寧陽縣蔣集鎮(zhèn)水庫土壩非穩(wěn)定性探析

　　馬通

　　(山東省泰安市寧陽縣蔣集鎮(zhèn)水利站271409)

　　摘要：土壩是由松散顆粒的土料經(jīng)過壓實填筑而成的擋水建筑物，土壩的滲流是在土壩上下游水位差的作用下，而形成的一種處于土壤顆粒之間的水流運動。

　　關鍵詞：土壩滲流流土管涌滑波

　　寧陽縣蔣集鎮(zhèn)地處汶河南岸，黃淮分水嶺北側(cè)，最大海拔高程361米。全鎮(zhèn)區(qū)域面積12.7萬平方公里，其中山區(qū)、丘陵占三分之二，是典型的花崗巖片麻石地區(qū)。二十世紀五、六十年代興建了117座水庫塘壩，其中小(一)型水庫2座，小(二)型水庫15座，塘壩100座，總庫容1700余萬方，壩體以土壩為主。由于施工機械落后，技術(shù)有限，經(jīng)費不足，造成工程質(zhì)量較低，因而不少土壩產(chǎn)生滲流、流土、管涌、滑坡等現(xiàn)象。這四種情況最后的結(jié)果是導致大壩塌坍、決口，給下游居民、房屋、牲畜、良田造成毀滅性災害，其經(jīng)濟損失不可估計，給社會政治穩(wěn)定帶來重大影響。因此，為搞好工程除險加固，確保水庫畜水后安全渡汛工作任務十分重要，現(xiàn)對水庫土壩非穩(wěn)定性四個階段作分析研究。

　　一、土壩的滲流

　　土壩是由松散顆粒的土料經(jīng)過壓實填筑而成的擋水建筑物，土壩的滲流是在土壩上下游水位差的作用下，而形成的一種處于土壤顆粒之間的水流運動。

　　滲流通過土壩壩體和壩基，是土壩的一個重要工作特點，也是土壩設計的一個重要內(nèi)容。通過土壩滲流核算確定壩體浸潤線的位置，據(jù)此作為壩坡穩(wěn)定和布置觀測設備的依據(jù)，并用以校核排水結(jié)構(gòu)型式的合理性，核算通過壩體和壩基的滲流量，估算水庫的滲漏損失，壩體和壩基滲流逸出區(qū)的滲透坡降，檢驗土壩是否能發(fā)生滲透變形，以便采取控制滲流的措施。

　　產(chǎn)生滲流的條件：1、上下游水位差大。2、壩基和壩體土壤密度小。

　　二、土壩的流土

　　當滲透水流并沒有將土中細小顆粒帶走，但由于水流對土壤顆粒有滲透壓力的作用，使一定范圍內(nèi)所有土的顆粒從壩體或壩基表面同時發(fā)生移動即所謂流土。

　　產(chǎn)生流土的條件：由于滲流在土壤顆粒的孔隙中流動，土壤顆粒對滲流作用著一種摩阻力，其方向與滲流方向相反，因而滲流對土壤顆粒亦作用著大小相等、方向相反的滲透壓力。在壩體或壩基的滲流中，不同位置滲流的方向不同，因而滲透壓力作用的方向也不一樣，它對土體穩(wěn)定的作用也有區(qū)別。在壩基靠近上游滲流入口處，滲透壓力由上向下，使土粒擠緊，對土體穩(wěn)定有利，在壩身靠近下游壩坡附近，當滲透壓力斜向下游時，對下游壩坡穩(wěn)定不利，在壩基靠近下游滲流逸出處，滲透壓力豎直向上，與土的自重方向正好相反，顯然對壩基穩(wěn)定是不利的。如果滲透壓力大于土的浮容重時，滲流將把局部粒團或土體沖起，產(chǎn)生流土現(xiàn)象。

　　三、土壩的管涌

　　在土粒間流動的滲流流速較大時，最小顆粒將首先被帶走，使孔隙增大，滲流速度也因而增大，進而使較大顆粒也被帶走，逐漸形成一種穿過壩體或壩基的管狀滲流通路，發(fā)生所謂管涌現(xiàn)象。管涌的繼續(xù)發(fā)展，將可能導致壩體或壩基的塌陷或坍滑。

　　產(chǎn)生管涌的條件：管涌僅在一定顆粒級配的非粘性土中發(fā)生，并與滲流水力坡降的大小有關。當滲流的水力坡降達到一定數(shù)值時，是否發(fā)生管涌，主要取決于非粘性土的顆粒級配情況，即主要與土的不均勻系數(shù)η=、有關[η=30～100為級配良好的土料，d10、d60—粒徑系按顆粒分布曲線(按重量計)決定，如小于某種粒徑的土重為10%或60%，則某種粒徑以d10或d60表示]。如果滲流水力坡降在曲線以上時，將可能產(chǎn)生管涌。由于水力坡降是臨界破壞的數(shù)值，又由于產(chǎn)生管涌的水力坡降不僅與η有關，還與粒徑組成中有無中間顆粒以及小于1毫米的細粒含量的多少等很多因素有關，故應按照壩的級別和粘性土的類別，選取2～3的安全系數(shù)。對于η>10～20而又缺乏中間粒徑的砂礫石或砂卵石以及細顆粒含量不超過25～30%時，發(fā)生管涌的坡降很小。

