新西河水庫土壩下游管涌成因及其處理

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簡介： 通過對新西河水庫土壩下游發(fā)生的多次管涌原因的分析，提出了一個導(dǎo)、減、排相結(jié)合的處理方法，工程取得了令人滿意的效果，并大大節(jié)省工程投資，為類似工程提供了借鑒。
關(guān)鍵字：土壩管涌 剩余揚壓力 處理措施 導(dǎo)滲 排滲減壓井

1 工程概況

　　揭東縣新西河水庫位于榕江北河二級支流龍車溪中游，距揭陽市榕城區(qū)北偏西15公里，當(dāng)時為解決下游7.27萬畝農(nóng)田的灌溉用水和滿足壩址上游河床采錫礦需斷流而興建。水庫集雨面積為91平方公里（含上游九重坑、蠻頭山兩水庫集雨面積14.24平方公里），壩址以上干流河長 15 公里，河床平均比降3‰，現(xiàn)水庫是一宗以農(nóng)田灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、供水等效益的中型工程。水庫正常蓄水位41.00m(珠基，下同)，相應(yīng)庫容4459萬m3，100年一遇設(shè)計洪水位44.79m，相應(yīng)庫容4920萬m3，1000年一遇校核洪水位47.73m，相應(yīng)庫容5892萬m3。工程于1956年12月動工興建， 1958 年1月竣工時壩頂高程為42.00m，1968年對主壩加高培厚后，現(xiàn)壩頂高程為49.00m，最大壩高37m，壩頂長度450m，壩頂寬5.0m。新西河水庫附近為低丘地帶，土質(zhì)均屬花崗巖風(fēng)化土，偶有大塊花崗石露頭。筑壩土料均為礫質(zhì)或含少量礫的壤土類，用碾壓式施工。在填筑土壩時，在壩前坡腳設(shè)置水平粘土鋪蓋長80m，厚1.0~1.5m，并在壩前坡腳設(shè)置灌漿帷幕一道，帷幕厚度約6m，平均深度9.0m。壩體原排水設(shè)備采用墊褥式反濾層，平鋪伸入壩內(nèi)30m，棱柱體高度2.0m，加壩時采用排水暗溝型式，將原來反濾層排水導(dǎo)出壩外，壩址外仍做反濾設(shè)備，棱柱體高度2.0m。

2 土壩下游管涌及其成因分析

2.1 土壩歷次管涌介紹

　　新西河水庫自1958年2月開始蓄水以來，土壩壩坡穩(wěn)定，但下游壩腳舊河床處卻多次發(fā)生管涌，現(xiàn)將先后發(fā)生的六次管涌險情(位置詳見圖1：大壩平面布置圖)及處理情況介紹如下表：

　　土壩下游壩腳舊河床處六次管涌險情及其處理情況表

　　由上表可見，發(fā)生管涌時的庫水位只有33.15m至42.70m，比水庫校核洪水位47.73m尚低14.58～5.03m，出險后雖經(jīng)多次填筑壩下游鎮(zhèn)壓臺及庫內(nèi)拋土，但仍不能徹底解決問題，必須進(jìn)一步做好壩下游的除險加固工程。

