哈建屯贮灰场灰坝塌陷原因与治理措施研究

2022-04-18谢定松梁树军魏迎奇

中国水利水电科学研究院学报 2022年2期

陈丽，谢定松，梁树军，蔡红，魏迎奇，严俊

（1.国家开放大学理工教学部，北京 100039；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048；3.北京京能电力股份有限公司石景山热电厂，北京 100041）

1 研究背景

燃煤电厂在运行过程中产生大量的灰渣，需修建贮灰场储存灰渣，当灰渣综合利用率低时，需逐级加高子坝，但随着贮灰场坝体增高，坝体的稳定性问题以及坝体失稳对周边环境的影响等安全问题逐渐显现出来［1-3］。干灰场或湿灰场投入运行后，经过几十年的运行，受降雨及洪水的影响，原来设计、施工中存在的问题逐渐暴露，导致一些灰坝存在塌陷、滑坡、裂缝等隐患，如不采取措施进行处理，严重时将导致灰坝溃决，影响电厂的正常运行［4-7］。如：1982年8月的江西省乐平电厂，在长达数日的降雨作用下该电厂贮灰场坝体发生坍塌［4］；1983年5月江西景德镇电厂贮灰场在天降暴雨下副坝坝体滑坡造成溃坝事故［5］；2006年6月贵州大沙坝贮灰场因滑坡发生外泄灰水事故［6］，等等。

关于贮灰场灰坝的理论研究，目前主要集中在灰坝粉煤灰的物理力学性质研究、渗漏及边坡稳定分析等方面，其中王欢等［8］、李峰［9］、佘芳涛等［10］、王红鑫等［11］等研究了灰坝粉煤灰的物理性质及静动力力学特性，廖井霞等［4］、陈艳等［5］、杜文才等［6］、田继雪等［12］等分析了灰坝的渗流特性及抗滑稳定性。国内外对贮灰场安全方面研究成果表明，其变形和稳定的主要影响因素有［12-15］：粉煤灰筑坝材料的物理力学特性与坝体几何参数，如材料物质组成、坝内外坡比、坝高等，水的作用如地下水位和灰场内水位标高，此外还有地震作用等。除了由设计明确确定的子坝几何尺寸和初期坝特性等参数之外，贮灰场在正常生产运行过程中影响因素都是动态化的，并且这种动态变化都和水的作用密切相关［16］。但是，国内外对贮灰场灰坝出现病险及其治理措施方面的研究鲜见报道，这就导致灰坝出现病险后可借鉴的治理措施工程实例较少。

本文主要针对哈建屯灰场灰坝出现塌陷及排水管出水浑浊问题，通过坝体无损检测、管道检测机器人及数值模拟计算，分析坝体塌陷发生后坝体的稳定性，并探讨造成灰坝塌陷的主要原因，最后提出灰坝塌陷治理方案，研究成果可以为灰坝病险原因及治理方案提供经验借鉴。

2 工程简况

2.1 工程概况哈建屯贮灰场距电厂约7 km，为山谷水灰场。初期坝于1985年竣工，坝顶高程155.00 m，最大坝高19.30 m，坝顶宽4.0 m，上游坝坡1∶1.5，下游坝坡1∶2.5，下游设排水棱体，坝体筑坝材料为强风化石渣料。初期坝库容蓄满后，分别进行了一级、二级、三级和四级子坝加高，子坝高度分别为7.5 m、3.0 m、8.0 m、6.5 m，其中一级和二级子坝筑坝材料分别为石渣和风化沙石，三级和四级子坝采用水力冲填灰渣填筑。目前灰坝四级子坝坝顶高程为180.00 m，最大坝高44.3 m，总坝长1545 m，总容积约2850万m3。图1为灰坝平面布置图。

图1 灰坝平面布置图及坝体塌陷点位置

贮灰场排水系统由排水竖井、连接井、排水管及消力池组成。排水竖井共4座，内径为3.0 m，排水竖井连通排水管，排水管为ф1400 mm预制钢筋混凝土管，总长1942.0 m，穿过坝体底部，通向下游消力池。图2为排水管结构断面。

图2 排水管结构断面

2.2 工程地质贮灰场属于低山丘陵的沟谷地带，沟谷呈北西-南东方向分布，地势由北西向南东缓倾，地面高程为136.00～180.00 m，场地开阔，沟内山坡植被良好。灰坝两坝肩为丘陵山体，覆盖层较薄，表层厚0.70～1.20 m为坡残积物，以下为强风化花岗岩，黄褐色，呈砂状及碎石状。坝基中部地层从地层成因上看，为第四系洪积层（Q4dl+Pl），上部为黏土及亚黏土，呈褐色及黄褐色，中密，湿，可塑状态，层厚1.95～12.70 m；下部为砂类土，呈黄褐色，松散饱和状，层厚1.50～13.70 m。下伏基岩为燕山期花岗岩。图3为灰坝地质剖面图。

