新西河水庫土壩下遊管湧成因及其處理

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文標簽:水庫論文
論文作者: 林壯波
上傳時間:2006/2/16 17:17:00

摘要:通过對新西河水庫土壩下遊发生的多次管湧原因的分析,提出了一個導、減、排相結合的處理方法,工程取得了令人滿意的效果,並大大節省工程投資,為類似工程提供了借鑒。

關鍵詞:土壩管湧 剩余扬壓力 处理措施 導滲 排滲減壓井

1 工程概況

  揭東縣新西河水庫位於榕江北河二級支流龍車溪中遊,距揭陽市榕城區北偏西15公裏,當時為解決下遊7.27萬畝的灌溉用水和滿足壩址上遊河床采錫礦需斷流而兴建。水庫集雨面積為91平方公裏(含上遊九重坑、蛮頭山兩水庫集雨面积14.24平方公裏),壩址以上幹流河長 15 公裏,河床平均比降3‰,現水庫是一宗以農田灌溉為主,結合、發電、供水等效益的中型工程。水庫正常蓄水位41.00m(珠基,下同),相應庫容4459m3100年一遇設計洪水位44.79m,相應庫容4920m31000年一遇校核洪水位47.73m,相應庫容5892m3。工程於195612月動工興建, 1958 1月竣工時壩頂高程為42.00m1968年對主壩加高培厚後,現壩頂高程為49.00m,最大壩高37m,壩頂长度450m,壩頂寬5.0m。新西河水庫附近為低丘地带,土質均屬花崗巖風化土,偶有大塊花崗石露头。築壩土料均為礫質或含少量礫的壤土類,用碾壓式。在填筑土壩時,在壩前坡腳設置水平粘土鋪蓋長80m,厚1.0~1.5m,並在壩前坡腳設置灌漿帷幕一道,帷幕厚度約6m,平均深度9.0m。坝體原排水設備采用墊褥式反濾層,平鋪伸入壩內30m,棱柱體高度2.0m,加壩时采用排水暗溝型式,將原來反濾層排水導出壩外,壩址外仍做反濾設備,棱柱體高度2.0m

2 土壩下遊管湧及其成因分析

2.1 土壩歷次管湧介紹

  新西河水庫自19582月開始蓄水以來,土壩壩坡穩定,但下遊壩腳舊河床處卻多次发生管湧,現將先後發生的六次管湧险情(位置詳見圖1:大壩平面布置圖)及處理情況介紹如下表:

  土坝下遊壩腳舊河床處六次管湧險情及其處理情況表

  由上表可見,发生管湧時的庫水位只有33.15m42.70m,比水庫校核洪水位47.73m尚低14.585.03m,出險後雖經多次填築壩下遊鎮壓台及庫內拋土,但仍不能徹底解決問題,必須進一步做好壩下游的除險加固工程。

2.2 土壩下遊管湧原因分析

  為了對管湧原因進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行詳细的工程地質勘探;由多個鉆孔控制得知,大壩壩基河床有一寬約160mNE-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。大致於标高0.36~13.72m之間產出,厚3.65~11.10m,中間厚,兩側薄。7個砂土樣測試結果:γ=1.72~1.97×103kg/m3,飽和度Sr15.20~66%,孔隙比e0.51~0.59,不均勻系數Cu2.36~19.77。即該土層為松散、稍濕至很濕、密實、均勻至不均勻的砂土類。渗透系數k值室內測定最大為1.89×101 cm/s,最小為5.90×104 cm/s。对鉆孔的註壓水試驗結果k1.30×102~3.40×102 cm/s。可见,滲透系數較大,已達产生管湧的水文地質條件。而且,歷年來發生管湧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渗漏很小(滲透系數k約为1.50~6.48×105 cm/s),其它位置也未發現有較大的滲漏通道或現象。因此可判定本層為水庫多次發生管涌的主要通道。沖積层下層為粘土、砂質粘土,层厚0.16~5.40m,密實,幹燥后甚堅硬,N63.518(ZK7),屬透水性能極差的中~低壓縮性土類。

