高拱壩壩基排水問題

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1、問題的提出

　　據(jù)工程事故實例,如美國莫伊埃河拱壩,高度為16.6 m,因左岸山脊薄及巖層向下游傾斜并有 軟弱夾層,受滲流浸蝕而沿軟弱夾層滑動失去支承;美國拉尼湖拱壩,高20.5 m,因勘探草率, 壩肩置于周圍為泥土碎屑堆石的、直徑約42 m的大孤石上,受滲流浸蝕引起大孤石松動而破 壞;法國馬爾巴塞(Malpasset)拱壩,高66.5 m,壩底厚6.91 m,壩頂厚1.5 m,壩頂長222.66 m, 壩基巖性為片麻巖,左岸巖石夾有絹云母頁巖。該壩于1959年12月2日潰壩,這是拱壩建筑史 上的大事。經(jīng)法國組織調(diào)查委員會等反復(fù)調(diào)查鑒定,并引起世界各國專家、學(xué)者的關(guān)注和討 論,最終認(rèn)為潰壩主要原因是壩荷載平行壓縮片麻巖層,受滲流潛蝕與滲透壓力作用,致使壩 基沿巖層裂隙滑移而造成潰壩,見圖1;秘魯弗萊瑞雙曲拱壩,高74 m,壩基巖性為安山巖,事故 原因是地震力使拱座下游出現(xiàn)垂直裂縫和位移,見圖2,以及左拱座下游存在巖體崩坍體3.6萬 m3,巖石走向與壩肩裂隙平行,滲透壓力造成巖石破壞所致。在后來的加固項目中增設(shè)了巖石排水系統(tǒng)。

　　我國梅山連拱壩,高88.24 m,壩基巖性為花崗巖,蓄水6年后右岸壩基裂隙大漏水,在未封堵灌 漿孔時噴水高達(dá)31 m,射程11 m,13號垛位移43.61 mm、垛拱出現(xiàn)裂縫及15號、16號拱前巖 石裂縫寬5～17 mm。事故分析主要原因為右岸壩基山脊單薄臨空、斷層裂隙切割、鄰垛高差大及防滲排水不足。后期的加固項目包括增設(shè)排水系統(tǒng)。

　　從50年代原蘇聯(lián)教科書或美國墾務(wù)局設(shè)計準(zhǔn)則中都認(rèn)為,一般拱壩特別是薄拱壩基礎(chǔ)滲流 對壩體和壩基并不是重要的。因而,在拱壩基礎(chǔ)中一般都不設(shè)置排水系統(tǒng)。但從上述拱壩事 故實例啟示,拱壩基礎(chǔ)受滲流浸蝕與滲透壓力作用,對壩基穩(wěn)定產(chǎn)生了極不利的影響,甚至釀 成事故,從而也引起了工程界對拱壩滲流研究和處理措施的重視,其中排水效應(yīng)具有重要意義。

2、排水效應(yīng)的理論研究

2.1 卡氏理論研究簡述

　　著名學(xué)者A．卡色格蘭德(A．Casagrande)教授于1961年以《壩基和 壩座的滲流控制》為題作了演講,現(xiàn)將其分項內(nèi)容簡述如下:

　　(1)首先在前言中依據(jù)一座壩的觀測資料,利用灌漿與排水的各自效應(yīng)闡述巖石滲流控制 情 況;

　　(2)排水分析。依據(jù)不同部位設(shè)置排水而得到滲透壓力理論值;假定巖石各向同性并為半無限 體,在符合達(dá)西定律情況下,利用滲流理論,得到排水孔下游無滲流或高于和等于下游尾水位 時的理論解;

　　(3)不完全截水分析。以截水比例值,利用單排帷幕灌漿與鋼板樁存在窄縫情況,表明了防滲 截水效應(yīng);

　　(4)假設(shè)例子討論。假設(shè)8種不同防滲截流與排水情況的圖例,得出壩基和壩座存在滲透壓力 需要量測預(yù)報及設(shè)置排水孔孔深的建議;

　　(5)田納西局和墾務(wù)局所屬壩的滲透壓力觀測。依據(jù)實際滲透壓力觀測資料表明,帷幕灌漿作 用小而排水作用大,并存在排水設(shè)置不足和孔深較淺等問題。

　　(6)帷幕灌漿及薄拱壩壩座滲流控制。實例表明,帷幕灌漿主要目的是降低滲漏,對降低滲透壓力作用不大;由于薄拱壩拱座巖石陡峻,難于灌漿與保證巖石不變形,建議使用隧洞或豎 井排水;

　　(7)結(jié)論和建議。最終得到主要結(jié)論為:

　　a.滲流對壩基和壩座的影響,采用綜合排水能有效控制,對重力壩和重力拱壩可用淺孔排水, 當(dāng)遇不良地質(zhì)情況時,加深排水孔能有效控制滲透壓力;

　　b.降低壩基滲透壓力的主要措施是設(shè)置排水,見圖3,帷幕灌漿的主要作用是減少滲流量,對降 低滲透壓力效果不大;

　　c.壩座處陡峻巖石處理的問題主要是爆破和灌漿作業(yè)難于保證巖石不變形,建議采用隧洞或 豎井排水來解決壩座滲流問題。