水利工程論文-新西河水庫土壩下游管涌成因及其處理.doc

水利工程論文-新西河水庫土壩下游管涌成因及其處理摘要：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、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。關鍵詞：土壩管涌剩余揚壓力處理措施導滲排滲減壓井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)，相應庫容4459萬m3，100年一遇設計洪水位44.79m，相應庫容4920萬m3，1000年一遇校核洪水位47.73m，相應庫容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，在壩前坡腳設置水平粘土鋪蓋長80m，厚1.01.5m，并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。壩體原排水設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出壩外，壩址外仍做反濾設備，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14.585.03m，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細的工程地質(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。大致于標高0.3613.72m之間產(chǎn)出，厚3.6511.10m，中間厚，兩側(cè)薄。7個砂土樣測試結(jié)果：=1.721.97103kg/m3，飽和度Sr15.2066%，孔隙比e0.510.59，不均勻系數(shù)Cu2.3619.77。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1.89101cm/s，最小為5.90104cm/s。對鉆孔的注壓水試驗結(jié)果k1.301023.40102cm/s。可見，滲透系數(shù)較大，已達產(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1.506.48105cm/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0.165.40m，密實，干燥后甚堅硬，N63.518擊(ZK7)，屬透水性能極差的中低壓縮性土類。根據(jù)有關資料，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時（測量這三條浸潤線的1968年）壩下排水設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、帷幕等防滲設施和壩底大面積的墊褥式導滲設備，為何還有導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滲設備，而順著邊界限制繼續(xù)流至出逸點，出逸點離壩腳越遠，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。因為當時地質(zhì)鉆探范圍只在壩底范圍進行，沒有在壩下補孔進一步查清；但從水庫剛蓄水，水位較低（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。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，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一步升高，這對壩腳減壓起到相反的作用；加上排水設備做得不好，使情況進一步惡化。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5.856.0m）。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