肖家山水庫主壩異常滲流成因分析

張貴金，黎景智，梁經(jīng)緯，譚守禮，戴宏基

（1. 長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007；3. 肖家山水庫管理所，湖南 郴州 423000）

1 概 述

引起土石壩安全問題的原因多種多樣，由滲流問題導(dǎo)致的各類事故占很大比重[1]。由于滲流而造成的破壞形式主要有：壩身或壩體中出現(xiàn)管涌通道、壩基滲流出現(xiàn)管涌通道、坡面遭到滲流沖蝕、背水坡腳出現(xiàn)濕軟滑坡、波浪沖刷上游坡面、上游壩坡由于水位驟降而滑坡等[2～3]。

湖南肖家山水庫位于湘江流域耒水一級支流西水上游，建成于1976 年。水庫控制集雨面積4.2 km2，外引集雨面積37.4 km2，是一座以灌溉為主，兼顧城鎮(zhèn)供水等綜合效益的中型水利工程。主壩為均質(zhì)土壩，最大壩高29.9 m，壩頂高程363.9 m，大壩正常運用洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，非常運用洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 年一遇。水庫正常蓄水位360.50 m，相應(yīng)庫容992 萬m3。

主壩自建壩以來就長期存在滲漏問題，尤其是位于下游壩坡自馬道往上349 m 高程處，存在一條寬約5.5 m 的明顯的水平滲漏帶，且從左岸至右岸貫穿，如圖1，滲漏帶的部分區(qū)域散浸滲漏嚴(yán)重，表層土壤已成泥濘狀。且在旱季低水位情況下，該滲漏帶依然滲水。即使2009 年經(jīng)過除險加固，壩體實施灌漿帷幕以后滲漏也未得到解決，使得該水庫長期不能在正常水位運行，無法發(fā)揮原設(shè)計效益。

圖1 主壩下游壩坡面滲漏帶示意圖

2 滲漏帶檢測分析

2.1 滲流水成分

庫水在向壩基或壩體運移的過程中會與壩基巖石、帷幕、土體產(chǎn)生相互作用，水質(zhì)特征的形成即是這些作用的結(jié)果[4]。壩基地下水徑流條件制約著這些作用的發(fā)展速度和程度，反之，壩基地下水質(zhì)特征又可反映出壩基的徑流條件。

對庫區(qū)近壩處淺層水，滲漏帶左、中、右3 段出現(xiàn)的滲漏水以及壩趾處的積水進(jìn)行取樣（實時庫水位356.87 m，庫容692.52 萬m3），通過PHSJ-3F 型實驗室pH 計與CA-1 型鈣離子測試儀分別測定各水樣pH 值與鈣離子濃度，結(jié)果如表1。

表1 水樣pH 值、鈣離子濃度檢測結(jié)果

1）pH 值分析。水庫蓄水后，庫水水質(zhì)表現(xiàn)分層性。上層庫水與河水水質(zhì)相近，為中性或弱堿性水。中下層庫水水質(zhì)多為弱酸性的含侵蝕性CO2的低礦化度水[5]。壩基地下水pH 值接近或略高于庫底水值，說明地下徑流較通暢，帷幕的防滲性能可能已有衰減或帷幕搭接不夠，而壩基地下水為堿性、強(qiáng)堿性水時，則是帷幕防滲性狀完好的標(biāo)志，尤其是強(qiáng)堿性水出現(xiàn)的部位，更是地下徑流緩慢、帷幕防滲完好的標(biāo)志[6]。

根據(jù)測驗結(jié)果，庫水淺層水pH 值為7.91，為弱堿性；中下層庫水pH 值低于淺層水，為弱酸性，且與所測滲漏帶左部、中部、右部的滲漏出水pH 值接近。表明滲漏帶滲水來源于中下層，從壩基繞過帷幕或穿過帷幕。