  根據有關資料,結合工程实際地質情況分析,水庫下遊壩腳多次發生管湧的主要原因是壩基存在厚度較大的松散河床堆积層,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、後均為開礦後留下的礦湖(上遊礦湖距离壩腳150m,下遊礦湖距離壩脚70m,均比壩腳深約10m),而壩前鋪蓋層長80m只做到礦湖邊緣,導致滲流從壩前礦湖經壩基透水層直出壩後反濾体外,而引起管湧。管湧的產生是因為有剩余壓力存在。對剩余壓力的來源作如下分析:

  ⑴ 根據實測資料,在庫水位34.27m時測得的三條坝內浸潤線(見图2:壩內水位對比圖),因有反濾排水設備的存在,这三條浸潤線的尾部都已降下來,它們已不能對壩下遊造成大的剩余压力;而按相同庫水位和當時(測量這三條浸润線的1968年)壩下排水設备位置計算的壩底壓坡線,則高于壩下鎮壓臺。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。

  ⑵ 本土壩壩底跨壓新老河槽,而屢屢發生管湧的位置均在於老河槽及其邊緣;新河槽範圍的左壩段(東壩段)则從未發生管湧,相接在一起的东、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。因此可以認為:右壩段(西壩段)壩下的管湧與坝底河槽地層構造有著密切關系。

  ⑶ 老河槽有著深厚的強透水層在建庫之初已經探明,也作了上遊鋪蓋、帷幕等防滲設施和壩底大面積的墊褥式導滲設備,為何還有導致管湧的剩余壓力呢?這與壩底滲流的出逸位置有著密切的關系。

  據地質資料,老河槽底部強透水層中間存在著一層相對不透水的粉质粘土(或重壤土)層,可能由於這一粉質粘土層的存在,限制著地基滲流流向壩底墊褥式導滲設備,而顺著邊界限制繼續流至出逸点,出逸點離壩腳越远,壩腳的剩余壓力越大。那麽,第一次管湧的出逸點在那裏呢?据當時搶險經驗介紹:“195843日發現下遊的礦湖塌岸,長達19m,寬6m,說明坝(庫)內滲流通至下遊礦湖”。這一直觀推測,正与強透水層中存在限制滲流的粉質粘土層的情況吻合。因為當时地質鉆探範圍只在壩底範圍進行,沒有在壩下補孔進一步查清;但從水庫剛蓄水,水位較低(195843日庫水位26.55m)時矿湖先塌岸,庫水位升高後壩腳管湧的情況判斷,粉質粘土層還延续至下遊礦湖。它限制著渗流流向上面而承受水壓。礦湖深約10m(據記載),作為滲流的出逸點是有條件的。

  ⑷ 下遊礦湖距壩腳70m,水面高程约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,第二次管湧處的水位壓力高程為13.1m,比河床面高1.1m,因此管湧勢頭比第一次大為減弱。

  ⑸ 第二平臺完成後情況發生變化:第二平臺末的排水沟位置距老壩腳更遠,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年第五次管湧後整理鎮壓臺,把排水溝再往下遊移,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一步升高,這對坝腳減壓起到相反的作用;加上排水設備做得不好,使情况進一步惡化。所以本次地質鉆探发現壩下鎮壓臺各鉆孔內的水位普遍很高,如ZK09號孔,在庫水位34.5m時,測得孔內水位17.85m;(按第一次管湧推算,此点的地下水壓力高只為13.60m),ZK4(加)孔在庫水位36.55m時,測得孔內水位18.00m(按第一次管湧推算,此點的地下水壓力高只為14.57m),在這樣低的庫水位,壩下地下水位就這麽高(比原河床高了5.856.0m)。由此可見,若現在再接長鎮壓臺,再將滲流出逸點往下遊推移,則勢必再增大壩腳地下水位,於工程安全不利,並加剧了對左壩段的影響。

