土石坝的内部侵蚀与修复

［墨西哥］ R.弗洛尔贝罗内等

1 概述

据有关文献资料，导致堤防、土坝和土石坝失事的主要原因之一就是所谓的“管涌”。事实上，管涌和内部侵蚀是造成大约50%这类土石坝结构失事的主要原因。为防止这类事件的发生，学者卡萨格兰德提出了以下建议性措施:确保筑坝或筑堤建材的合理选择;控制施工期间所用建材的均一性;大粒径石料和细粒料之间应有过渡性材料;设计中妥善铺设上下游反滤层。

本文以墨西哥埃尔巴丹(El Batan)坝为例对这类土石坝的内部侵蚀与修复情况进行了介绍。该坝土石坝段的反滤层特征与泰尔扎吉(Terzaghi)的反滤层设计标准不符，防渗心墙的压实度和含水量也与设计规范有出入。因此，先从大坝坝址及其坝特征入手，介绍探测到的坝内侵蚀状况和大坝现场试验及完成的修复工作。然后讨论土石坝反滤层的设计与施工，以及土石坝如何避免管涌或内部侵蚀的发生，并提出若干针对性的建议。文中所报告的事件，发生在1991年，而1988年年底已完成了反滤层设计。从那以后，相关重要文献便接连不断地发表。本文将尝试性地依据目前的反滤层设计标准进行相关的研究和分析。

2 坝址和大坝特征

埃尔巴丹坝座落在墨西哥中部克雷塔罗(Queretaro)市西南部的埃尔皮柏里托(El Pueblito)河上，其中土石坝段长207 m，高45 m，基岩为破碎的玄武岩体，因而需进行少量的固结灌浆处理。邻近坝肩左侧布置有一侧流式溢洪道。为了控制施工期间的流量，需将大坝施工分两个阶段进行:第1阶段在右坝肩，第2阶段在左坝肩。左坝肩布置有一个坡比为0.5H∶1.0V的导水槽，便于设置一条灌溉用的输水管道(图1)。溢洪道布置在左岸。该水库总库容为6.5 hm3。需要重点强调的是，有5000名居民居住在埃尔皮柏里托(El Pueblito)村，此村位于埃尔巴丹坝下游3 km处。大坝防渗心墙材料采用黑色高塑性残积粘土(属统一土分类法中的CH)，渗透系数k=10-6cm/s;用羊脚碾平行于大坝纵轴线方向碾压，压实层层厚20 cm。对导水槽下部的特殊部位，采用手动振动压实机压实，对防渗墙以外的其他部位，仍遵循土工试验室确定的含水量和密实度规范要求进行压实。但只要可进行操作，导水槽上半部便采用羊脚碾沿其轴线进行压实。表1为心墙粘土的特征参数。

图1 导水槽与输水管断面

表1 心墙粘土的特征参数

反滤层采用砂砾石料，由运料卡车从车后翻卸，堆厚2 m，无需碾压，以防止施工过程中造成材料的严重分离。尽管反滤层设计采用了泰尔扎吉标准，但由于砂砾石料粗细颗粒的易分离性问题，所构成的颗粒分布形态并不满足泰尔扎吉的反滤层标准，这一点本文后面还将详述。

上下游反滤层周围的卵石和堆石体(最大粒径为0.30 m)，其填筑的坝体断面外坡为2.0H∶1.0V;至于这些石料的粒径分布情况，还没有明确的答案，不过肯定是按统一规模的尺寸开采自破碎的玄武岩(但石料不规则)，平均粒径0.15 m。

3 渗漏事件

埃尔巴丹坝于1990年12月完工，水库原计划于1991年7月首次蓄水至1902 m高程。但在水库蓄水达到此目标前的12 d，由于连续数天的降雨，在输水管道附近，观察到下游坡面发生渗漏。之后渗漏量逐步增加到50 L/s以上，漏出的水呈暗黑色，表明心墙材料正在被浸蚀。1991年7月28日清晨，正如上述提到的在同一地点观测到200 L/s的渗漏，同一天数小时后，沿输水管出口线坝顶附近观测到2个集中渗漏通道(相距20 m)，一个在上游，另一个在下游坝坡，此时库水位在1902.23 m高程(溢洪道高程以上3.63 m)。