　　四、土壩的滑波

　　土壩發(fā)生穩(wěn)定性破壞時，將喪失其正常工作能力甚至造成嚴重的災害。土壩穩(wěn)定性破壞的主要表現(xiàn)形式是壩坡滑坍或壩坡連同壩基一同滑坍，校核驗算已成土壩邊坡的穩(wěn)定性是工程管理的一大重點。研究和了解土壩滑坡的形式，是分析土壩穩(wěn)定的必要條件，而作用在土壩上的力的核算是土壩穩(wěn)定驗算的主要依據(jù)。

　　產(chǎn)生滑坡的條件：1、滲透壓力。當強烈降雨以后，地面水積聚于壩頂且沿坡面流動，破壞了毛管水表面，使毛管水區(qū)不再是負壓區(qū)，同時，毛管水在重力作用下逐漸向坡面流動，形成類似水位降落時上游坡的滲流，對壩坡產(chǎn)生滲透壓力，促使壩坡滑坍。粘性土填筑的土壩每在雨后發(fā)生坍滑或裂縫，就是這個原因造成的。2、孔隙壓力。如果壩體和壩基是可壓縮的土，當壩上驟加荷重時，只能增加滑動力，也就是說孔隙壓力將大大降低壩的穩(wěn)定性。土壩孔隙壓力的大小主要取決于土料的性質(zhì)、填土起始含水量、填土的壓實干容重和填筑速度等因素。滲透系數(shù)是孔隙壓力產(chǎn)生與消散的重要因素之一。因而，應力求選擇粘土含量較低的粘性土料或無粘性土料作為筑壩材料。

　　土壩在穩(wěn)定滲流期將產(chǎn)生滲透壓力，其方向與流線的方向一致，水庫水位降落期，除滲透壓力外還將產(chǎn)生附加的孔隙壓力。

　　五、滲透破壞形式的判別(η：土不均允系數(shù))

　　1、粘性土和η<10的非粘性土以及η>10，但細粒含量大于30%的非粘性土，其滲透破壞的主要形式為流土。

　　2、正常級配的非粘性土，η=10～20，且細粒含量小于30%時，可能發(fā)生管涌，也可能發(fā)生流土，當η>20時其滲透破壞的主要形式是管涌。

　　3、缺乏中間粒徑的間斷級配的砂礫料，且細粒含量小于30%時，其滲透破壞的主要形式是管涌。

　　六、防止?jié)B透破壞的措施

　　根據(jù)以上土壩存在的問題及破壞原因應采取以下補救措施。

　　1、在按照設計要求包括高度、寬度、坡度復土夯實達到標準的前提下，土壩內(nèi)坡鋪石片或加固壩坡施工過程中，在0.5—1米土坡下平鋪塑料膜。個別壩段也可灌混凝土或水泥漿、瀝青灌漿、化學灌漿、粘土漿、水泥粘土漿，內(nèi)坡腳處挖至基巖搞防滲墻等幾種防滲形式，外坡用混凝土空心塊與土配合加之種草搞好護理。汛期壩內(nèi)水位較高時，在特殊水面位置用麥秸粘土或混凝土下沉后靠水的負壓將其堵塞，尤其是產(chǎn)生管涌時效果明顯。如1991年汛期，寧莊洪山水庫畜滿水庫后正在泄洪，主壩身中部突然發(fā)生了管涌，采用本辦法將其堵塞，達到了萬物一失。

　　2、設置垂直防滲體，包括截水墻、混凝土防滲墻及水泥粘土灌漿帷幕等。其防滲效果顯著，通過的滲流量很小。

　　3、設置排水和減壓設備，以降低地下水水頭，避免發(fā)生管涌和流土。壩基中如有一層不透水層，往往在壩趾處的不透水層下面仍存在很大的滲透壓力，將有可能使該土層發(fā)生流土，即使壩基面沒有較不透水的土層，但由于沖積土的水平滲透系數(shù)遠比垂直滲透系數(shù)大，壩趾處仍然存在很大的滲透壓力。為了防止下游壩趾附近壩基土層發(fā)生流土，除在壩基上堆置作為蓋重的土料外，還在壩趾處沿壩軸方向每間隔20米左右鉆孔作減壓井，井內(nèi)放置石棉水泥管或透水混凝土管，管周填反濾料，用以減輕壩趾處的滲透壓力。

　　4、土壩外坡設置反濾層，這是防止土體發(fā)生管涌的有效方法，土壩除在排水設備與壩體或壩基接觸面之間設置反濾層外，壩體各組成部分的接觸面處有滲流通過的地方都設置反濾層。反濾層由3層不同粒徑的非粘性土(砂、礫、卵石或碎石)構(gòu)成，層次應大體上與滲流正交其粒徑隨滲流方向而增大或蘆柴反濾層。

　　5、開溝導滲，如大面積嚴重滲透，有形成脫坡之勢時，用開挖縱橫溝或丫形溝，內(nèi)埋砂石料或蘆柴進行導滲。如1991年汛期，苗河二號水庫北面主壩身沿壩軸方向120余米大面積滲透嚴重，危急下游前彭、圩子兩個村3000余人的生命安全及數(shù)千畝糧田。采取本辦法避免了脫坡，確保了土壩安全渡汛。

　　探求水庫土壩潰塌的原因，結(jié)合各土壩的類型、現(xiàn)狀，有利于采取不同的除險加固措施，對提高汛期工程管理水平具有重要意義。

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