图3 灰坝地质剖面图

2.3 灰坝塌陷与应急处置 2017年7月12日贮灰场管理人员通过巡视检查，发现四级子坝上游坝坡出现一处较大塌坑，同时在四级子坝坝顶发现4条横向裂缝和1条纵向裂缝，横向裂缝间距约10 m，裂缝长合计约50 m，纵向裂缝位于坝顶道路边缘，长度约50 m，而且排水系统排水管出水浑浊，含大量灰渣，坝体塌陷点位于灰场排水管道上方，坝体塌陷点位置见图1。塌坑在上游坝坡处产生孔没事，洞口尺寸约为长4.0 m，宽3.0 m，塌坑内部灰渣已大量流失，塌坑周边混凝土板护坡结构已脱空。图4为四级子坝上游坝坡塌坑情况。

图4 灰坝上游坝坡塌坑情况

灰场运行人员发现塌陷后及时上报，电厂组织设计、运行人员及相关专家进行现场踏勘，并及时启动了应急预案，采用了应急处理措施：（1）采用袋装砂填充塌陷区，大约抛了12 000条编织砂袋；（2）调整坝前排灰口的位置，并加大灰场排水量，降低灰场水位，增加贮灰场干滩长度；（3）加密变形监测和渗流观测。（4）临时采用袋装砂在塌陷区周边修筑围堰。

坝体塌陷区经过应急处理后，塌陷区未继续扩大，而且排水管出水变清，未发现继续带出灰渣现象。

3 灰坝塌陷检测与分析

灰坝塌陷发生后坝体稳定性也是值得关注的问题，通过坝体无损检测、管道检测机器人及数值模拟计算，分析了坝体塌陷发生后坝体的稳定性。

3.1 无损检测与分析灰坝上游坝坡发生塌陷后，为了探查灰场排水管道周边坝体是否存在地下空洞，采用探地雷达无损检测法对灰坝进行地下空洞探测。探地雷达检测结果表明：

（1）在探测深度范围内，除坝体局部介质不密实外，未见到探测剖面中有明显的坝体塌陷引起的地下空洞。图5为四级子坝坝顶测线地质雷达探测结果，坝顶下部红框范围内未发现其余地下空洞。

图5 四级子坝坝顶测线探地雷达探测结果图

（2）根据四级子坝坝坡塌陷点正上方的3条测线探地雷达结果，在剖面中心下方存在一比较明显的反射轮廓，推断为塌陷空洞中所填砂袋与原坝体材料的界面。除此之外，在探测深度范围内，未见到探测剖面中有其它明显的由坝体塌陷引起的地下空洞异常。

3.2 坝体渗流计算分析

3.2.1 计算断面根据贮灰场灰坝设计断面图，选取坝体最大断面0+570作为计算断面，图6为灰坝0+570渗流计算断面。

3.2.2 计算参数根据坝址区地质断面和坝体设计断面，进行渗流有限元计算模型的概化和材料分区。坝体、坝基等各种材料的渗透系数取值根据地质勘察报告，并结合类似工程经验确定。一般情况下灰渣在沉积的状态下容易形成渗透的各向异性，即水平向渗透系数大于垂直向渗透系数。水平渗透系数较大会导致坝体内浸润线位置抬高，本次渗流计算考虑了沉积灰的渗透各向异性情况，其水平与垂直向渗透系数的比值取5。上游坝坡及坝基铺设土工膜，渗流计算时考虑了土工膜的作用。粉煤灰、灰坝坝体土料和坝基材料的渗透系数见表1。

表1 各土层渗透系数及强度指标

3.2.3 渗流分析计算结果坝体在各种渗流计算方案中的坝体渗漏量见表2，坝体浸润线位置和渗流等势线见图7和图8。渗流计算结果表明：

图7 灰坝0+570断面0m干滩浸润线和等势线位置图

图8 灰坝0+570断面50m干滩浸润线和等势线位置图

表2 灰坝各工况渗流计算结果

（1）初期坝的单宽渗流量为（0.04～1.64）×10-4m2/s。

（2）三级子坝和四级子坝在上游坝坡和坝基铺设有土工膜，并在坝基设置碎石排水褥垫，三级子坝和四级子坝坝体浸润线的位置也不高，现场检查时下游坝坡均未见有水渗出，且坝脚排水沟内无水，说明三级子坝和四级子坝渗流运行正常。

