土石坝内部侵蚀的最新研究成果

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土石坝内部侵蚀的最新研究成果

内部侵蚀是威胁土石坝土堤安全的因素之一。介绍了2015年秋季期间举行的以大坝内部侵蚀为议题的重要会议。从内部侵蚀分类、监测及修复等方面，总结了土石坝、堤坝及防洪堤内部侵蚀的最新研究成果，提出了大坝安全风险评估的新方法。

土石坝；内部侵蚀；监测及修复；研究成果

1 有关内部侵蚀的重要会议

2015年秋季，大坝内部侵蚀问题被列入了一系列重要会议日程。这些会议包括：在英国爱丁堡举行的第十六届欧洲土力学及岩土工程研讨会(XVI ECSMGE)、国际大坝委员会大坝内部侵蚀专业欧洲工作组(EWGIE)年度会议(该会议与第十六届国际大坝监测会议联合举行)、在波兰维尔克姆拉(Wierchomla)举行的两年一度的波兰国家委员会工作会议以及在荷兰鹿特丹举办的第五届岩土工程安全与风险国际研讨会(ISGSR V)。

在以上会议中，R.布莱德尔分别以不同方式介绍了现有大坝、堤坝和防洪堤的内部侵蚀现状，即国际大坝委员会(ICOLD)164号公告。该公告包含了EWGIE近年的主要工作成果和内部侵蚀机理的最新研究成果。如今这些成果经常被研究内部侵蚀的论文引用，同时还广泛应用于大坝及其他岩土工程结构的内部侵蚀检测。目前，164号公告的第1卷已经编完，并于2015年2月19日完成了最终预印本，可在ICOLD网站上查阅。第2卷基本编完，将在2016年ICOLD约翰内斯堡年会(5月15～20日举行)之前提交给ICOLD国家委员会并征求其意见。第2卷的最新版也已发布在ICOLD官方网站上。

在波兰国家委员会工作会议上，EWGIE成员对该工作组过去、现在以及未来的工作作了报告。波兰的业内人士认为164号公告为内部侵蚀机理研究提供了新思路，可应用于解决现有大坝的内部侵蚀问题。会上，EWGIE主席S.邦内尔博士(来自法国环境与农业科技研究院)和EWGIE前主席J.J.弗莱博士(来自法国电力集团)作了关于内部侵蚀研究进展的专题发言，包括内部侵蚀探测、试验和分析等。他们也对未来的研究工作进行了展望，强调了理论上的不足之处会进一步激励研究者和工程师在实际工作中拓宽知识面，提高164号公告的适用性。

内部侵蚀现象的发生，可能会通过4种模式破坏建筑物，即潜蚀、接触侵蚀、逆向侵蚀、集中渗漏侵蚀。本文将介绍上述会议期间所展示的内部侵蚀最新研究成果。

2 潜 蚀

在XVI ECSMGE上，来自英国谢菲尔德大学的E.鲍曼博士演示了潜蚀的过程，即细颗粒穿过粗颗粒基质之间的孔隙被渗流带走，当细颗粒大量流失时，会导致粗颗粒基质坍塌，最终发生潜蚀破坏。鲍曼博士还再现了斯开普顿和布罗根(Skempton and Brogan)的经典试验，并指出随着细颗粒含量的增加，细颗粒与粗颗粒承受同等应力，疏松土体容易发生液化和隆胀。此外，来自伦敦帝国理工学院的T.夏尔博士和他的同事也展示了利用离散单元模型检测潜蚀破坏的研究成果。

EWGIE年度会议期间，来自瑞典吕勒奥大学的H.洛克韦斯特博士介绍了其最近完成的博士毕业论文，他在论文中预测了瑞典国内土石坝的冰碛土心墙及其粗颗粒反滤层遭受潜蚀破坏的可能性。法国南特大学的D.马罗特教授介绍了其关于持续水力负荷下不同应力状态下潜蚀破坏的研究。

此外，来自伦敦帝国理工学院的H.泰勒正在进行利用显微CT扫描技术检测玻璃珠和不规则砂粒潜蚀破坏的试验。通过模拟窄粒度分布，证明了窄粒度级配中的粗颗粒粒径比先前通过其他方法估算的要小，从而限制了细颗粒通过的孔隙空间，解释了有些通过当前方法鉴定为易潜蚀的土体实际上并未发生潜蚀破坏的原因。

3 逆向侵蚀

来自荷兰三角洲研究学院的V.V.贝克总结了逆向侵蚀的机理，重点阐述了管涌形成的条件，包括：①三维侵蚀，即通过承压含水层的缺口形成渗流通道，在含水层提供的低水头条件下启动和维持逆向侵蚀；②二维侵蚀(发布在ICOLD164号公告中)，即无承压含水层时，需要较高水头来启动和维持逆向侵蚀，坝基砂土层在逆向侵蚀作用下暴露在表面，并沿着下游面坝趾为侵蚀水流提供自由出口。

来自澳大利亚新南威尔士大学的R.艾伦介绍了关于逆向侵蚀的最新研究成果。她特别指出，若下游面砂土基层上方无承压含水层覆盖，一旦发生逆向侵蚀，将持续朝水库方向发展；若有承压含水层覆盖，侵蚀将在该含水层的缺口处启动，形成砂沸，但是不一定会持续朝水库方向发展，仅当临界水力梯度较大时，才有可能朝水库方向发展。