2.2 土壩下游管涌原因分析

　　為了對管涌原因進(jìn)行探討及采取有效地、徹底地治理措施，1990年由市原水電工程公司對土壩進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)勘探；由多個鉆孔控制得知，大壩壩基河床有一寬約160m作NE-SW方向展布的原新西河(龍車溪)河床沖積層，沖積層從上到下分兩層：上層為中、粗砂、細(xì)礫、砂礫和含卵石、漂石的礫石層，邊部常見含有部分粘土類，上部因采錫礦的原因，部分被挖掘而覆以雜土，堆積松散。大致于標(biāo)高0.36~13.72m之間產(chǎn)出，厚3.65~11.10m，中間厚，兩側(cè)薄。7個砂土樣測試結(jié)果：γ=1.72~1.97×103kg/m3，飽和度Sr＝15.20~66%，孔隙比e＝0.51~0.59，不均勻系數(shù)Cu＝2.36~19.77。即該土層為松散、稍濕至很濕、密實、均勻至不均勻的砂土類。滲透系數(shù)k值室內(nèi)測定最大為1.89×10－1 cm/s，最小為5.90×10－4 cm/s。對鉆孔的注壓水試驗結(jié)果k＝1.30×10－2~3.40×10－2 cm/s?？梢?，滲透系數(shù)較大，已達(dá)產(chǎn)生管涌的水文地質(zhì)條件。而且，歷年來發(fā)生管涌的位置和本次用鉆探推定的舊河床中心部位一致，加上已知壩身及兩肩滲漏很小(滲透系數(shù)k約為1.50~6.48×10－5 cm/s)，其它位置也未發(fā)現(xiàn)有較大的滲漏通道或現(xiàn)象。因此可判定本層為水庫多次發(fā)生管涌的主要通道。沖積層下層為粘土、砂質(zhì)粘土，層厚0.16~5.40m，密實，干燥后甚堅硬，N63.5＝18擊(ZK7)，屬透水性能極差的中~低壓縮性土類。

　　根據(jù)有關(guān)資料，結(jié)合工程實際地質(zhì)情況分析，水庫下游壩腳多次發(fā)生管涌的主要原因是壩基存在厚度較大的松散河床堆積層，而建壩時沒有清基做隔水墻，只采用帷幕灌漿，但效果不佳，孔隙未能全部堵塞；且因壩前、后均為開礦后留下的礦湖(上游礦湖距離壩腳150m，下游礦湖距離壩腳70m，均比壩腳深約10m)，而壩前鋪蓋層長80m只做到礦湖邊緣，導(dǎo)致滲流從壩前礦湖經(jīng)壩基透水層直出壩后反濾體外，而引起管涌。管涌的產(chǎn)生是因為有剩余壓力存在。對剩余壓力的來源作如下分析：

　?、?根據(jù)實測資料，在庫水位34.27m時測得的三條壩內(nèi)浸潤線(見圖2：壩內(nèi)水位對比圖)，因有反濾排水設(shè)備的存在，這三條浸潤線的尾部都已降下來，它們已不能對壩下游造成大的剩余壓力；而按相同庫水位和當(dāng)時（測量這三條浸潤線的1968年）壩下排水設(shè)備位置計算的壩底壓坡線，則高于壩下鎮(zhèn)壓臺。所以剩余壓力不是來自壩體浸潤線，而是來自壩底的壓力水頭。

　?、?本土壩壩底跨壓新老河槽，而屢屢發(fā)生管涌的位置均在于老河槽及其邊緣；新河槽范圍的左壩段（東壩段）則從未發(fā)生管涌，相接在一起的東、西壩段有明顯的差別。來源于老河槽底部有深厚的強透水層，而新河槽底部只有很薄的砂卵石層。因此可以認(rèn)為：右壩段（西壩段）壩下的管涌與壩底河槽地層構(gòu)造有著密切關(guān)系。

　?、?老河槽有著深厚的強透水層在建庫之初已經(jīng)探明，也作了上游鋪蓋、帷幕等防滲設(shè)施和壩底大面積的墊褥式導(dǎo)滲設(shè)備，為何還有導(dǎo)致管涌的剩余壓力呢？這與壩底滲流的出逸位置有著密切的關(guān)系。