（3）一级子坝筑坝材料为石渣，二级子坝筑坝材料为风化沙石，这两种材料渗透系数较大。从渗流计算结果看，一级子坝和二级子坝坝体浸润线的位置较高，这与测压管得到的浸润线位置相近，不利于坝体的安全。

（4）从浸润线计算位置可知，50 m以上的干滩长度可使浸润线位置降低到二级子坝坝体以下。一般来说干滩长度越长，坝体浸润线位置越低，同时流向下游的灰水渗漏量也越小。

（5）初期坝和一级子坝出逸水力比降分别为0.71和0.73，均小于石渣料的破坏允许水力比降1.20，渗透稳定性满足要求。

3.3 坝体稳定性数值分析计算采用的具体强度指标详见表1。采用极限平衡条分法Bishop法对搜索的最危滑面进行稳定性计算，各种计算工况下，灰坝边坡稳定安全系数结果见表3。计算结果表明：

表3 坝体边坡稳定分析计算结果

（1）在各种计算工况下的坝坡稳定安全系数均满足《火力发电厂水工设计规范》（DL/T 5339-2018）规范要求，但无干滩工况下安全系数富裕度不大。

（2）50 m以上干滩长度的安全系数能比无干滩时的安全系数提高不少，一般来说干滩长度越长，坝体稳定安全系数越大。

（3）由于下游坡临界滑裂面位置未穿过三级子坝和四级子坝，设计洪水及校核洪水条件灰坝边坡稳定安全系数一样，均满足规范要求。

3.4 管道检测机器人检测坝体塌陷点位于灰场排水管道上方，为了探明排水管道的现状，采用管道检测机器人对排水管道出口段300 m范围进行了检测，共发现缺陷41个，其中结构性缺陷31个，功能性缺陷10个。通过检测发现，管道内明显各缺陷统计如下：渗漏19处、结垢10处、腐蚀8处、脱节2处、起伏1处、变形1处。

重大缺陷位置描述：管道全段多处渗漏，其中两处呈瀑布状漏水，渗漏达到4级。（1）纵向119.24 m处，环向1001位置存在（SL）渗漏，4级：喷漏—水从缺陷点大量涌出或喷出，涌漏水面的面积大于管道断面的1/3。纵向长度0.05 m，见图9；（2）纵向127.63 m处，环向1002位置存在（SL）渗漏。4级：喷漏—水从缺陷点大量涌出或喷出，涌漏水面的面积大于管道断面的1/3。纵向长度0.08 m，见图10。

图9 排水管接头渗漏情况（纵向119.24m处）

图10 排水管接头渗漏情况（纵向127.63m处）

检测200 m以后，管节处均有不同程度渗水。检测距离170m以后，每段管节处能够明显看到结垢与腐蚀现象（部分能够清晰看到环向钢筋）。排水管管道内部检测综合评价：管道全线存在多处漏点，其中在坝体塌陷区域内（170 m至300 m）范围内，查出明显渗漏点共计11处，漏点位于管道接口处，管道接口原设计安装宽度为2 cm，现漏缝宽度2～4 cm，环向长度约10 cm，另外管道内接口位置多出现结垢，部分渗漏顺着结垢物缓慢流下，接口处有不同程度腐蚀现象。

3.5 坝体塌陷原因分析经32年的运行，排水管混凝土结构存在老化病害，主要表现为混凝土裂缝、混凝土剥蚀，钢筋已发生锈蚀，内部钢筋与混凝土表面之间有锈蚀迹象。两节排水管道之间的接头产生变形，接头宽度变宽，而接头处止水材料未能适应变形，特别是纵向119.24 m处和纵向127.63 m处存在喷漏现象，渗漏水流带出大量灰渣，并导致排水管出口浑浊。随着排水管道接头渗漏处库内沉积灰渣不断流失，库内沉积灰渣下部区域形成孔洞并不断扩大，最终孔洞直达四级子坝上游坝坡，造成四级子坝上游侧坝体产生塌坑。

4 灰坝塌陷加固处理

4.1 处理方案论证

4.1.1 排水管修复方案排水系统修复可以采用两种方案，（1）排水管内衬PE管道的方式修复现有排水管，内衬区段为1#排水竖井至消力池段，管道长417 m；（2）沿灰场左岸山脚新建排水斜槽，排水斜槽约2500 m，从4#排水竖井附近开始，沿左坝肩修建，穿过灰场坝体，最终排入消力池，回到电厂。

排水管内衬PE管道的方式具有以下优缺点：（1）施工简便，施工质量容易控制；（2）施工时受外部环境因素影响小；（3）施工周期短；（4）施工完成后可以保证排水管道强度，保证灰水能顺利回收；（5）投资较少；（6）需专用顶推机具。

