某水库排水棱体工作性态及淤堵原因分析

(1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌 330029)

土工织物是一种应用较为广泛的岩土工程材料，具有稳定性强、质量轻、造价低、便于运输和施工等优点，土工织物的价格比砂石反滤料要低廉得多，且可以缩短工期、降低费用，因此发展潜力大[1]。经常替代砂石反滤料，作为反滤排水材料应用于大坝排水棱体中[2-4]。然而，无纺布在使用后可能发生不同程度的淤堵，进而导致坝体渗水无法排出，对坝体安全造成危害。

某水库2004年除险加固翻修排水棱体过程中，在坝脚土体与砂砾石层间增设了一道土工布。此次勘查时(库水位 68.53 m)，发现大坝下游坡出现大面积湿润区及多股渗水，靠近右侧的混凝土排水沟底部亦出现多处渗水点，为对坝坡的渗流稳定性进行评价，需对排水棱体工作性态及淤堵原因进行分析。

1 工程概况

某水库控制流域面积 55.2 km2，按50 a一遇洪水标准设计，1 000 a一遇洪水标准校核，总库容为 5 079万m3。正常蓄水位 74.00 m，死水位51.20 m，灌溉面积 4万hm2，电站装机500 kW，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合效益的中型水库。

大坝为心墙坝，坝顶高程79.46 m，坝顶长446.0 m，宽 6.0 m，最大坝高 36.0 m。大坝上游为混凝土预制块护坡，在高程 67.24 m设有宽 2.0 m的马道，坡度自上而下分别为1 ∶3.23、1 ∶4.14，高程 67.24～55.00 m之间为干砌块石护坡，高程 55.00 m以下为抛石固脚；下游为草皮护坡，在高程 64.00 m处设一级马道，坡度自上而下分别为1∶2.52、1∶2.67。坡面设排水系统，排水棱体顶高程49.00m。大坝典型横断面见图1，排水棱体大样见图2。

2 渗流计算模型

图1 大坝典型横断面

图2 排水棱体大样

D.G.Frelund等[5]的研究表明，与饱和土体中渗流一样，非饱和土中渗流也符合达西定律和连续性方程。只是在非饱和土中渗透系数不再是常数，而是随基质吸力变化的函数，且土中体积含水率随时间变化而改变。将达西定律导入渗流连续性方程，可得到非饱和土的渗流控制方程为

(1)

式中，kx、ky分别为x和y方向的渗透系数，cm/s；γw为水的重度，N/m3；θw为体积含水率；t为时间，s；μw为孔隙水压力，N/m3。

3 渗流计算及排水棱体工作性态分析

3.1 渗流计算分析

大坝的渗透分区及渗透系数取值根据除险加固阶段地质勘察报告、土工试验成果及除险加固质量评价报告确定。坝体分为一个渗透区，坝基分为两个渗透区。大坝渗流计算采用GeoStudio软件进行有限元分析，分别对排水棱体有效和排水棱体完全淤堵失效两种情况进行了计算。大坝各分区的渗透系数取值见表1，计算成果见图3，4。

表1 大坝各分区的渗透系数取值

注：渗透系数中括号内为淤堵失效时取值。

图3 排水棱体有效状态渗流计算

图4 排水棱体完全失效状态渗流计算

3.2 排水棱体工作性态分析

由渗流计算分析成果可知：①当排水棱体有效时，坝体内浸润线较低，坝体渗水在排水棱体内出逸；②当排水棱体完全淤堵失效时，坝体内浸润线较高，坝体渗水在排水棱体以上出逸，出逸点高程53.12 m(对应上游水位 68.53 m)；③目前排水棱体的工作状态。通过渗流计算，出逸点高程与勘察时下游坝体干湿分界线高程较接近，符合实际工作状况，说明排水棱体已淤堵失效。此外，水库管理单位于2013年在排水棱体顶部采用土钻对土工布进行穿孔。施工结束初期，下游坝脚水位局部降低，但运行数年后，钻孔被土体淤塞，坝脚水位再次抬高。以上处理结果进一步验证了排水棱体失效的结论。

经坝体稳定复核计算，当反滤排水棱体淤堵时，瑞典圆弧法最小安全系数均满足规范要求，在设计工况(74.00 m)和校核工况(76.43 m)下采用毕肖普法计算出最小安全系数分别为1.283、1.268，均小于允许值1.30，不满足规范要求。因此，排水棱体失效导致坝体渗水无法正常排出，坝体浸润线升高，严重影响坝体渗透稳定及坝坡结构稳定。

4 淤堵原因分析

用土工织物作滤层时，水从被保护土中流过织物，在流动过程中可能使土颗粒封闭织物表面孔口或堵塞在织物内部，出现淤堵现象，使渗透流量减小。淤堵严重时会使滤层失去排水过滤作用，给工程造成危害[6]。翟超[7-8]等通过室内模拟试验分析了黏性土中土工布淤堵的机理，并将其影响因素总结为土体密实度、黏粒含量、水力梯度、土工织物等效孔径4个因素。综合分析，某水库排水棱体淤堵主要原因如下。

(1) 坝体填土成分。根据地勘报告，坝体土为黄色及红褐色粉质黏土及粉土，土体中粗粒含量较少，细颗粒含量较多。在同等水头作用下，粉质黏土的水力梯度大于粉土，因此，粉质黏土中的渗透力也相应大于粉土。细颗粒在渗透力作用下更容易进入土工布的孔隙中，最终导致土工布堵塞甚至淤堵失效。

(2)砂垫层颗粒级配。由于土工布与砂垫层直接接触，渗径较短，若未按连续级配进行设计，在渗透力作用下细砂极易进入土工布的孔隙中，进而加剧土工布的淤堵程度。

5 建 议

鉴于水库出现的以上渗流隐患，为排除隐患，确保大坝安全运行，建议管理单位尽快进行以下处理措施。

(1) 对排水棱体进行翻修。对排水棱体进行开挖后，将土工布进行清理。鉴于坝体填土细粒土含量较多，建议按规范要求铺设砂卵石层以替换原有土工布进行反滤保护，最后按原设计棱体顶高程、内外坡比进行结构复原。

(2)加强巡视检查及渗流观测。翻修排水棱体后，加密巡视检查及测压管水位的观测频次，并评价排水棱体的工作性态，确保坝体渗水在排水棱体内出逸。

根据以上分析，建议大坝设计与施工中应注意以下问题。

(1)按土体特性合理选择土工布。对于细颗粒含量较多的土体，应对土体进行颗粒分析。土体中细颗粒含量越多，相对而言，在渗透力作用下进入土工布空隙并堵塞土工布表面及内部的可能性越高，发生淤堵的概率也越高。因此，设计时应按土体渗透性和颗粒分析合理确定土工布的物理指标和力学性能指标。

(2)适当增大砂垫层的厚度及粒径大小。唐正涛[9-10]等通过模拟现场工况土工布淤堵试验发现，适当增大砂层厚度将延长土颗粒向土工布移动的渗径，在级配连续的条件下，随着砂的细度模数的增大，从中砂过渡到粗砂，土工布中单位体积含土量也在减少。因此，在设计中宜适当增大砂垫层的厚度及粒径大小，建议采用细度模数 3.1～3.7的连续级配粗砂作为垫层用砂，砂垫层厚度增大到15 cm，以减小淤堵的可能性。