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        土壩死水位下運行易發(fā)險情及對策探討

        2018-04-17 07:49:54
        水利建設(shè)與管理 2018年3期

          

        (河南省白龜山水庫管理局,河南 平頂山 467001)

        1 引 言

        2014年河南省大部分地區(qū)遭遇嚴(yán)重旱情,截至2014年8月8日11時統(tǒng)計,因干旱造成受災(zāi)人口1929.94萬,因旱需生活救助人口118.89萬,其中因旱飲水困難需救助人口114.15萬,造成直接經(jīng)濟損失72.89億元,其中農(nóng)業(yè)損失70.8億元。平頂山市旱情最為嚴(yán)重,出現(xiàn)了60年來最嚴(yán)重的旱情,主要秋作物大面積受旱,作物受旱面積已占耕地面積的40.4%,依照國家防汛抗旱總指揮部辦公室制定的干旱評估標(biāo)準(zhǔn)中所確定的農(nóng)業(yè)干旱等級劃分指標(biāo),平頂山市已經(jīng)進入中度干旱期,人畜飲水困難。

        作為平頂山市的飲用水水源地的白龜山水庫,是一個年調(diào)節(jié)水庫。流域內(nèi)連續(xù)2年沒有有效降雨,2014年7月17日水庫水位降至死水位97.50m,供水形勢異常嚴(yán)峻。啟用死庫容應(yīng)急供水后,壩坡表面出現(xiàn)裂縫。

        2 白龜山水庫概況及易發(fā)險情

        2.1 水庫工程

        白龜山水庫位于河南省平頂山市西南部,淮河支流的沙河干流上,控制流域面積2740km2。水庫于1958年12月開工興建,1966年8月竣工,水庫工程按100年一遇洪水設(shè)計,2000年一遇洪水校核,是一座以防汛為主,兼顧城市生活、工農(nóng)業(yè)供水為一體的大(2)型綜合利用樞紐工程。水庫總庫容9.22×108m3,興利庫容為2.36×108m3;興利水位103.00m,汛限水位101.00m,死水位97.50m。

        水庫工程是一座土壩,主要建筑物有攔河壩、順河壩、泄洪閘和南北干渠渠首閘。其中,攔河主壩(干砌石護坡土壩)壩長1.57km,最大壩高23.40m;順河副壩(干砌石護坡土壩)壩長18.30km,最大壩高16.30m。

        2.2 應(yīng)急供水

        2013年入庫水量嚴(yán)重不足,來水1.74×108m3,為年均來水量的26%。年城市生活8273.7×104m3、工業(yè)供水6070.3×104m3、農(nóng)業(yè)灌溉供水4790.4×104m3,環(huán)境生態(tài)供水2962.6×104m3,汛末庫水位100.31m,低于興利水位2.69m,比汛限水位低0.69m,較多年同期平均水位低1.60m,蓄水量1.54×108m3。2014年上半年更是干旱嚴(yán)重,前6個月入庫水量僅2390×104m3,而工業(yè)用水3066.6×104m3、生活用水4329.9×104m3,嚴(yán)重入不敷出。5月月底,水庫水位接近死水位97.50m。平頂山市防汛抗旱指揮部啟動應(yīng)急供水預(yù)案,并緊急從上游昭平臺水庫調(diào)水2000×104m3。

        動用死庫容應(yīng)急供水方案委托河南省水利勘測設(shè)計有限公司編制,通過了河南省水利廳組織的專家評審。應(yīng)急供水第1次動用庫容686×104m3,供水水位97.50m~97.20m;應(yīng)急供水第2次動用庫容641×104m3,供水水位97.20m~96.90m。

        2.3 干縮裂縫

        動用死庫容應(yīng)急供水后,庫水位低于干砌石護坡高程97.50m,壩前鋪蓋層逐漸裸露出來,出現(xiàn)裂縫,并呈現(xiàn)出距離水面越遠(yuǎn)裂縫越大的現(xiàn)象,如圖1所示,左圖為近水面處裂縫,中圖為遠(yuǎn)水面處裂縫。順河壩迎水坡100.00m高程以下黏土鋪蓋層出現(xiàn)貫通性裂縫,寬度50mm左右,對6+000、6+130、6+230、6+250、6+300等5處裂縫進行開挖探查,裂縫深度1.2~1.5m。

        圖1 鋪蓋裂縫(左圖為近水面裂縫,中圖為遠(yuǎn)水面裂縫,右圖為裂縫灌漿)

        2.4 易發(fā)險情

        大壩迎水坡護坡工程位于死水位以上,死水位以下通常是處于被水淹沒狀態(tài),這也是通常水庫死水位以下沒有工程措施的原因。但當(dāng)水庫水位低于死水位以后,土壩迎水坡就不具有防風(fēng)浪淘蝕的能力;由于裂縫的存在導(dǎo)致壩體滲透路徑變短,直接導(dǎo)致壩體有效斷面減小。若遇到強降雨,表面裂縫會加劇雨淋溝的形成和發(fā)展,形成危及大壩安全的隱患。

