新西河水库土坝下游管涌成因及其处理

简介： 通过对新西河水库土坝下游发生的多次管涌原因的分析，提出了一个导、减、排相结合的处理方法，工程取得了令人满意的效果，并大大节省工程投资，为类似工程提供了借鉴。关键字：土坝管涌 剩余扬压力 处理措施 导渗 排渗减压井

1 工程概况

　　揭东县新西河水库位于榕江北河二级支流龙车溪中游，距揭阳市榕城区北偏西15公里，当时为解决下游7.27万亩农田的灌溉用水和满足坝址上游河床采锡矿需断流而兴建。水库集雨面积为91平方公里（含上游九重坑、蛮头山两水库集雨面积14.24平方公里），坝址以上干流河长 15 公里，河床平均比降3‰，现水库是一宗以农田灌溉为主，结合防洪、发电、供水等效益的中型工程。水库正常蓄水位41.00m(珠基，下同)，相应库容4459万m3，100年一遇设计洪水位44.79m，相应库容4920万m3，1000年一遇校核洪水位47.73m，相应库容5892万m3。工程于1956年12月动工兴建， 1958 年1月竣工时坝顶高程为42.00m，1968年对主坝加高培厚后，现坝顶高程为49.00m，最大坝高37m，坝顶长度450m，坝顶宽5.0m。新西河水库附近为低丘地带，土质均属花岗岩风化土，偶有大块花岗石露头。筑坝土料均为砾质或含少量砾的壤土类，用碾压式施工。在填筑土坝时，在坝前坡脚设置水平粘土铺盖长80m，厚1.0~1.5m，并在坝前坡脚设置灌浆帷幕一道，帷幕厚度约6m，平均深度9.0m。坝体原排水设备采用垫褥式反滤层，平铺伸入坝内30m，棱柱体高度2.0m，加坝时采用排水暗沟型式，将原来反滤层排水导出坝外，坝址外仍做反滤设备，棱柱体高度2.0m。

2 土坝下游管涌及其成因分析

2.1 土坝历次管涌介绍

　　新西河水库自1958年2月开始蓄水以来，土坝坝坡稳定，但下游坝脚旧河床处却多次发生管涌，现将先后发生的六次管涌险情(位置详见图1：大坝平面布置图)及处理情况介绍如下表：

　　土坝下游坝脚旧河床处六次管涌险情及其处理情况表

　　由上表可见，发生管涌时的库水位只有33.15m至42.70m，比水库校核洪水位47.73m尚低14.58～5.03m，出险后虽经多次填筑坝下游镇压台及库内抛土，但仍不能彻底解决问题，必须进一步做好坝下游的除险加固工程。

2.2 土坝下游管涌原因分析

　　为了对管涌原因进行探讨及采取有效地、彻底地治理措施，1990年由市原水电工程公司对土坝进行详细的工程地质勘探；由多个钻孔控制得知，大坝坝基河床有一宽约160m作NE-SW方向展布的原新西河(龙车溪)河床冲积层，冲积层从上到下分两层：上层为中、粗砂、细砾、砂砾和含卵石、漂石的砾石层，边部常见含有部分粘土类，上部因采锡矿的原因，部分被挖掘而覆以杂土，堆积松散。大致于标高0.36~13.72m之间产出，厚3.65~11.10m，中间厚，两侧薄。7个砂土样测试结果：γ=1.72~1.97×103kg/m3，饱和度Sr＝15.20~66%，孔隙比e＝0.51~0.59，不均匀系数Cu＝2.36~19.77。即该土层为松散、稍湿至很湿、密实、均匀至不均匀的砂土类。渗透系数k值室内测定最大为1.89×10－1 cm/s，最小为5.90×10－4 cm/s。对钻孔的注压水试验结果k＝1.30×10－2~3.40×10－2 cm/s。可见，渗透系数较大，已达产生管涌的水文地质条件。而且，历年来发生管涌的位置和本次用钻探推定的旧河床中心部位一致，加上已知坝身及两肩渗漏很小(渗透系数k约为1.50~6.48×10－5 cm/s)，其它位置也未发现有较大的渗漏通道或现象。因此可判定本层为水库多次发生管涌的主要通道。冲积层下层为粘土、砂质粘土，层厚0.16~5.40m，密实，干燥后甚坚硬，N63.5＝18击(ZK7)，属透水性能极差的中~低压缩性土类。

　　根据有关资料，结合工程实际地质情况分析，水库下游坝脚多次发生管涌的主要原因是坝基存在厚度较大的松散河床堆积层，而建坝时没有清基做隔水墙，只采用帷幕灌浆，但效果不佳，孔隙未能全部堵塞；且因坝前、后均为开矿后留下的矿湖(上游矿湖距离坝脚150m，下游矿湖距离坝脚70m，均比坝脚深约10m)，而坝前铺盖层长80m只做到矿湖边缘，导致渗流从坝前矿湖经坝基透水层直出坝后反滤体外，而引起管涌。管涌的产生是因为有剩余压力存在。对剩余压力的来源作如下分析：