　　據(jù)地質(zhì)資料，老河槽底部強透水層中間存在著一層相對不透水的粉質(zhì)粘土（或重壤土）層，可能由于這一粉質(zhì)粘土層的存在，限制著地基滲流流向壩底墊褥式導(dǎo)滲設(shè)備，而順著邊界限制繼續(xù)流至出逸點，出逸點離壩腳越遠(yuǎn)，壩腳的剩余壓力越大。那么，第一次管涌的出逸點在那里呢？據(jù)當(dāng)時搶險經(jīng)驗介紹：“1958年4月3日發(fā)現(xiàn)下游的礦湖塌岸，長達(dá)19m，寬6m，說明壩（庫）內(nèi)滲流通至下游礦湖”。這一直觀推測，正與強透水層中存在限制滲流的粉質(zhì)粘土層的情況吻合。因為當(dāng)時地質(zhì)鉆探范圍只在壩底范圍進(jìn)行，沒有在壩下補孔進(jìn)一步查清；但從水庫剛蓄水，水位較低（1958年4月3日庫水位26.55m）時礦湖先塌岸，庫水位升高后壩腳管涌的情況判斷，粉質(zhì)粘土層還延續(xù)至下游礦湖。它限制著滲流流向上面而承受水壓。礦湖深約10m（據(jù)記載），作為滲流的出逸點是有條件的。

　?、?下游礦湖距壩腳70m，水面高程約1.2m；若取此為老河槽強透水層滲流的出逸點，以地下滲流壓坡線為直線變化，則可計得第一次管涌處的水位壓力高程為16.5m，比原河床面高4.5m，與搶險時壓蓋的砂石厚度基本相符。照此類推，第二次管涌處的水位壓力高程為13.1m，比河床面高1.1m，因此管涌勢頭比第一次大為減弱。

　　⑸ 第二平臺完成后情況發(fā)生變化：第二平臺末的排水溝位置距老壩腳更遠(yuǎn)，排水溝溝底高程增至13.5m，此兩因素都起到增大壩腳地下水壓力的作用，對工程不利。1974年第五次管涌后整理鎮(zhèn)壓臺，把排水溝再往下游移，排水溝出口的量水堰堰頂高程13.9m，對比原來河床高1.9m，使壩腳地下水高程進(jìn)一步升高，這對壩腳減壓起到相反的作用；加上排水設(shè)備做得不好，使情況進(jìn)一步惡化。所以本次地質(zhì)鉆探發(fā)現(xiàn)壩下鎮(zhèn)壓臺各鉆孔內(nèi)的水位普遍很高，如ZK09號孔，在庫水位34.5m時，測得孔內(nèi)水位17.85m；（按第一次管涌推算，此點的地下水壓力高只為13.60m），ZK4（加）孔在庫水位36.55m時，測得孔內(nèi)水位18.00m（按第一次管涌推算，此點的地下水壓力高只為14.57m），在這樣低的庫水位，壩下地下水位就這么高（比原河床高了5.85～6.0m）。由此可見，若現(xiàn)在再接長鎮(zhèn)壓臺，再將滲流出逸點往下游推移，則勢必再增大壩腳地下水位，于工程安全不利，并加劇了對左壩段的影響。

3 土壩下游壩腳管涌處理方案的確定

　　針對上述土壩壩腳發(fā)生的多次管涌原因的分析，提出了治本的方法是堵截，即對大壩右壩段下方斷面為160×(3.65~11.0)m的松散砂礫層沿壩軸線進(jìn)行水泥灌漿，以期在砂礫層中形成一定厚度的隔水混凝土幕墻，防止或減弱庫水的滲漏。治標(biāo)的方法是用導(dǎo)滲，即在壩后鎮(zhèn)壓臺處修筑一個或一組減壓井，以期降低庫水的滲透壓力，防止再次發(fā)生管涌。最后，根據(jù)廣東省水電廳粵水電基字［1990］56號文“關(guān)于揭陽縣新西河水庫安全加固工程擴初設(shè)計的批復(fù)”，從經(jīng)濟和技術(shù)的角度考慮，決定先采用治標(biāo)的方法即排滲減壓的方案。具體做法如下：

