水電論壇

土石壩內(nèi)部侵蝕的最新研究成果

內(nèi)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(nèi)部侵蝕為議題的重要會(huì)議。從內(nèi)部侵蝕分類(lèi)、監(jiān)測(cè)及修復(fù)等方面，總結(jié)了土石壩、堤壩及防洪堤內(nèi)部侵蝕的最新研究成果，提出了大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的新方法。

土石壩；內(nèi)部侵蝕；監(jiān)測(cè)及修復(fù)；研究成果

1 有關(guān)內(nèi)部侵蝕的重要會(huì)議

2015年秋季，大壩內(nèi)部侵蝕問(wèn)題被列入了一系列重要會(huì)議日程。這些會(huì)議包括：在英國(guó)愛(ài)丁堡舉行的第十六屆歐洲土力學(xué)及巖土工程研討會(huì)(XVI ECSMGE)、國(guó)際大壩委員會(huì)大壩內(nèi)部侵蝕專(zhuān)業(yè)歐洲工作組(EWGIE)年度會(huì)議(該會(huì)議與第十六屆國(guó)際大壩監(jiān)測(cè)會(huì)議聯(lián)合舉行)、在波蘭維爾克姆拉(Wierchomla)舉行的兩年一度的波蘭國(guó)家委員會(huì)工作會(huì)議以及在荷蘭鹿特丹舉辦的第五屆巖土工程安全與風(fēng)險(xiǎn)國(guó)際研討會(huì)(ISGSR V)。

在以上會(huì)議中，R.布萊德?tīng)柗謩e以不同方式介紹了現(xiàn)有大壩、堤壩和防洪堤的內(nèi)部侵蝕現(xiàn)狀，即國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)164號(hào)公告。該公告包含了EWGIE近年的主要工作成果和內(nèi)部侵蝕機(jī)理的最新研究成果。如今這些成果經(jīng)常被研究?jī)?nèi)部侵蝕的論文引用，同時(shí)還廣泛應(yīng)用于大壩及其他巖土工程結(jié)構(gòu)的內(nèi)部侵蝕檢測(cè)。目前，164號(hào)公告的第1卷已經(jīng)編完，并于2015年2月19日完成了最終預(yù)印本，可在ICOLD網(wǎng)站上查閱。第2卷基本編完，將在2016年ICOLD約翰內(nèi)斯堡年會(huì)(5月15～20日舉行)之前提交給ICOLD國(guó)家委員會(huì)并征求其意見(jiàn)。第2卷的最新版也已發(fā)布在ICOLD官方網(wǎng)站上。

在波蘭國(guó)家委員會(huì)工作會(huì)議上，EWGIE成員對(duì)該工作組過(guò)去、現(xiàn)在以及未來(lái)的工作作了報(bào)告。波蘭的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為164號(hào)公告為內(nèi)部侵蝕機(jī)理研究提供了新思路，可應(yīng)用于解決現(xiàn)有大壩的內(nèi)部侵蝕問(wèn)題。會(huì)上，EWGIE主席S.邦內(nèi)爾博士(來(lái)自法國(guó)環(huán)境與農(nóng)業(yè)科技研究院)和EWGIE前主席J.J.弗萊博士(來(lái)自法國(guó)電力集團(tuán))作了關(guān)于內(nèi)部侵蝕研究進(jìn)展的專(zhuān)題發(fā)言，包括內(nèi)部侵蝕探測(cè)、試驗(yàn)和分析等。他們也對(duì)未來(lái)的研究工作進(jìn)行了展望，強(qiáng)調(diào)了理論上的不足之處會(huì)進(jìn)一步激勵(lì)研究者和工程師在實(shí)際工作中拓寬知識(shí)面，提高164號(hào)公告的適用性。

內(nèi)部侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生，可能會(huì)通過(guò)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(huì)議期間所展示的內(nèi)部侵蝕最新研究成果。

2 潛 蝕

在XVI ECSMGE上，來(lái)自英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的E.鮑曼博士演示了潛蝕的過(guò)程，即細(xì)顆粒穿過(guò)粗顆?；|(zhì)之間的孔隙被滲流帶走，當(dāng)細(xì)顆粒大量流失時(shí)，會(huì)導(dǎo)致粗顆粒基質(zhì)坍塌，最終發(fā)生潛蝕破壞。鮑曼博士還再現(xiàn)了斯開(kāi)普頓和布羅根(Skempton and Brogan)的經(jīng)典試驗(yàn)，并指出隨著細(xì)顆粒含量的增加，細(xì)顆粒與粗顆粒承受同等應(yīng)力，疏松土體容易發(fā)生液化和隆脹。此外，來(lái)自倫敦帝國(guó)理工學(xué)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(cè)潛蝕破壞的研究成果。