在出现这两个渗漏通道之后，漏水量立即骤减，为15 L/s，可能是由于塌落的土料落入通道使渗漏被封堵所致。为防止进一步浸蚀和管涌的发生，在溢洪道中开了一个溢水槽，使库水位能降低到1895 m高程，并通过排水孔注入某种材料(浸蚀发生后的24 h)以填补已被冲走的土石料，总共用了410 m3的石料(主要为卵石和块石，如同原设计中的反滤层料)，封堵了此渗漏通道。

4 现场勘测

除快速降低库水位外，还采取了一些紧急措施，防止坝体失事，同时沿下游坝面对任一漏水的情况都进行了严密的巡察，并对泄水管周围的渗水迹象全面进行监测。根据工程项目的应急计划，采取了如下风险防范措施:

(1)将库水位泄放至1895 m高程;

(2)定期进行大坝检测，建立长效防范机制;

(3)进行坝内探测，在受损或薄弱地带使用观测仪器;

(4)在溢洪道顶部1898.6 m高程处开一个溢水槽，防止在现场勘测和随后的修复工程中水库水位上升。

在渗漏影响区的周围，及时进行了土质勘察，以查明事件原因。此次调查，共挖了两个防塌竖井和9个钻孔，以获取原状并具代表性的土样，同时在每个防塌竖井中都设置了露天测压管。

运用获取的原状土样，通过试验，测得了美国材料试验学会(ASTM)标准规定的常规土壤特性指标，如土的剪切强度、渗透率、压缩系数等等，还进行了某些特殊附加试验，如含盐量、有机物含量、碎块试验(ASTM D6572-06)，以及为确定防渗心墙粘土分散特性的碎块试验。

从工地勘测获取的若干资料如下:

(1)设在上游渗漏通道附近的B4钻孔内，在大坝防渗心墙18～22 m深的范围，通过B4钻孔发现有较大面积的松湿土，并混有砾石。

(2)B4钻孔内的水位与水库同高，表明它们是连通的。

(3)一旦钻孔全部钻毕，并在不同深处设置若干测压计，就可确定在坝内不同部位随时间而变化的水位。

5 现场调查分析

通过现场调查结果分析，可得出如下结论:

(1)坝体防渗心墙各碾压层在压实期间，由于含水量变化很大，导致了坝体材料均匀性的丧失。

(2)由于输水管较陡的过水侧会形成不均匀沉降和穹隆，加上有效应力的作用，以及持续或瞬时水流的渗透力，导致水力压裂情况的产生。考虑到因敷设输水管沿程的开挖应力分布问题，探察了静水压力超过横向正应力和拉应力合力的地段，因此可以认为，在水压力超过颗粒间压力这样的地带，土骨架中会出现张力，也就是所谓“水力致裂”过程导致土体崩裂的情况。

6 解决方案

为恢复埃尔巴丹坝的受损或破坏部分，用水泥和膨润土加水混合后的泥浆材料建一道不透水心墙。该不透水隔水墙长35 m，宽0.8 m，深度13～36 m不等(即深入到受损区域基岩再加1 m，以便伸入到基岩部分)。图2示出了该不透水心墙的布置。工程修复期间的库水位维持在1895 m高程。

图2 灌浆过程与隔水墙

修复工程分如下3个阶段。

(1)阶段1。此阶段为自流式灌浆，即采用灌浆法稳定破坏区域，包括隔水墙施工开挖和向土体注浆使之硬化。灌浆过程分为两步。第1步采用73%的水、24.5%水泥、2.5%膨润土混合浆体进行自流式灌浆。将自流式灌浆孔深入岩石内1 m深(在坝顶的中心线部位，钻孔间隔2 m)。钻孔的平均吸浆量在0+060断面附近为130 L/m，最大1100 L/m。第2步为压力灌浆。灌浆沿两条平行线进行，上游一条线，下游一条线(参见图3)，两条线间隔2 m。为防止水压致裂，规定最大灌浆压力为400 kPa，最大吸浆量为400 L。