来自美国陆军工程团(USACE)实验室的B.罗宾斯介绍了正在进行的试验和数据分析情况。在ISGSRV上，J.赖斯博士介绍了美国犹他大学有关逆向侵蚀的研究，指出了易发生逆向侵蚀的地貌特征，其案例为决口扇，即河水暴涨引起天然河堤溃决后，在下游决口处形成的扇形泥砂砾沉积。来自USACE的M.科克伦表示，为解决此类河流潜在的逆向侵蚀破坏，USACE最先对砂砾进行了逆向侵蚀试验，其粒径比均匀中砂(d50=0.3mm)稍大，并与中砂的逆向侵蚀试验结果进行了对比。

V.V.贝克和来自加拿大魁北克水电公司的M.史密斯运用泽尔迈尔(Sellmeijer)方法检测黏土层下部砂土发生逆向侵蚀破坏的可能性。上升流可穿过黏土层流入大坝和水库下游的湖泊中，坝体和水库为上升流流入下游湖泊提供了压力水头。全球地理分析数据为该试验提供了许多有价值的详细资料，例如覆盖坝址黏土层的厚度等。他随后进行了详细的内部侵蚀调查，包括黏土层坡面下方发生逆向侵蚀的可能性，而在坡面下方启动逆向侵蚀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.布莱德尔介绍了他和S.梅塞克林格的论文。他们认为，1907年蒙大纳州霍瑟(Hauser)大坝溃坝的原因可能是逆向侵蚀破坏，而向上发展的逆向侵蚀也解释了伊朗拉尔(Lar)坝形成圆锥形渗坑的原因。

4 集中渗漏侵蚀

在EWGIE年度会议期间，来自捷克布尔诺大学的M.雷哈教授分析了孔侵蚀试验中的水力学条件，用于确定土壤的临界剪切应力和水力作用下的抗剪强度，进而检测墙体裂缝及缺口的土体发生集中渗漏侵蚀的可能性。水流产生的剪切应力可以被计算出来，并与穿过墙体裂缝及缺口水流的剪切应力进行比较，他指出如果不考虑入口和出口的水力梯度损失，临界剪切应力估算值将会偏高2个系数。

此外，来自波兰的A.达布斯卡介绍了薄下承层的渗透性检验。来自葡萄牙国家土木工程实验室的R.C.桑托斯博士介绍了坝体上游过渡区和下游反滤层对分区土石坝渗流量限制和内部侵蚀影响的试验研究。

5 内部侵蚀监测、试验及修复

K.拉德斯基博士(来自波兰克拉科夫大学)、S.博内利博士及合著者展示了其论文，他们利用水力热力耦合计算模型分析温度监测数据，并利用该数据验证波兰克孜劳尔·戈拉(Kozlowa Gora)大坝坝基的假设渗漏及侵蚀过程。

来自Geophy公司的R.贝金博士介绍了法国运河堤沿线安装80 km长光纤监测系统的成功经验。有趣的是，由于光纤埋深较浅(一般小于1 m，具体根据土层渗透性确定)，监测系统有时会监测到暴雨数据。但这并不影响监测系统识别新渗漏点的能力，因为一直使用两种不同的程序包反演监测结果，其中一种是纯统计软件，该软件不受特定时间和空间现象的影响。此外，J.J.弗莱博士介绍了法国ERINOH研究项目数据库中记录的有关内部侵蚀事故的经验教训。

R.托雷斯介绍了一种检测坝体上部侵蚀的方法，并在美国某大坝的上部进行了试验。试验前先将水库蓄水位提高5 m，通过检测，未发现缺陷。同时，若能在洪峰来临前及时下泄增加的蓄水，该方法还可用于检测其他坝体坝顶裂缝和溢洪道挡土墙侵蚀问题。

来自比利时的G.赫里厄介绍了用石灰处理土壤，以防控表面及内部侵蚀的经验。H.里斯曼和P.班茨哈夫的合著论文总结了混凝土防渗墙技术，其中包含150 m深的地下连续墙、80 m深的咬合桩墙以及25 m深(有些情况下为40 m)的混合墙。

6 大坝风险评估

在ISGSRV大坝风险专题讨论会上，会议组织者D.保罗博(ICOLD土石坝委员会美国代表，来自USACE)和ICOLD大坝安全委员会主席A.杰林斯基介绍了评估大坝风险的方法，并演示了内部系统运行对大坝安全的影响。ICOLD数值分析委员会主席I.埃斯库德教授探讨了大坝安全风险的治理方法，他提到风险的积累源于知识缺乏及其应用经验的不足。来自美国大坝协会(USSD)土石坝委员会的J.弗朗斯介绍了美国当前大坝风险评估及防治大坝内部侵蚀的方法，该方法是在卡特里娜飓风袭击新奥尔良后，由澳大利亚的R.菲尔教授、USACE和美国垦务局(USBR)利用Piping Toolbox软件共同研发的。

会议最后，ICOLD土石坝委员会英国代表R.布莱德尔指出，ICOLD164号公告对现有大坝、堤坝和防洪堤内部侵蚀的研究成果使人们能够估算内部侵蚀引起溃坝时的库水位。该库水位的年发生概率可以通过洪水水文资料估算，进而估算大坝失事的概率；再结合溃坝导致的生命财产损失估算，就可获得内部侵蚀造成的大坝失事风险。

也可以采用相似的方法评估漫顶或地震引起大坝失事的概率和风险。大坝安全风险评估的复杂性在于其失事的概率永远不可能为零，如果可能导致人身伤亡，则必须确定一个可接受的概率，这对工程师和社会来说都是一项挑战。

周 荣 孙 言 译

(编辑：陈紫薇)

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2016-10-29

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