水库排水棱体淤堵原因及处理措施

2021-02-24曾永强

建材发展导向 2021年1期

曾永强

（广州市黄埔区金坑水库管理所，广东广州 511363）

1 工程概况

某水库于2004年经过排水棱体升级，于坝脚土体与砂砾石层间增设土工布。根据此次勘察数据可知，库水位为68.53m，大坝下游坡存在大范围的湿润区且伴有多股渗水，部分排水沟底部出现多处渗水点，不利于坝体的正常使用。为准确判断坝坡的渗流稳定性状况，需对排水棱体展开全面的分析，明确其工作情况及淤堵原因，从而采取相适应的处理措施。

某水库控制流域面积55.2km2，正常蓄水位74.00m，死水位51.20m，电站总装机容量500kW，以灌溉功能为主，兼具防洪、发电等多重辅助性功能，是一座综合型的中型水库。大坝设置有心墙坝，坝顶长446.0m，宽6.0m，高程79.46m。大坝上游结构体系中以混凝土预制块护坡为主，于高程67.24m处设置马道，高程67.24m～55.00m范围内设置干砌块石护坡，高程55.0m以下为抛石固脚。坡面布设排水系统，建设有排水棱体装置，其顶高49.00m，为重要的排水途径。

2 水库的主要问题

1）水库浸没。水库所处位置主要为峡谷地段，从库区分布特点来看，水库为最低排泄基准面，库边未形成低洼区，岸坡以较陡的斜坡为主，坡度普遍＞30°。水库浸没覆盖范围小，仅见于正常蓄水位的水边线周边区域。

2）库岸稳定。水库区分布多条冲沟，虽有松散堆积体但数量较少，基岩出露现象较为普遍。从既有运营状况来看，无大范围崩岸、滑坡事故，同时基岩岸坡形态较初期无明显变化。通过调查可知库区无不良地质，库岸基岩斜坡在完整性、稳定性方面均有较好的表现。

3 渗流计算模型

非饱和土的渗流遵循达西定律，且符合连续性方程的基本特点，此方面与饱和土体的渗流特性无差异。但有所不同的是，非饱和土的渗透系数具有变动性，易受到基质吸力的影响，且随时间的延长土中含水率将发生变化［1］。综合达西定律和渗流连续性方程，可进一步生成基于非饱和土的渗流控制方程：

式中，kx、ky分别为x和y方向的渗透系数，cm/s；γw为水的重度，N/m3；θw为体积含水率；t为时间，s；μw为孔隙水压力，N/m3。

4 渗流计算及排水棱体工作性态分析

4.1 渗流计算分析

以地质勘察报告、土工试验及加固质量评价结果为基本依据，合理规划渗透分区并确定具体的渗透系数。坝体、坝基两处的渗透区数量分别为1个、2个。引入GeoStudio软件，利用该工具围绕大坝渗流问题展开有限元分析，根据排水棱体的结构特点，考虑有效运行和完全淤堵两种工况，具体内容如图1、图2所示。

图1 排水棱体有效状态渗流计算

图2 排水棱体完全失效状态渗流计算

4.2 排水棱体工作性态分析

通过对渗流计算结果的分析可知：

1）在排水棱体有效运行的条件下，坝体浸润线高程相对较低，渗水能够通过排水棱体外排，总体运行状况良好。

2）在排水棱体完全失效的工况下，坝体浸润线高程将大幅提升，坝体渗水排出状态异常，均从排水棱体以上部分逸出，具体的点位高程达到53.12m。从现阶段的排水棱体工作状况来看，出逸点高程逼近下游坝体干湿分界线高程，意味着排水棱体的淤堵现象较为严重，已经失效。同时，在2013年便针对排水棱体顶部的土工布采取优化措施，对其钻孔，短期内下游坝脚水位有所下降，但经过多年使用后钻孔依然存在淤堵问题，导致坝脚水位随之提高。从实际结果来看，可充分说明现阶段排水棱体已经处于失效状态。此时坝体渗水难以快速排出，坝体浸润线随时间的延长而逐步升高，坝体和坝坡两处的稳定性每况愈下。

5 淤堵原因分析

土工织物可作为滤层材料而使用，水流经该土工织物，期间大量土颗粒持续封闭土工织物孔口，发生淤堵现象，可见渗透流量持续下降，淤堵的出现将导致滤层失效［2］。通过室内模拟试验的方式探明该淤堵的作用机制，总结出较为典型的淤堵成因，具体作如下分析：

1）坝体填土成分。坝体土主要以粉质黏土和粉土居多，内含粗颗粒含量相对较少，但存在大量的细颗粒。在同等水头作用下，从水力梯度指标的角度来看，具有粉质黏土明显超过粉土的特点，进一步说明粉质黏土的渗透力相对较大。由于存在渗透力作用，导致细颗粒逐步进入土工布的孔隙内，发生淤堵现象。

