乌鲁瓦提大坝渗流的影响及控制

黄 涛

（新疆维吾尔自治区乌鲁瓦提水利枢纽管理局，新疆 和田 848000）

0 引言

大坝是由透水性能差的材料构成的水工建筑物，横跨河流，在上游侧形成水库，用于灌溉、发电、供水、防洪、航运、渔业和娱乐。大坝可分为单用途大坝和多用途大坝，大坝也可以被定义为一个阻挡水流并产生水库的屏障，在运行过程中往往产生渗流。关于大坝溃坝的报道现在很常见，溃坝可能是由多种原因引起，其中最常见的原因是渗漏和管涌（35%）、漫顶（25%）、溢洪道侵蚀（14%）、过度变形（10%）、滑动（10%）、闸门破坏（2%）、施工失误（2%）和地震失稳（2%）。研究表明，大部分渗漏故障是由于在故障发生之前缺乏监测和检测的仪器[1～2]。

当土壤抵抗力小于产生土壤结构的渗透力时，土壤结构就会因水流而发生侵蚀，从而使土壤颗粒被清除并随水流一起携带。土壤阻力取决于粘性、连锁效应、土壤颗粒的重量等因素。由于通过土壤结构的渗透不均匀，当存在渗透和水流集中时，侵蚀现象增加；在这种集中出现在下游侧的地方，对土壤颗粒的侵蚀力可能变得非常显著。由于不均匀沉降、地震运动、张力应力或动物啃咬（兔子、老鼠等）造成的孔洞，这种侵蚀过程可能发生在地球结构中的任何裂缝处。有的内部侵蚀条件也存在于土壤和刚性墙、混凝土结构、与基岩地基的界面等[3～4]。本文以乌鲁瓦提水利枢纽为研究对象，介绍大坝的基本渗流条件、成因、效应和控制方法。

1 工程概况

乌鲁瓦提水利枢纽工程是新疆和田河西支流喀拉喀什河中游河段控制性工程，乌鲁瓦提大坝为混凝土面板堆石坝(图1)，坝址距和田市71 km，枢纽以上控制流域面积19983 km2，约占全河流域面积的90%，控制全河径流量约97%。本工程是一项具有灌溉、防洪、发电、改善生态等综合效益的大(2)型水利枢纽，水库正常蓄水位1962.00 m，设计洪水标准为100 年一遇，校核洪水标准为2000 年一遇(加15%安全保证值)，设计洪水位1962.65 m，校核洪水位1963.29 m，水库总库容3.336 亿m3。

图1 乌鲁瓦提大坝结构

2 渗漏分析

在土壤工程中，渗流是土壤中的水运动，常常是建筑基础中的一个关键问题。渗透取决于几个因素，包括土壤的渗透性和压力梯度，本质上是通过重力和其他因素作用于水的力的组合。根据土壤结构和成分的不同，渗透性可以在很大范围内变化，从而使大坝和水库等结构的安全设计成为可能，而渗漏损失可以忽略不计，并使其他结构（如坝基和滤水层）的安全设计成为可能，在这些结构中，需要快速排水。大坝经常发生渗漏，如果渗漏量在设计范围内，不会对大坝的稳定造成危害。但是，如果渗流集中或不受控制超过极限，将导致失水，降低抗剪强度，并可能导致大坝破坏。管道是渗透破坏的类型之一。当通过土壤孔隙（即渗流）的水库水对流经的土壤颗粒施加牵引力，足以在渗流的无保护出口处将其清除时，就会发生管涌现象。管涌最初的物理表现通常是一个圆锥形的土堆，或是从斜坡流出的泥水流。土壤的清除可能会向上游推进，形成一个特征性的开口管或“管道”，通过大坝，这种现象由此而得名。储存在坝后的水总是寻求沿阻力最小的路径溢出或流动。这条路线可能穿过大坝，在大坝下面，或在大坝周围。

2.1 渗流量统计

工程监测区域内共有渗流溢出点三处，即：位于主、副坝之间的下游山坡上的1905.78 m 高程的SL-1 渗水点、SL-2 渗漏点以及高程为1905.32 m 的SL-3 渗漏点；表1 及图2 为渗漏点历年渗流量变化；从表1 及图2 可以看出，历年最大渗流量呈逐渐减小的趋势，表明大坝防渗向好的方向发展。

表1 乌鲁瓦提大坝历年渗流量统计表

图2 乌拉瓦提大坝历年渗流量变化

2.2 渗漏原因

导致乌拉瓦提大坝渗漏的原因主要为管涌，包括穿过坝体的管涌和穿过地基的管涌，见图3(a)、3(b)。前者由于大坝建造时，土壤贫瘠，存在很多细小缝隙，在使用过程形成水力压裂区域，从而产生内部侵蚀，最终水体穿过大坝形成渗漏；后者则是因为渗透性的空腔、裂缝、砾石或粗砂地层存在于坝基中，当水压过大时水可能通过这些缝隙发生渗漏。

图3 管涌侵蚀

2.3 防渗控制

强调定期监测和检查对于检测渗漏和防止溃坝至关重要，与危险等级较低的大坝相比，应更普遍地检查等级较高的大坝。根据乌鲁瓦提大坝渗流量统计，至少应每六个月对所有大坝进行一次目测检查，在预计的重大风暴事件之前、暴雨或融雪期间或之后，并在施工完成和水库蓄水后每周进行一次检查。如果在堤坝或地基上检测到渗漏，则应定期对其进行严密监测，直至被纠正为止。如果渗流增加或路堤土壤出现不稳定迹象，应迅速采取纠正措施。应联系合格的岩土工程师或大坝安全专业人员，对所有高坝渗漏问题进行检查并提出建议。

为了持续监测大坝的健康状况，应在大坝内埋设仪器。其主要目的是观察大坝的健康状况，并在发生故障前采取补救措施进行监测。观测的重要特征是孔隙压力、沉降、应力发展和地震反应，具体仪器如下：

（1）孔隙压力测量采用各种类型的压力计，如简易立管、Cass 级多孔管、气动式、电动式等闭式液压式。通常最好采用闭式液压。

（2）沉降计或垂直移动装置用于测量大坝固结和地基沉降。使用的仪器有横臂、液位装置、表面纪念碑。

（3）测量内部应变或相对运动的水平移动装置。类型为USBR垂直横臂，配备水平运动记录器、引伸计、倾角计和表面参考点。

（4）大坝地震活动测量（地震影响区）包括强震加速度计、结构响应记录仪、地震范围、压力传感器。

测压仪等仪器应位于坝基和坝基的若干高程处。

3 结论

以乌拉瓦提大坝为研究对象对大坝的渗流原因、影响以及防控进行阐述，主要得出以下结论：大坝材料为混凝土面板堆石，由于水流或渗透通过大坝、堤坝和其他含水土结构而引起的内部侵蚀。渗漏状况是管涌、内部侵蚀、可溶岩石溶解。历年最大渗流量呈逐渐减小的趋势，表明大坝防渗向好的方向发展。