土坝死水位下运行易发险情及对策探讨

2018-04-17

水利建设与管理 2018年3期

(河南省白龟山水库管理局，河南平顶山　467001)

1　引　言

2014年河南省大部分地区遭遇严重旱情，截至2014年8月8日11时统计，因干旱造成受灾人口1929.94万，因旱需生活救助人口118.89万，其中因旱饮水困难需救助人口114.15万，造成直接经济损失72.89亿元，其中农业损失70.8亿元。平顶山市旱情最为严重，出现了60年来最严重的旱情，主要秋作物大面积受旱，作物受旱面积已占耕地面积的40.4%，依照国家防汛抗旱总指挥部办公室制定的干旱评估标准中所确定的农业干旱等级划分指标，平顶山市已经进入中度干旱期，人畜饮水困难。

作为平顶山市的饮用水水源地的白龟山水库，是一个年调节水库。流域内连续2年没有有效降雨，2014年7月17日水库水位降至死水位97.50m，供水形势异常严峻。启用死库容应急供水后，坝坡表面出现裂缝。

2　白龟山水库概况及易发险情

2.1　水库工程

白龟山水库位于河南省平顶山市西南部，淮河支流的沙河干流上，控制流域面积2740km2。水库于1958年12月开工兴建，1966年8月竣工，水库工程按100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核，是一座以防汛为主，兼顾城市生活、工农业供水为一体的大(2)型综合利用枢纽工程。水库总库容9.22×108m3，兴利库容为2.36×108m3；兴利水位103.00m，汛限水位101.00m，死水位97.50m。

水库工程是一座土坝，主要建筑物有拦河坝、顺河坝、泄洪闸和南北干渠渠首闸。其中，拦河主坝(干砌石护坡土坝)坝长1.57km，最大坝高23.40m；顺河副坝(干砌石护坡土坝)坝长18.30km，最大坝高16.30m。

2.2　应急供水

2013年入库水量严重不足，来水1.74×108m3，为年均来水量的26%。年城市生活8273.7×104m3、工业供水6070.3×104m3、农业灌溉供水4790.4×104m3，环境生态供水2962.6×104m3，汛末库水位100.31m，低于兴利水位2.69m，比汛限水位低0.69m，较多年同期平均水位低1.60m，蓄水量1.54×108m3。2014年上半年更是干旱严重，前6个月入库水量仅2390×104m3，而工业用水3066.6×104m3、生活用水4329.9×104m3，严重入不敷出。5月月底，水库水位接近死水位97.50m。平顶山市防汛抗旱指挥部启动应急供水预案，并紧急从上游昭平台水库调水2000×104m3。

动用死库容应急供水方案委托河南省水利勘测设计有限公司编制，通过了河南省水利厅组织的专家评审。应急供水第1次动用库容686×104m3，供水水位97.50m～97.20m；应急供水第2次动用库容641×104m3，供水水位97.20m～96.90m。

2.3　干缩裂缝

动用死库容应急供水后，库水位低于干砌石护坡高程97.50m，坝前铺盖层逐渐裸露出来，出现裂缝，并呈现出距离水面越远裂缝越大的现象，如图1所示，左图为近水面处裂缝，中图为远水面处裂缝。顺河坝迎水坡100.00m高程以下黏土铺盖层出现贯通性裂缝，宽度50mm左右，对6+000、6+130、6+230、6+250、6+300等5处裂缝进行开挖探查，裂缝深度1.2～1.5m。

图1　铺盖裂缝(左图为近水面裂缝，中图为远水面裂缝，右图为裂缝灌浆)

2.4　易发险情

大坝迎水坡护坡工程位于死水位以上，死水位以下通常是处于被水淹没状态，这也是通常水库死水位以下没有工程措施的原因。但当水库水位低于死水位以后，土坝迎水坡就不具有防风浪淘蚀的能力；由于裂缝的存在导致坝体渗透路径变短，直接导致坝体有效断面减小。若遇到强降雨，表面裂缝会加剧雨淋沟的形成和发展，形成危及大坝安全的隐患。

正常情况下坝体可看作稳定渗流，但在水库水位骤降或骤升时，就会产生不稳定渗流。不稳定渗流问题引起的事故约占土石坝滑坡事故的25%[1]。柳群义等人[2]根据H.darcy Law,考虑非饱和土的渗透性是基质吸力的函数，经过模拟研究，说明水位升降在相同入渗条件下饱和渗透系数对初始地下水位有影响，并且库水位升降速率直接关联着地下水位变化的滞后性程度。若水库突遇暴雨，过快速率的水位抬升，突然加载使坝体各部位的变形来不及调整，产生的高应力或出现不协调的位移是土坝发生险情的重大隐患。

郑颖人等人[3]根据Boussinesq非稳定渗流微分方程推导出水库水位在下降时计算坝体内浸润线的简化公式，并以此确坝内渗透压力，用瑞典条分法计算岸坡安全系数，通过模拟计算说明水库水位在下降过程中处在坝体总高度下部1/3～1/4水位区间时，对坝体稳定是最不利的。白龟山水库土坝总坝高16.3m，动用死库容供水水位下降区间就接近坝体总高度的下1/4处，从水库坝体稳定角度来说，低水位运行对坝体稳定是不利的。