(2)阶段2。此阶段为隔水墙施工(图3)，即采用槽壁法(slurry trench method)施工。整墙划分为19个槽段，每个槽段长2.2 m、宽0.8 m，开挖深度为13～36 m。为稳定开挖槽壁，采用由75%的水、20.8%水泥和4.2%的膨润土的混合浆作为注入钻孔内的泥浆。

(3)阶段3。此阶段为结合灌浆。经28 d养护期后，采用灌浆注入法，即应用一种特殊的砂浆，注入隔水墙和基岩结合部位，使其紧密结合。砂浆注入基岩的深度为5 m，最大允许灌浆压力为500 kPa，最大注入量500 L。

7 渗漏观测

将若干测压计(位于测压站)和观测井布置在隔水墙上下游侧坝内的防渗心墙中，在10 a的观测期内，采用这些仪器测量和记录了大量数据，以确定与库水位有关的坝内水位差。表2列出了数种工况和2种不同库水位情况下，渗流通过防渗心墙时坝下游坡脚处经计算的水力梯度。结果表明，10 a期间防渗墙的运行状况良好，令人满意。沿出口管道下游侧的渗漏量表明，在隔水墙施工完成后，可抑制渗漏量65%。

表2 不同工况下防渗心墙的理论水力梯度

8 结论与建议

从上述土石坝事件中可得出以下主要结论:

(l)在坡度急变地段，如为适应输水管路布置的导水槽路线一带，极易出现不均匀沉降，也可能出现穹隆，而且这种地段还会因土骨架内的拉应力和渗透力作用导致土体崩裂和水力致裂。在输水管周围的过渡区一带，即使是均质土，也很难达到规定的压实度，因此，工程划定了若干易于引起内部侵蚀的薄弱环节区域。

(2)埃尔巴丹坝反滤层的颗粒分布状况与泰尔扎吉标准的规定出入很大，不符合权威机构新近颁布的反滤层标准，也说是说，坝内反滤层的粒径材料太粗，级配极不合理，不能很好地防止大坝心墙材料的内部侵蚀。

(3)埃尔巴丹坝反滤层的现场运行情况表明，由于坝体侵蚀作用，在坝顶上形成的两个渗漏通道，就像竖井一样穿过防渗心墙，所以反滤层所用料过粗，一方面是设计标准应用的问题，但主要还是施工工艺上的问题。

(4)文中的实例研究表明，在设计新土石坝时，必须持续修订反滤层的标准。但令人遗憾的是，很多人都还未认识到频频出现的错误，也未见发表的文献中指出这些问题来避免新的设计中重蹈覆辙。

(5)沿防渗心墙的上下游侧设置反滤层，以防可能的管涌和内部侵蚀的发生，这方面的工作还有很多要做;对反滤层材料的粒径分布状况也必须进行很好地控制，避免铺设这些反滤层时出现粗细颗粒的分离。此外，在防渗心墙每层的铺料和压实期间，对材料的含水量必须进行严格控制和质量管理，理由很明确，如果土是在最佳而偏干燥的状态下压实的，则渗透率可能会出现很大的变化。

(6)这类土石坝在水库首次蓄水期间和之后，应制定好特殊的防范措施预案并持续地进行观测，必要时应采取补救措施，避免重大事件的发生或大坝失事。在防渗心墙的两侧，应将专用测压装置按不同深度布设，以使大坝水库在首次或随后的蓄水期间，能测得地下水位的任何异动情况。

(7)采用水泥和膨润土加水混合的材料来修复防渗心墙，如埃尔巴丹坝这样的防渗心墙，确实是一种可行的方案，这种做法，对其他同类土石坝的修复和正常运行具有很好的借鉴意义。