        正常情況下壩體可看作穩(wěn)定滲流,但在水庫水位驟降或驟升時,就會產(chǎn)生不穩(wěn)定滲流。不穩(wěn)定滲流問題引起的事故約占土石壩滑坡事故的25%[1]。柳群義等人[2]根據(jù)H.darcy Law,考慮非飽和土的滲透性是基質(zhì)吸力的函數(shù),經(jīng)過模擬研究,說明水位升降在相同入滲條件下飽和滲透系數(shù)對初始地下水位有影響,并且?guī)焖簧邓俾手苯雨P(guān)聯(lián)著地下水位變化的滯后性程度。若水庫突遇暴雨,過快速率的水位抬升,突然加載使壩體各部位的變形來不及調(diào)整,產(chǎn)生的高應(yīng)力或出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的位移是土壩發(fā)生險情的重大隱患。

        鄭穎人等人[3]根據(jù)Boussinesq非穩(wěn)定滲流微分方程推導(dǎo)出水庫水位在下降時計算壩體內(nèi)浸潤線的簡化公式,并以此確壩內(nèi)滲透壓力,用瑞典條分法計算岸坡安全系數(shù),通過模擬計算說明水庫水位在下降過程中處在壩體總高度下部1/3~1/4水位區(qū)間時,對壩體穩(wěn)定是最不利的。白龜山水庫土壩總壩高16.3m,動用死庫容供水水位下降區(qū)間就接近壩體總高度的下1/4處,從水庫壩體穩(wěn)定角度來說,低水位運行對壩體穩(wěn)定是不利的。

        3 黏土裂縫原因

        3.1 裂縫內(nèi)外因

        含水率的減少是導(dǎo)致土體體積收縮的直接原因。黏性土的干縮裂縫是非飽和狀態(tài)下土體的力學(xué)特性,土體自身礦物的組成和含水率(或飽和度)直接關(guān)系著干縮裂縫的形態(tài),是土體干縮裂縫的內(nèi)因,它與土體的黏粒含量、顆粒組成有關(guān)。而外部溫度、環(huán)境濕度及空氣流動性等氣候條件是干縮裂縫的外因。

        在土壩浸潤面以上,土體處于非飽和狀態(tài),土體的飽和度一定程度上決定了基質(zhì)吸力,也決定孔隙水壓力(毛細(xì)水壓力)的大小?;|(zhì)吸力的變化直接控制著土體出現(xiàn)裂縫時的臨界張應(yīng)力大小和初始階段裂縫的發(fā)展規(guī)律[4]。當(dāng)土體的含水率低于某一值后,土體孔隙中產(chǎn)生負(fù)毛細(xì)水壓力,在毛細(xì)水彎液面的表面張力作用下,土顆粒相互靠攏,在宏觀上表現(xiàn)為土體失水收縮,隨著含水率的降低,當(dāng)張應(yīng)力大于土體顆粒之間的黏結(jié)強度時,土體表面就會出現(xiàn)裂縫。

        土體黏粒及含水量越高,含水土體在溫度和風(fēng)力的作用下,土體表面與內(nèi)部失水速度的差異越大,表層土體受到其相鄰深層土體的約束產(chǎn)生拉應(yīng)力形成的裂縫越大。孫曉旭等人[5]通過試驗?zāi)M了蒸發(fā)過程,通過數(shù)據(jù)對比得出空氣相對濕度與蒸發(fā)速率的關(guān)系??諝鉂穸仁怯绊懰舭l(fā)的一個重要因素,而逸出土體的水分是導(dǎo)致土體干縮裂縫的直接原因。

        3.2 干縮試驗

        干縮裂縫的三維形態(tài)是不規(guī)則的,準(zhǔn)確定量描述比較困難,其長度、寬度、深度、間距和走向等也是沒有規(guī)律的。裂縫長度、寬度發(fā)展的同時,裂縫深度也在發(fā)展,存在著一定的相關(guān)性。這些指標(biāo)的實際測量比較困難,采用一個相對直觀綜合的裂縫率指標(biāo)面積裂縫率,即定義裂縫率為裂縫的面積與土體面積的比值。

        黏土的成分各不相同,導(dǎo)致其性狀也各不相同。選取該工程所用土體土樣進行失水收縮試驗。稱量一定的土樣,使含水量大于液限,在失水過程中,稱量不同裂縫狀態(tài)的土樣重量。計算土體的失水率,即水減少的質(zhì)量與初始土體質(zhì)量的比值。通過拍照,利用CAD軟件測出裂縫面積,得到裂縫面積與失水率的變化情況,如圖2所示。

        圖2 裂縫率與失水率的變化規(guī)律

        3.3 臨界失水率

        通過模擬土樣的失水收縮試驗,發(fā)現(xiàn)失水率與裂縫率的變化規(guī)律,如圖2所示。圖形線A點之前,土體失水是不引起開裂的;在AB段,隨著土體蒸發(fā)失水,裂縫的開裂面積逐漸增大;BC段隨著土體的蒸發(fā)失水,裂縫的開裂面積增大的幅度逐漸變小。A點的失水率約為0.25%,即為該土樣不開裂的臨界失水率。此點對實際工程實踐中具有運用價值和指導(dǎo)作用。