EWGIE年度會(huì)議期間，來(lái)自瑞典呂勒奧大學(xué)的H.洛克韋斯特博士介紹了其最近完成的博士畢業(yè)論文，他在論文中預(yù)測(cè)了瑞典國(guó)內(nèi)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(guó)南特大學(xué)的D.馬羅特教授介紹了其關(guān)于持續(xù)水力負(fù)荷下不同應(yīng)力狀態(tài)下潛蝕破壞的研究。

此外，來(lái)自倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的H.泰勒正在進(jìn)行利用顯微CT掃描技術(shù)檢測(cè)玻璃珠和不規(guī)則砂粒潛蝕破壞的試驗(yàn)。通過(guò)模擬窄粒度分布，證明了窄粒度級(jí)配中的粗顆粒粒徑比先前通過(guò)其他方法估算的要小，從而限制了細(xì)顆粒通過(guò)的孔隙空間，解釋了有些通過(guò)當(dāng)前方法鑒定為易潛蝕的土體實(shí)際上并未發(fā)生潛蝕破壞的原因。

3 逆向侵蝕

來(lái)自荷蘭三角洲研究學(xué)院的V.V.貝克總結(jié)了逆向侵蝕的機(jī)理，重點(diǎn)闡述了管涌形成的條件，包括：①三維侵蝕，即通過(guò)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(dòng)和維持逆向侵蝕；②二維侵蝕(發(fā)布在ICOLD164號(hào)公告中)，即無(wú)承壓含水層時(shí)，需要較高水頭來(lái)啟動(dòng)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(lái)自澳大利亞新南威爾士大學(xué)的R.艾倫介紹了關(guān)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(wú)承壓含水層覆蓋，一旦發(fā)生逆向侵蝕，將持續(xù)朝水庫(kù)方向發(fā)展；若有承壓含水層覆蓋，侵蝕將在該含水層的缺口處啟動(dòng)，形成砂沸，但是不一定會(huì)持續(xù)朝水庫(kù)方向發(fā)展，僅當(dāng)臨界水力梯度較大時(shí)，才有可能朝水庫(kù)方向發(fā)展。

來(lái)自美國(guó)陸軍工程團(tuán)(USACE)實(shí)驗(yàn)室的B.羅賓斯介紹了正在進(jìn)行的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析情況。在ISGSRV上，J.賴(lài)斯博士介紹了美國(guó)猶他大學(xué)有關(guān)逆向侵蝕的研究，指出了易發(fā)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(lái)自USACE的M.科克倫表示，為解決此類(lèi)河流潛在的逆向侵蝕破壞，USACE最先對(duì)砂礫進(jìn)行了逆向侵蝕試驗(yàn)，其粒徑比均勻中砂(d50=0.3mm)稍大，并與中砂的逆向侵蝕試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

V.V.貝克和來(lái)自加拿大魁北克水電公司的M.史密斯運(yùn)用澤爾邁爾(Sellmeijer)方法檢測(cè)黏土層下部砂土發(fā)生逆向侵蝕破壞的可能性。上升流可穿過(guò)黏土層流入大壩和水庫(kù)下游的湖泊中，壩體和水庫(kù)為上升流流入下游湖泊提供了壓力水頭。全球地理分析數(shù)據(jù)為該試驗(yàn)提供了許多有價(jià)值的詳細(xì)資料，例如覆蓋壩址黏土層的厚度等。他隨后進(jìn)行了詳細(xì)的內(nèi)部侵蝕調(diào)查，包括黏土層坡面下方發(fā)生逆向侵蝕的可能性，而在坡面下方啟動(dòng)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?tīng)柦榻B了他和S.梅塞克林格的論文。他們認(rèn)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(fā)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(huì)議期間，來(lái)自捷克布爾諾大學(xué)的M.雷哈教授分析了孔侵蝕試驗(yàn)中的水力學(xué)條件，用于確定土壤的臨界剪切應(yīng)力和水力作用下的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而檢測(cè)墻體裂縫及缺口的土體發(fā)生集中滲漏侵蝕的可能性。水流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力可以被計(jì)算出來(lái)，并與穿過(guò)墻體裂縫及缺口水流的剪切應(yīng)力進(jìn)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(yīng)力估算值將會(huì)偏高2個(gè)系數(shù)。

