烏魯瓦提大壩滲流的影響及控制

黃 濤

（新疆維吾爾自治區(qū)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(gòu)成的水工建筑物，橫跨河流，在上游側(cè)形成水庫，用于灌溉、發(fā)電、供水、防洪、航運(yùn)、漁業(yè)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(gè)阻擋水流并產(chǎn)生水庫的屏障，在運(yùn)行過程中往往產(chǎn)生滲流。關(guān)于大壩潰壩的報(bào)道現(xiàn)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(dòng)（10%）、閘門破壞（2%）、施工失誤（2%）和地震失穩(wěn)（2%）。研究表明，大部分滲漏故障是由于在故障發(fā)生之前缺乏監(jiān)測和檢測的儀器[1～2]。

當(dāng)土壤抵抗力小于產(chǎn)生土壤結(jié)構(gòu)的滲透力時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)就會(huì)因水流而發(fā)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(yīng)、土壤顆粒的重量等因素。由于通過土壤結(jié)構(gòu)的滲透不均勻，當(dāng)存在滲透和水流集中時(shí)，侵蝕現(xiàn)象增加；在這種集中出現(xiàn)在下游側(cè)的地方，對(duì)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(yùn)動(dòng)、張力應(yīng)力或動(dòng)物啃咬（兔子、老鼠等）造成的孔洞，這種侵蝕過程可能發(fā)生在地球結(jié)構(gòu)中的任何裂縫處。有的內(nèi)部侵蝕條件也存在于土壤和剛性墻、混凝土結(jié)構(gòu)、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(duì)象，介紹大壩的基本滲流條件、成因、效應(yīng)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(xiàng)具有灌溉、防洪、發(fā)電、改善生態(tài)等綜合效益的大(2)型水利樞紐，水庫正常蓄水位1962.00 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000 年一遇(加15%安全保證值)，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)

2 滲漏分析

在土壤工程中，滲流是土壤中的水運(yùn)動(dòng)，常常是建筑基礎(chǔ)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。滲透取決于幾個(gè)因素，包括土壤的滲透性和壓力梯度，本質(zhì)上是通過重力和其他因素作用于水的力的組合。根據(jù)土壤結(jié)構(gòu)和成分的不同，滲透性可以在很大范圍內(nèi)變化，從而使大壩和水庫等結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)成為可能，而滲漏損失可以忽略不計(jì)，并使其他結(jié)構(gòu)（如壩基和濾水層）的安全設(shè)計(jì)成為可能，在這些結(jié)構(gòu)中，需要快速排水。大壩經(jīng)常發(fā)生滲漏，如果滲漏量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)大壩的穩(wěn)定造成危害。但是，如果滲流集中或不受控制超過極限，將導(dǎo)致失水，降低抗剪強(qiáng)度，并可能導(dǎo)致大壩破壞。管道是滲透破壞的類型之一。當(dāng)通過土壤孔隙（即滲流）的水庫水對(duì)流經(jīng)的土壤顆粒施加牽引力，足以在滲流的無保護(hù)出口處將其清除時(shí)，就會(huì)發(fā)生管涌現(xiàn)象。管涌最初的物理表現(xiàn)通常是一個(gè)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(huì)向上游推進(jìn)，形成一個(gè)特征性的開口管或“管道”，通過大壩，這種現(xiàn)象由此而得名。儲(chǔ)存在壩后的水總是尋求沿阻力最小的路徑溢出或流動(dòng)。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(tǒng)計(jì)

工程監(jiān)測區(qū)域內(nèi)共有滲流溢出點(diǎn)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(diǎn)、SL-2 滲漏點(diǎn)以及高程為1905.32 m 的SL-3 滲漏點(diǎn)；表1 及圖2 為滲漏點(diǎn)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(fā)展。

表1 烏魯瓦提大壩歷年滲流量統(tǒng)計(jì)表

圖2 烏拉瓦提大壩歷年滲流量變化

2.2 滲漏原因

導(dǎo)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(shí)，土壤貧瘠，存在很多細(xì)小縫隙，在使用過程形成水力壓裂區(qū)域，從而產(chǎn)生內(nèi)部侵蝕，最終水體穿過大壩形成滲漏；后者則是因?yàn)闈B透性的空腔、裂縫、礫石或粗砂地層存在于壩基中，當(dāng)水壓過大時(shí)水可能通過這些縫隙發(fā)生滲漏。

圖3 管涌侵蝕

2.3 防滲控制

強(qiáng)調(diào)定期監(jiān)測和檢查對(duì)于檢測滲漏和防止?jié)沃陵P(guān)重要，與危險(xiǎn)等級(jí)較低的大壩相比，應(yīng)更普遍地檢查等級(jí)較高的大壩。根據(jù)烏魯瓦提大壩滲流量統(tǒng)計(jì)，至少應(yīng)每六個(gè)月對(duì)所有大壩進(jìn)行一次目測檢查，在預(yù)計(jì)的重大風(fēng)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(jìn)行一次檢查。如果在堤壩或地基上檢測到滲漏，則應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測，直至被糾正為止。如果滲流增加或路堤土壤出現(xiàn)不穩(wěn)定跡象，應(yīng)迅速采取糾正措施。應(yīng)聯(lián)系合格的巖土工程師或大壩安全專業(yè)人員，對(duì)所有高壩滲漏問題進(jìn)行檢查并提出建議。

為了持續(xù)監(jiān)測大壩的健康狀況，應(yīng)在大壩內(nèi)埋設(shè)儀器。其主要目的是觀察大壩的健康狀況，并在發(fā)生故障前采取補(bǔ)救措施進(jìn)行監(jiān)測。觀測的重要特征是孔隙壓力、沉降、應(yīng)力發(fā)展和地震反應(yīng)，具體儀器如下：

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

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

（3）測量內(nèi)部應(yīng)變或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的水平移動(dòng)裝置。類型為USBR垂直橫臂，配備水平運(yùn)動(dòng)記錄器、引伸計(jì)、傾角計(jì)和表面參考點(diǎn)。

（4）大壩地震活動(dòng)測量（地震影響區(qū)）包括強(qiáng)震加速度計(jì)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)記錄儀、地震范圍、壓力傳感器。

測壓儀等儀器應(yīng)位于壩基和壩基的若干高程處。

3 結(jié)論

以烏拉瓦提大壩為研究對(duì)象對(duì)大壩的滲流原因、影響以及防控進(jìn)行闡述，主要得出以下結(jié)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(jié)構(gòu)而引起的內(nèi)部侵蝕。滲漏狀況是管涌、內(nèi)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(fā)展。