2）鈣離子濃度分析。Ca2+是水中陽離子的主成分，壩基地下水中含量變幅很大。水中鈣離子的來源主要是巖石、帷幕、混凝土中的碳酸鈣水解[7]。

根據(jù)測驗結(jié)果，在滲漏帶全域滲漏水中鈣離子濃度都明顯低于庫區(qū)水與壩趾積水，表明水平滲漏帶內(nèi)部滲流的流速很快，鈣離子無法富集。且根據(jù)滲漏帶3個部位滲漏水中鈣離子含量的差異，可以推測右壩段滲漏較為嚴(yán)重，壩體內(nèi)部含水量較大，而壩中部與左壩段則較低。判斷滲水可能來源于右壩肩山體地下水或因壩體右岸帷幕質(zhì)量相對較差，由庫水滲漏而來。

2.2 壩體分層土質(zhì)檢測

對于均質(zhì)土壩，土體材料性能對大壩滲漏及穩(wěn)定具有重要的影響[8]。在左段、中段、右段分別選擇壩頂、滲漏帶上緣、滲漏帶以及滲漏帶下緣進(jìn)行取樣。通過烘干法測量土樣含水率、環(huán)刀法測量土樣濕密度、變水頭滲透試驗確定滲透系數(shù)、直接剪切試驗測定抗剪強(qiáng)度并計算粘聚力與摩擦角。試驗結(jié)果匯總見表2。

表2 各部位土樣性能檢測結(jié)果

1）滲漏帶土體含水率明顯高于其他部位，且干密度與濕密度低于壩體其他部位土體。表明滲漏帶部位土體的壓實度低于壩體其它部位，且在水庫運行中遭受散浸嚴(yán)重。

2）滲漏帶區(qū)域內(nèi)土體的抗剪強(qiáng)度、粘聚力以及摩擦角均小于壩體其他部位，其中滲漏帶右部土體最為明顯，說明滲漏帶土體的力學(xué)性能已明顯下降，且距離滲漏帶較近的區(qū)域土體力學(xué)性能也有所降低，可能會引起土石壩發(fā)生管涌與流土，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致潰壩，危及大壩安全。

3）滲漏帶區(qū)域土體的滲透系數(shù)大于壩體其他部位土體，說明滲漏帶土體的透水性更強(qiáng)，滲漏水更容易通過土體孔隙骨架，會導(dǎo)致土體的力學(xué)性能下降，危及壩體安全。

3 滲漏途徑判別及成因分析

由于滲漏帶土體含水量較大且土體性能弱于壩體其他部位，推測壩體滲流帶為松散填筑土層，這與該層為冬季施工受到凍融傷害的歷史記載相符。庫水通過滲漏帶滲入壩體并導(dǎo)致下游壩坡出現(xiàn)散浸，且由于基質(zhì)吸力作用導(dǎo)致低水位時壩體滲漏帶依然存在滲漏現(xiàn)象。

1）基質(zhì)吸力獲得的爬升高度計算。在土壤學(xué)中把毛管壓力的負(fù)值稱為吸力或基質(zhì)吸力。毛細(xì)管作用是因為水的表面張力作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象。水的表面張力，是因為水分子引力作用產(chǎn)生的沿著水表面的一種張力，由于表面張力的作用，把圓管內(nèi)的水向上拉，使水位上升。毛細(xì)管水上升高度可按下式[9]計算：

當(dāng)溫度在25℃時，水的表面張力T=0.075 gf/cm，水的重度γω=1 gf/cm3，如果α≈0，hc為：

hc和r 都以cm 為單位。

由上式可知，圓管半徑越小，水面上升高度越大。實際上土中的孔隙并不是圓管，如果用與圓管半徑r等價的孔隙比e 和有效粒徑d10（cm）的積來表示可得

C 是由土顆粒的粒徑和表面粗糙程度等因素決定的系數(shù)，變化范圍0.01～0.05 cm2。筑壩材料粘性土的d10=10-4cm、滲漏帶土樣e≈1.16，可得毛細(xì)管上升高度為86～430 cm。實際工程中土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，孔隙比偏大。且基質(zhì)吸力與土體含水率有關(guān)[10]，隨著含水率的降低，基質(zhì)吸力會增高，滲漏帶土體的含水率較高，基質(zhì)吸力會偏小。