2）砂垫层颗粒级配。土工布与砂垫层采取直接接触的方式，渗径相对较短，若未满足连续级配的相关要求，则细砂易进入土工布的孔隙内，随之发生淤堵。

6 基于排水棱体淤堵的建议措施

鉴于上述所提的渗流异常状况，出于维持大坝等相关结构安全运行的基本目的，现提出相应的对策，以期从根本上排除安全隐患。

1）基于排水棱体现状组织翻修作业。开挖处理，将土工布清理干净。考虑到坝体填土细颗粒含量偏多的特点，宜铺设砂卵石垫层，以便替换原土工布，达到反滤保护的效果，此后按照棱体的既有尺寸完整复原。

2）经过翻修处理后需注重日常观测，及时掌握排水棱体的工作状态，对处理效果作出评价，存在异常状况时可采取针对性应对措施，保证坝体渗水可以快速排出。

考虑到坝体防渗效果欠佳的问题，特采取高压旋喷和土工膜相综合的方式。具体而言，取坝体高程183.27m至坝基范围，对该处采取高压旋喷灌浆处理措施，灌浆孔设置在内坡平台处，183.27m直至坝顶部分完整铺设复合土工膜。各灌浆孔按1.25m的间距标准依次布设，孔深入基岩部分的深度达0.5m。坝体单薄，坡面存在较明显的坑洼现象，总体缺乏平整性，对下游坝坡培厚的同时对坝坡面采取加固处理措施。鉴于既有排水棱体功能效果逐步下降的情况，现对其加以改造，重点处理区域为老排水棱体上游坡脚，于该处沿坝轴线方向按照3m的间距依次造孔，孔内铺反滤料并采取压实处理措施，各冲抓孔均按照3m的间距设置，孔径1m，应完全深入至老排水体，钻孔后回填1m厚的粗砂，再回填卵石。各排水孔之间开挖沟槽（基本尺寸要求为宽1m、深2m），以便与前期设置好的冲抓孔连通，于周边铺设土工布，取距沟底0.5m的位置，于该处埋设φ200mm的塑料盲管，若无误则回填砂卵石并采取压实处理措施，铺2层土工布后回填粘土。从实际检测结果来看，经处理后的坝体渗透系数均在1.0×105cm/s以内，具有弱透水性的特点，以往坝体渗漏的情况不复存在。可见主体坝体的防渗加固效果良好。

3）对于副坝坝体的渗漏现象，可采用冲抓套井回填处理，沿坝顶中心线依次布孔。孔径1.1m，主井与套井中心间距设为0.865m。从现场情况来看，上游坝坡面护坡存在较明显的受损现象，因此通过砼预制块护坡。对下游坝坡采取培厚处理措施，坝顶在既有宽度的基础上扩宽，达到1.04m。通过实测结果可知，副坝坝体冲抓套井在经过回填处理后，成型的防渗心墙总体质量良好，实测渗透系数均在1.0×105cm/s以内，具有弱透水性的特点，以往下游坝体渗漏的情况不复存在。由此表明，在对副坝坝体采取防渗加固处理措施后，能够解决副坝排水棱体功能不足的问题。根据排水棱体的现有状况，对其改造处理，沿坝体轴线方向按照3m的间距标准依次钻孔，孔内铺反滤料后再采取压实处理措施，以构成排水孔；对表层采取开挖处理措施，形成导渗沟。鉴于副坝涵管异常渗漏的情况，对该处翻新，将既有的浆砌石箱涵挖除干净，设置钢筋混凝土预制涵管。

7 设计及施工的注意事项

1）以土体特性为依据选择高性能土工布。若土体内部含大量细颗粒，此时在渗透力作用下易导致该部分颗粒进入土工布空隙，随时间的延长而堵塞土工布表面，甚至出现土工布完全失效的情况，淤堵现象异常明显。对此，必须综合考虑到土体的渗透性和颗粒组成情况，以此为依据合理选择土工布，保证其在物理、力学方面的指标均可满足要求。

2）优化砂垫层结构组成。经土工布淤堵试验可知，在砂垫层厚度增加的情况下，土体颗粒向土工布转移的渗径随之延长，此时随着砂细度模数的提高，从中砂过渡至粗砂，可以发现土工布内存在的含土量也随之减少。由此表明可以适当加大砂垫层的厚度，材料方面可选择连续级配粗砂，具体应保证其细度模数稳定在3.1～3.7，将砂垫层厚度增至15cm，通过此方式可避免淤堵现象。