3　黏土裂缝原因

3.1　裂缝内外因

含水率的减少是导致土体体积收缩的直接原因。黏性土的干缩裂缝是非饱和状态下土体的力学特性，土体自身矿物的组成和含水率(或饱和度)直接关系着干缩裂缝的形态，是土体干缩裂缝的内因，它与土体的黏粒含量、颗粒组成有关。而外部温度、环境湿度及空气流动性等气候条件是干缩裂缝的外因。

在土坝浸润面以上，土体处于非饱和状态，土体的饱和度一定程度上决定了基质吸力，也决定孔隙水压力(毛细水压力)的大小。基质吸力的变化直接控制着土体出现裂缝时的临界张应力大小和初始阶段裂缝的发展规律[4]。当土体的含水率低于某一值后，土体孔隙中产生负毛细水压力，在毛细水弯液面的表面张力作用下，土颗粒相互靠拢，在宏观上表现为土体失水收缩，随着含水率的降低，当张应力大于土体颗粒之间的黏结强度时，土体表面就会出现裂缝。

土体黏粒及含水量越高，含水土体在温度和风力的作用下，土体表面与内部失水速度的差异越大，表层土体受到其相邻深层土体的约束产生拉应力形成的裂缝越大。孙晓旭等人[5]通过试验模拟了蒸发过程，通过数据对比得出空气相对湿度与蒸发速率的关系。空气湿度是影响水蒸发的一个重要因素，而逸出土体的水分是导致土体干缩裂缝的直接原因。

3.2　干缩试验

干缩裂缝的三维形态是不规则的，准确定量描述比较困难，其长度、宽度、深度、间距和走向等也是没有规律的。裂缝长度、宽度发展的同时，裂缝深度也在发展，存在着一定的相关性。这些指标的实际测量比较困难，采用一个相对直观综合的裂缝率指标面积裂缝率，即定义裂缝率为裂缝的面积与土体面积的比值。

黏土的成分各不相同，导致其性状也各不相同。选取该工程所用土体土样进行失水收缩试验。称量一定的土样，使含水量大于液限，在失水过程中，称量不同裂缝状态的土样重量。计算土体的失水率，即水减少的质量与初始土体质量的比值。通过拍照，利用CAD软件测出裂缝面积，得到裂缝面积与失水率的变化情况，如图2所示。

图2　裂缝率与失水率的变化规律

3.3　临界失水率

通过模拟土样的失水收缩试验，发现失水率与裂缝率的变化规律，如图2所示。图形线A点之前，土体失水是不引起开裂的；在AB段，随着土体蒸发失水，裂缝的开裂面积逐渐增大；BC段随着土体的蒸发失水，裂缝的开裂面积增大的幅度逐渐变小。A点的失水率约为0.25%，即为该土样不开裂的临界失水率。此点对实际工程实践中具有运用价值和指导作用。

4　抢护方案

作为已建成的土坝来说，影响土体干缩裂缝的因素中其内因是无法改变的。而外部局部温度、环境湿度及空气流动性等气候外因可直接影响土体裂缝发展程度，可以通过土坝的坝体表面局部温度、湿度及空气流动性等的调整来左右干缩裂缝发展。

4.1　墒土层确定

处于湿润状态的墒土对延缓水分蒸发和干缩裂缝的发展起到重要作用。坝体内浸润面是自由水面，浸润面以下的土体处于饱和状态，以上的土体由于毛细水作用而处于湿润状态。毛细水是受水与空气交界面处表面张力作用的自由水，毛细水高度主要取决于土粒比表面积、孔隙大小。

对于水库土坝来说，由孙晓旭等人[5]模拟试验可知，水位的升降直接导致坝体浸润面的升降，坝体内部的毛细水层随之相应的调整，初始蒸发的是土体中的重力水，补充这部分逸出的重力水或降低蒸发的速率，减少库水位上升时坝体应力重新调整时间是解决问题的关键。作为传递介质必须具有良好的给水度，中粗砂(粒径d为0.25～2mm)的给水度为0.2～0.3[6]是比较理想的。墒土层厚度应由传递墒介质的给水度能够补充开裂土体的失水量来决定，同时提供坝体的土体表面局部温度、湿度等微气候环境条件。

4.2　抢护方案

白龟山水库是一个半平原半丘陵型水库，土坝坝体长，裂缝多且分布面积广是其显著特点，由此决定了抢护任务十分艰巨。

水库生活供水、蒸发及渗漏综合平均每天约40×104m3，水位每天降低约20mm，供水水位下降时基本上是连续的，不存在骤降情况，库水位骤降可能引发的土坝险情基本上不存在。关键是应对突遇暴雨，水位上升速度过快，突然加载使坝体各部位的变形来不及调整，产生高应力或出现不协调位移下的易发险情。抢护方案的制定必须满足该条件才是可行的。

水位的上升速度不宜过快，对于流域集水面积1310km2的突降暴雨来说，人为能力是无法控制荷载加载强度的。必须从影响裂缝形成的气温、风力和湿度等因素去考虑，能够采取的也只有调整湿度方面的措施：ⓐ增加土体表面局部湿度，减少土体水分蒸发的损失速率；ⓑ设置墒土层，调节土体含水率。使坝体各部位的变形调整与水位的上升相适应，避免产生高应力或出现不协调的位移。