2）異常滲流成因分析?；跈z測分析結(jié)果，根據(jù)肖家山水庫水位歷史記錄，當(dāng)庫區(qū)水位高于壩體滲漏帶底部高程349 m 時，主壩壩體滲漏帶會出現(xiàn)明顯散浸現(xiàn)象，在2009 年除險加固進(jìn)行壩體帷幕灌漿后依舊如此；而低于349 m 時，由于毛細(xì)水的作用，仍然有滲水沿滲漏帶滲出?？梢耘袛酀B漏帶來水主要源于庫區(qū)，不是來源于右壩肩地下水。見圖2。

圖2 壩體滲漏帶示意圖

由于沒有對松散填筑層采取必要的滲控措施，在運行時，庫水會通過各種途徑滲入?yún)R集該層土體中，導(dǎo)致滲漏帶土體的含水量上升，土體性能下降。

4 滲流量估計與后果分析

1）滲流量估計。按以下控制方程進(jìn)行有限元滲流計算：

式中 ν——滲流速度；

ν0——初流速；

k——二階滲透張量；

△——梯度算子；

φ=z+p/γw——總水頭；

z——垂直坐標(biāo)分量；

p——孔隙水壓力；

γw——水的容重。

采用理論上嚴(yán)密的Signorini 型變分不等式方法求解，所建立的方法稱為SVA 法（子結(jié)構(gòu)、變分不等式和自適應(yīng)罰Heaviside 函數(shù)相結(jié)合的方法），不僅能夠?qū)Ψ蔷€性滲流問題的滲流出滲點和自由面精確定位，而且具有計算精度高、計算速度快、算法穩(wěn)定等優(yōu)點[11]。

數(shù)值模型如圖3，結(jié)合試驗測得的土樣滲透系數(shù)，利用滲流計算程序計算土石壩在2009 年除險加固前后不同水位工況下的滲漏量，結(jié)果如表3。

圖3 滲流計算模型

表3 滲漏量計算工況及結(jié)果

2009 年完成除險加固工程包括對壩體進(jìn)行旋噴灌漿與帷幕灌漿，以及壩體上游壩坡面鋪設(shè)混凝土六方塊護(hù)坡。分析表明除險加固工程有效降低了浸潤線，減少了壩體滲漏量。當(dāng)庫水位低于滲漏帶高程時，壩體滲漏帶滲水量顯著降低，但當(dāng)庫水位高于壩體滲漏帶時，滲漏量會急劇增加，超過正常蓄水位后的滲漏量高達(dá)0.37m3/s。

2）滲流后果分析。由于壩體長期存在滲漏帶，使得該部位的土體性能下降，極易發(fā)生局部滲漏破壞，導(dǎo)致壩體出現(xiàn)砂沸、泉涌、流土、管涌或沼澤化，危及大壩安全。

5 結(jié)論與對策

1）肖家山均質(zhì)土壩在高程349 m 處存在凍傷填筑層，導(dǎo)致壩體下游側(cè)出現(xiàn)自左至右全斷面成層滲漏帶。庫水位從低于349 m 開始升高，壩體下游側(cè)始終出現(xiàn)滲漏，若在正常蓄水位360.5 高程運行，滲漏量會達(dá)0.37 m3/s，可能誘發(fā)局部滲透破壞，危及大壩安全。

2）大壩需布設(shè)滲流等監(jiān)測設(shè)備，實時掌握壩內(nèi)滲流場狀況，對滲漏帶部位的弱化筑壩材料采取必要的滲控處理措施，以使水庫盡早發(fā)揮正常效益。