤土壤出現不穩定跡象，應迅速采取糾正措施。應聯系合格的巖土工程師或大壩安全專業人員，對所有高壩滲漏問題進行檢查并提出建議。

為了持續監測大壩的健康狀況，應在大壩內埋設儀器。其主要目的是觀察大壩的健康狀況，并在發生故障前采取補救措施進行監測。觀測的重要特征是孔隙壓力、沉降、應力發展和地震反應，具體儀器如下：

（1）孔隙壓力測量采用各種類型的壓力計，如簡易立管、Cass 級多孔管、氣動式、電動式等閉式液壓式。通常最好采用閉式液壓。

（2）沉降計或垂直移動裝置用于測量大壩固結和地基沉降。使用的儀器有橫臂、液位裝置、表面紀念碑。

（3）測量內部應變或相對運動的水平移動裝置。類型為USBR垂直橫臂，配備水平運動記錄器、引伸計、傾角計和表面參考點。

（4）大壩地震活動測量（地震影響區）包括強震加速度計、結構響應記錄儀、地震范圍、壓力傳感器。

測壓儀等儀器應位于壩基和壩基的若干高程處。

3 結論

以烏拉瓦提大壩為研究對象對大壩的滲流原因、影響以及防控進行闡述，主要得出以下結論：大壩材料為混凝土面板堆石，由于水流或滲透通過大壩、堤壩和其他含水土結構而引起的內部侵蝕。滲漏狀況是管涌、內部侵蝕、可溶巖石溶解。歷年最大滲流量呈逐漸減小的趨勢，表明大壩防滲向好的方向發展。