新建排水斜槽具有以下优缺点：（1）施工完成后可以满足电厂的灰水回收要求；（2）需修筑施工2500 m长围堰；（3）需破坏现有三级子坝及四级子坝；（4）施工工期长；（5）需施工临时道路；（6）施工费用高。

修复排水管方案与新建排水斜槽方案相比，具有施工工期短、费用低、施工简单、质量易于控制等优点，故本工程拟采用修复排水管方案。

4.1.2 坝体修复方案坝体修复主要包括修筑临时围堰、四级子坝破坏处坝体拆除、塌陷坑填筑、坝体及排水褥垫修复。

（1）四级子坝破坏处坝体拆除。根据检测结果灰场仅四级子坝局部坝体破坏，出现塌陷、裂缝现象，本次修复需先拆除破坏部分坝体。从上至下分层拆除，并按照1∶3.0放坡，每隔2 m设置一台阶，台阶宽不小于2 m，拆除后顶长约130 m，最下端长50 m。

（2）塌陷坑填筑。在塌陷应急处理时已经采用袋装砂对塌陷坑进行临时填筑，共填筑约12000条编织砂袋。塌陷坝体拆除后需对塌陷坑填筑，本次修复采用压力灌注灰渣浆对袋装砂周围进行填筑，以保证塌陷坑填筑的密实性。塌陷坑顶部采用水力充填灰渣填筑至坝体基础顶面。

（3）坝体及排水褥垫修复。塌陷坑填筑达到标准后进行坝体及排水褥垫的修复，坝体采用水力充填灰渣筑坝。修复时，上游防渗土工膜需与周边坝体土工膜粘接，下游土工布需与周边坝体土工布缝接，保证排水褥垫与周边坝体排水褥垫联通。

4.2 施工方法介绍由于贮灰场排水管在坝体底部发生泄漏，而且排水管出口300 m范围内管道有不同程度的损坏，本次排水管修复方案采用排水管内衬PE管道，内衬段为1#排水竖井至消力池，管道长417m。考虑到排水管道直径、管道内平整性及过流量等因素，内衬PE管道外径800 mm，壁厚16 mm，管道施工采用顶推的方式，管道入口处设置顶推工作井，图11和图12为贮灰场排水管道内衬PE管道施工情况。采用压力灌注细石混凝土或水泥浆封堵内衬PE管道与原排水管之间的空隙，采用水泥∶粉煤灰∶水=1∶1∶1.2的水泥浆配比。为保证内衬PE管道与原排水管有效固定，在消力池管口处用地泵灌注10 m3C30细石混凝土，然后全管灌注水泥浆。

图11 排水管道内衬PE管道施工情况（现场）

图12 排水管道内衬PE管道施工情况（内部）

坝体修复主要包括修筑临时围堰、四级子坝破坏处坝体拆除、采用压力灌注灰渣浆对塌陷区进行填筑。

4.3 施工效果评价 2017年9月23日四级子坝修复开始清理塌陷物，10月13日开始钻孔注浆，2018年4月23日重新开始继续进行水力冲填，6月15日完成四级子坝修复全部施工工作。

2018年5月28日完成注浆管、接线管布设工作，6月4日完成固定支架、滑轮、钢丝绳安装工作，6月6日完成PE管道牵引工作，6月25日完成压力灌注水泥浆工作，6月26日进行工程整体竣工验收。

原排水管内衬PE管道，内衬PE管道与原排水管之间的空隙采用混凝土封堵，排水管道接头不会渗漏。坝体塌陷区底部采用压力灌注灰渣浆方式，顶部采用水力充填灰渣方式，使塌陷坑填筑密实性达到设计要求，灰坝的抗滑稳定性和渗透稳定性能满足规范要求。

到目前为止，该贮灰场修复后坝体塌陷部位和排水管和已投入使用3年，运行状态良好，未见异常，修复方案可行。

4.4 经验教训灰坝和排水管投入运行32年后，排水管接口变形，产成接口发生喷漏现象，渗漏水流带出大量灰渣，造成坝体塌坑和排水管出口浑浊。在后续运行中需做好以下工作：（1）平时做好巡视检查和定期灰坝安全监测，并做好记录。（2）贮灰场需建立事故应急救援组织，制定防洪、垮坝等事故的应急预案，并定期组织演练与评估。（3）发生应急事故时，及时启动应急预案，并加密观测。（4）每年汛期需对排水管内部进行人工或管道机器人检查，掌握排水管现状；（5）每三年一次的贮灰场安全评估，除复核排水管的过流能力外，需检查排水管内部状况。一般灰场对上述第4和第5条实施不到位，但对灰场底部存在煤矿采空区时，更应重视第4和第5条，以防排水管产生不均匀变形。