        4 搶護方案

        作為已建成的土壩來說,影響土體干縮裂縫的因素中其內(nèi)因是無法改變的。而外部局部溫度、環(huán)境濕度及空氣流動性等氣候外因可直接影響土體裂縫發(fā)展程度,可以通過土壩的壩體表面局部溫度、濕度及空氣流動性等的調(diào)整來左右干縮裂縫發(fā)展。

        4.1 墑土層確定

        處于濕潤狀態(tài)的墑土對延緩水分蒸發(fā)和干縮裂縫的發(fā)展起到重要作用。壩體內(nèi)浸潤面是自由水面,浸潤面以下的土體處于飽和狀態(tài),以上的土體由于毛細(xì)水作用而處于濕潤狀態(tài)。毛細(xì)水是受水與空氣交界面處表面張力作用的自由水,毛細(xì)水高度主要取決于土粒比表面積、孔隙大小。

        對于水庫土壩來說,由孫曉旭等人[5]模擬試驗可知,水位的升降直接導(dǎo)致壩體浸潤面的升降,壩體內(nèi)部的毛細(xì)水層隨之相應(yīng)的調(diào)整,初始蒸發(fā)的是土體中的重力水,補充這部分逸出的重力水或降低蒸發(fā)的速率,減少庫水位上升時壩體應(yīng)力重新調(diào)整時間是解決問題的關(guān)鍵。作為傳遞介質(zhì)必須具有良好的給水度,中粗砂(粒徑d為0.25~2mm)的給水度為0.2~0.3[6]是比較理想的。墑土層厚度應(yīng)由傳遞墑介質(zhì)的給水度能夠補充開裂土體的失水量來決定,同時提供壩體的土體表面局部溫度、濕度等微氣候環(huán)境條件。

        4.2 搶護方案

        白龜山水庫是一個半平原半丘陵型水庫,土壩壩體長,裂縫多且分布面積廣是其顯著特點,由此決定了搶護任務(wù)十分艱巨。

        水庫生活供水、蒸發(fā)及滲漏綜合平均每天約40×104m3,水位每天降低約20mm,供水水位下降時基本上是連續(xù)的,不存在驟降情況,庫水位驟降可能引發(fā)的土壩險情基本上不存在。關(guān)鍵是應(yīng)對突遇暴雨,水位上升速度過快,突然加載使壩體各部位的變形來不及調(diào)整,產(chǎn)生高應(yīng)力或出現(xiàn)不協(xié)調(diào)位移下的易發(fā)險情。搶護方案的制定必須滿足該條件才是可行的。

        水位的上升速度不宜過快,對于流域集水面積1310km2的突降暴雨來說,人為能力是無法控制荷載加載強度的。必須從影響裂縫形成的氣溫、風(fēng)力和濕度等因素去考慮,能夠采取的也只有調(diào)整濕度方面的措施:?增加土體表面局部濕度,減少土體水分蒸發(fā)的損失速率;?設(shè)置墑土層,調(diào)節(jié)土體含水率。使壩體各部位的變形調(diào)整與水位的上升相適應(yīng),避免產(chǎn)生高應(yīng)力或出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的位移。

        4.3 搶護實施

        采用巡查和工防相結(jié)合的搶護方案。巡查定人定點定時記錄壩體裂縫變形情況,及時反饋相關(guān)信息,適時調(diào)整方案。針對已出現(xiàn)的各種裂縫,采取相應(yīng)的處理措施,局部微氣候的調(diào)整是土體重新到達(dá)新的臨界平衡點。

        a.中粗砂墑土層法。對于剛裸露出黏土鋪蓋層,用中粗砂噴水保墑,覆蓋厚度100mm,向土體傳遞補充蒸發(fā)的水分。

        b.灌漿封堵法。對于寬度和深度大的裂縫,用塑性指數(shù)小于10的低塑性黏土并在其中加入適量的中細(xì)砂等材料,以減小裂縫灌漿的收縮量。

        c.土工布覆蓋法。對于寬度大的裂縫,灌漿后表面采用土工布覆蓋噴水,增加局部濕度,以減小灌漿裂縫表面的再開裂。

        5 結(jié) 語

        水庫水位從2014年7月17日低于死水位97.50m啟動應(yīng)急供水,通過南水北調(diào)干渠、上游水庫調(diào)水以及降雨,到2014年9月15日庫水位回升至97.58 m,歷時60d,在此期間,按照動用死庫容運行應(yīng)急方案及搶護措施,土壩工程安全度過了嚴(yán)峻時期。

        經(jīng)過4年的運行,土壩壩體的各項指標(biāo)未出現(xiàn)異常的變化。對于死水位以下沒有工程措施的土壩工程應(yīng)急供水運行,為應(yīng)對裂縫易發(fā)險情做了嘗試性探索,實踐證明通過調(diào)整土壩的壩體表面局部溫度、濕度及空氣流動性等措施左右干縮裂縫發(fā)展,采取的應(yīng)對方案是可行的。

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        [6]戚筱俊.工程地質(zhì)及水文地質(zhì)[M].北京:水利電力出版社,1985.

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