此外，來(lái)自波蘭的A.達(dá)布斯卡介紹了薄下承層的滲透性檢驗(yàn)。來(lái)自葡萄牙國(guó)家土木工程實(shí)驗(yàn)室的R.C.桑托斯博士介紹了壩體上游過(guò)渡區(qū)和下游反濾層對(duì)分區(qū)土石壩滲流量限制和內(nèi)部侵蝕影響的試驗(yàn)研究。

5 內(nèi)部侵蝕監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)及修復(fù)

K.拉德斯基博士(來(lái)自波蘭克拉科夫大學(xué))、S.博內(nèi)利博士及合著者展示了其論文，他們利用水力熱力耦合計(jì)算模型分析溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并利用該數(shù)據(jù)驗(yàn)證波蘭克孜勞爾·戈拉(Kozlowa Gora)大壩壩基的假設(shè)滲漏及侵蝕過(guò)程。

來(lái)自Geophy公司的R.貝金博士介紹了法國(guó)運(yùn)河堤沿線安裝80 km長(zhǎng)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。有趣的是，由于光纖埋深較淺(一般小于1 m，具體根據(jù)土層滲透性確定)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有時(shí)會(huì)監(jiān)測(cè)到暴雨數(shù)據(jù)。但這并不影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別新滲漏點(diǎn)的能力，因?yàn)橐恢笔褂脙煞N不同的程序包反演監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中一種是純統(tǒng)計(jì)軟件，該軟件不受特定時(shí)間和空間現(xiàn)象的影響。此外，J.J.弗萊博士介紹了法國(guó)ERINOH研究項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的有關(guān)內(nèi)部侵蝕事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

R.托雷斯介紹了一種檢測(cè)壩體上部侵蝕的方法，并在美國(guó)某大壩的上部進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)前先將水庫(kù)蓄水位提高5 m，通過(guò)檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。同時(shí)，若能在洪峰來(lái)臨前及時(shí)下泄增加的蓄水，該方法還可用于檢測(cè)其他壩體壩頂裂縫和溢洪道擋土墻侵蝕問(wèn)題。

來(lái)自比利時(shí)的G.赫里厄介紹了用石灰處理土壤，以防控表面及內(nèi)部侵蝕的經(jīng)驗(yàn)。H.里斯曼和P.班茨哈夫的合著論文總結(jié)了混凝土防滲墻技術(shù)，其中包含150 m深的地下連續(xù)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在ISGSRV大壩風(fēng)險(xiǎn)專(zhuān)題討論會(huì)上，會(huì)議組織者D.保羅博(ICOLD土石壩委員會(huì)美國(guó)代表，來(lái)自USACE)和ICOLD大壩安全委員會(huì)主席A.杰林斯基介紹了評(píng)估大壩風(fēng)險(xiǎn)的方法，并演示了內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)大壩安全的影響。ICOLD數(shù)值分析委員會(huì)主席I.埃斯庫(kù)德教授探討了大壩安全風(fēng)險(xiǎn)的治理方法，他提到風(fēng)險(xiǎn)的積累源于知識(shí)缺乏及其應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的不足。來(lái)自美國(guó)大壩協(xié)會(huì)(USSD)土石壩委員會(huì)的J.弗朗斯介紹了美國(guó)當(dāng)前大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防治大壩內(nèi)部侵蝕的方法，該方法是在卡特里娜颶風(fēng)襲擊新奧爾良后，由澳大利亞的R.菲爾教授、USACE和美國(guó)墾務(wù)局(USBR)利用Piping Toolbox軟件共同研發(fā)的。

會(huì)議最后，ICOLD土石壩委員會(huì)英國(guó)代表R.布萊德?tīng)栔赋?，ICOLD164號(hào)公告對(duì)現(xiàn)有大壩、堤壩和防洪堤內(nèi)部侵蝕的研究成果使人們能夠估算內(nèi)部侵蝕引起潰壩時(shí)的庫(kù)水位。該庫(kù)水位的年發(fā)生概率可以通過(guò)洪水水文資料估算，進(jìn)而估算大壩失事的概率；再結(jié)合潰壩導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)損失估算，就可獲得內(nèi)部侵蝕造成的大壩失事風(fēng)險(xiǎn)。

也可以采用相似的方法評(píng)估漫頂或地震引起大壩失事的概率和風(fēng)險(xiǎn)。大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的復(fù)雜性在于其失事的概率永遠(yuǎn)不可能為零，如果可能導(dǎo)致人身傷亡，則必須確定一個(gè)可接受的概率，這對(duì)工程師和社會(huì)來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

周 榮 孫 言 譯

(編輯：陳紫薇)

1006-0081(2017)01-0015-03

2016-10-29

TV641

A