　　a) 在發(fā)生管涌的右壩段部分，距下游壩腳15m處，沿壩軸線方向做淺溝反濾排水工程，反濾排水溝底高程16.00m，斷面尺寸依據(jù)滲流計算成果及以可以進(jìn)人檢查、維修決定，其凈寬取0.70m，高1.50m，溝底布設(shè)塊石、碎石、河砂構(gòu)成排水導(dǎo)滲體。為了提高排滲效果，并減少地層滲流對下游耕地的影響，沿排水溝方向每隔10m左右設(shè)一內(nèi)徑1.0m的導(dǎo)滲井，井深以達(dá)強透水層為控制，約2.0m深。在排水溝出口處設(shè)量水堰，觀測排水情況。

　　b）為安全計，從排滲減壓溝頂?shù)纳嫌蝹?cè)至土壩20.0m高程之間，作順坡安全壓重，同時由于此排水溝的水面高程為16.50m，而現(xiàn)有鎮(zhèn)壓臺后面原排水溝水面為14.0m，兩溝之間還存在地下水力坡降，如以此水力坡降順延至下游田面，則壓坡線還低于田面高程，根據(jù)《土石壩加固》的建議，壓坡線以上要有1.5~2.0m的壓重。為此，在鎮(zhèn)壓臺下游設(shè)一壓重段，高1.50m，長35.0m，寬度以岸為界。

　　采取上述工程措施后，壩腳附近的地下水位降低了，達(dá)到了消除隱患的目的。這樣便不會導(dǎo)致連在一起的左壩段的浸潤線升高，對土壩整體的穩(wěn)定作用也是十分明顯的。

4 施工過程應(yīng)注意的問題

　　a）由于導(dǎo)滲井井管深入強透水層，可能會給地下滲水創(chuàng)造集中滲流的條件而惹致麻煩，故施工過程應(yīng)加強觀測；

　　b）反濾排水溝溝底反濾料的級配及其分層一定要按設(shè)計的要求嚴(yán)格控制，以防止級配不良或分層不清而產(chǎn)生滲透破壞；

　　c) 反濾層不應(yīng)被堵塞，特別應(yīng)防止施工運料時和雨水沖刷的泥土堵塞反濾層；

　　d) 反濾層的材料符合設(shè)計要求，不能用風(fēng)化的和不清潔的砂石料。

　　e）減壓井回填反濾料后應(yīng)立即進(jìn)行沖井和洗井，目的是破碎泥皮，洗出反濾料中的泥沙，促進(jìn)含水層中的較細(xì)顆粒進(jìn)入井內(nèi)排出，使較粗顆粒排列在反濾料的周圍，形成反濾，防止或延緩使用過程中淤堵。然后進(jìn)行抽水試驗，量測流量和出砂量，檢驗井的效果。

5 工程效果及結(jié)論

　　新西河水庫除險加固工程1994年11月完工，1995年4月經(jīng)過竣工驗收。該工程完工至今已近10年，經(jīng)受了1994年6號臺風(fēng)，庫水位44.50m(接近設(shè)計水位44.79m)的考驗，原發(fā)生管涌的位置未有異常情況發(fā)生，說明該工程采用的處理方案是合理可行的。

　　新西河水庫土壩管涌處理主要有以下幾個特點：a）找準(zhǔn)了引起管涌的成因，抓住了處理的主要矛盾，采取導(dǎo)、減、排相結(jié)合的工程技術(shù)措施，有效的減少了壩腳地下水壓高程以達(dá)到消除導(dǎo)致壩腳發(fā)生管涌的能力。b）工程只在鎮(zhèn)壓臺表層施筑，工程量小，施工難度小，從而大大節(jié)省了工程的投資。

　　致謝:本文在撰寫過程中，引用了《揭陽縣新西河水庫加固工程擴初設(shè)計書》的有關(guān)成果，謹(jǐn)此致謝!

參考文獻(xiàn)：

白永年、吳士寧、王洪恩等，土石壩加固，水利電力出版社，1991年

毛佑儀，小型水庫管理叢書，安全檢查與加固，水利電力出版社，1994年

董哲仁，堤防除險加固實用技術(shù)，中國水利水電出版社，1998年11月