轉貼于 免費论文下載中心 http://www.hi138.com

3 土坝下遊壩腳管湧處理方案的確定

  針對上述土壩壩腳发生的多次管湧原因的分析,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的松散砂礫層沿坝軸線進行水泥灌漿,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。治標的方法是用導滲,即在壩後鎮壓臺處修筑一個或一組減壓井,以期降低庫水的滲透壓力,防止再次發生管湧。最後,根據廣東省水電廳粵水電基字[199056號文“關於揭陽縣新西河水庫安全加固工程擴初設计的批復”,從經濟和技術的角度考慮,決定先采用治標的方法即排渗減壓的方案。具體做法如下:

  a) 在發生管湧的右壩段部分,距下遊壩腳15m處,沿壩軸線方向做淺沟反濾排程,反濾排水溝底高程16.00m,斷面尺寸依據滲流計算成果及以可以進人檢查、維修決定,其凈寬取0.70m,高1.50m,溝底布设塊石、碎石、河砂構成排水導滲體。為了提高排渗效果,並減少地層滲流對下遊耕地的影響,沿排水溝方向每隔10m左右設一內徑1.0m的導滲井,井深以達强透水層為控制,約2.0m深。在排水溝出口處設量水堰,觀測排水情況。

  b)为安全計,從排滲減壓溝頂的上遊侧至土壩20.0m高程之間,作順坡安全壓重,同時由於此排水溝的水面高程為16.50m,而現有鎮壓臺後面原排水溝水面為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遊田面,則壓坡線還低于田面高程,根據《土石壩加固》的建議,壓坡線以上要有1.5~2.0m的压重。為此,在鎮壓臺下遊設一壓重段,高1.50m,長35.0m,寬度以岸為界。

  采取上述工程措施後,壩腳附近的地下水位降低了,達到了消除隱患的目的。這樣便不會導致连在一起的左壩段的浸润線升高,對土壩整體的穩定作用也是十分明顯的。

4 施工過程應註意的問題

  a)由於導滲井井管深入強透水層,可能會給地下滲水創造集中滲流的條件而惹致麻煩,故施工過程應加強觀测;

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

  c) 反濾層不应被堵塞,特別應防止施工运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計要求,不能用風化的和不清潔的砂石料。

  e)減壓井回填反濾料後應立即進行沖井和洗井,目的是破碎泥皮,洗出反滤料中的泥沙,促進含水層中的较細顆粒進入井內排出,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。然後進行抽水試驗,量測流量和出砂量,檢驗井的效果。

5 工程效果及结論

  新西河水庫除險加固工程199411月完工,19954月经過竣工驗收。該工程完工至今已近10年,經受了19946號臺風,庫水位44.50m(接近設計水位44.79m)的考驗,原發生管湧的位置未有異常情況發生,說明該工程采用的處理方案是合理可行的。

  新西河水庫土壩管湧處理主要有以下幾個特點:a)找准了引起管湧的成因,抓住了處理的主要矛盾,采取導、減、排相結合的工程技術措施,有效的減少了壩腳地下水壓高程以達到消除導致壩腳發生管湧的能力。b)工程只在鎮壓臺表層施築,工程量小,施工難度小,從而大大節省了工程的投資。

參考文獻

白永年、吴士寧、王洪恩等,土石壩加固,電力出版社,1991

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

董哲仁,堤防除險加固實用技術,中國水利水電出版社,199811

免費論文下載中心 http://www.hi138.com
下载论文

論文《新西河水庫土壩下遊管湧成因及其處理》其它版本

水利工程論文服務

網站聲明 | 聯系我們 | 網站地圖 | 論文下載地址 | 代寫論文 | 作者搜索 | 英文版 | 手機版 CopyRight@2008 - 2017 免費論文下載中心 京ICP备17062730号