　　⑴ 根据实测资料，在库水位34.27m时测得的三条坝内浸润线(见图2：坝内水位对比图)，因有反滤排水设备的存在，这三条浸润线的尾部都已降下来，它们已不能对坝下游造成大的剩余压力；而按相同库水位和当时（测量这三条浸润线的1968年）坝下排水设备位置计算的坝底压坡线，则高于坝下镇压台。所以剩余压力不是来自坝体浸润线，而是来自坝底的压力水头。

　　⑵ 本土坝坝底跨压新老河槽，而屡屡发生管涌的位置均在于老河槽及其边缘；新河槽范围的左坝段（东坝段）则从未发生管涌，相接在一起的东、西坝段有明显的差别。来源于老河槽底部有深厚的强透水层，而新河槽底部只有很薄的砂卵石层。因此可以认为：右坝段（西坝段）坝下的管涌与坝底河槽地层构造有着密切

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　　⑶ 老河槽有着深厚的强透水层在建库之初已经探明，也作了上游铺盖、帷幕等防渗设施和坝底大面积的垫褥式导渗设备，为何还有导致管涌的剩余压力呢？这与坝底渗流的出逸位置有着密切的关系。

　　据地质资料，老河槽底部强透水层中间存在着一层相对不透水的粉质粘土（或重壤土）层，可能由于这一粉质粘土层的存在，限制着地基渗流流向坝底垫褥式导渗设备，而顺着边界限制继续流至出逸点，出逸点离坝脚越远，坝脚的剩余压力越大。那么，第一次管涌的出逸点在那里呢？据当时抢险经验介绍：“1958年4月3日发现下游的矿湖塌岸，长达19m，宽6m，说明坝（库）内渗流通至下游矿湖”。这一直观推测，正与强透水层中存在限制渗流的粉质粘土层的情况吻合。因为当时地质钻探范围只在坝底范围进行，没有在坝下补孔进一步查清；但从水库刚蓄水，水位较低（1958年4月3日库水位26.55m）时矿湖先塌岸，库水位升高后坝脚管涌的情况判断，粉质粘土层还延续至下游矿湖。它限制着渗流流向上面而承受水压。矿湖深约10m（据记载），作为渗流的出逸点是有条件的。

　　⑷ 下游矿湖距坝脚70m，水面高程约1.2m；若取此为老河槽强透水层渗流的出逸点，以地下渗流压坡线为直线变化，则可计得第一次管涌处的水位压力高程为16.5m，比原河床面高4.5m，与抢险时压盖的砂石厚度基本相符。照此类推，第二次管涌处的水位压力高程为13.1m，比河床面高1.1m，因此管涌势头比第一次大为减弱。

　　⑸ 第二平台完成后情况发生变化：第二平台末的排水沟位置距老坝脚更远，排水沟沟底高程增至13.5m，此两因素都起到增大坝脚地下水压力的作用，对工程不利。1974年第五次管涌后整理镇压台，把排水沟再往下游移，排水沟出口的量水堰堰顶高程13.9m，对比原来河床高1.9m，使坝脚地下水高程进一步升高，这对坝脚减压起到相反的作用；加上排水设备做得不好，使情况进一步恶化。所以本次地质钻探发现坝下镇压台各钻孔内的水位普遍很高，如ZK09号孔，在库水位34.5m时，测得孔内水位17.85m；（按第一次管涌推算，此点的地下水压力高只为13.60m），ZK4（加）孔在库水位36.55m时，测得孔内水位18.00m（按第一次管涌推算，此点的地下水压力高只为14.57m），在这样低的库水位，坝下地下水位就这么高（比原河床高了5.85～6.0m）。由此可见，若现在再接长镇压台，再将渗流出逸点往下游推移，则势必再增大坝脚地下水位，于工程安全不利，并加剧了对左坝段的影响。

3 土坝下游坝脚管涌处理方案的确定

　　针对上述土坝坝脚发生的多次管涌原因的分析，提出了治本的方法是堵截，即对大坝右坝段下方断面为160×(3.65~11.0)m的松散砂砾层沿坝轴线进行水泥灌浆，以期在砂砾层中形成一定厚度的隔水混凝土幕墙，防止或减弱库水的渗漏。治标的方法是用导渗，即在坝后镇压台处修筑一个或一组减压井，以期降低库水的渗透压力，防止再次发生管涌。最后，根据广东省水电厅粤水电基字［1990］56号文“关于揭阳县新西河水库安全加固工程扩初设计的批复”，从经济和技术的角度考虑，决定先采用治标的方法即排渗减压的方案。具体做法如下：

　　a) 在发生管涌的右坝段部分，距下游坝脚15m处，沿坝轴线方向做浅沟反滤排水工程，反滤排水沟底高程16.00m，断面尺寸依据渗流计算成果及以可以进人检查、维修决定，其净宽取0.70m，高1.50m，沟底布设块石、碎石、河砂构成排水导渗体。为了提高排渗效果，并减少地层渗流对下游耕地的影响，沿排水沟方向每隔10m左右设一内径1.0m的导渗井，井深以达强透水层为控制，约2.0m深。在排水沟出口处设量水堰，观测排水情况。

　　b）为安全计，从排渗减压沟顶的上游侧至土坝20.0m高程之间，作顺坡安全压重，同时由于此排水沟的水面高程为16.50m，而现有镇压台后面原排水沟水面为14.0m，两沟之间还存在地下水力坡降，如以此水力坡降顺延至下游田面，则压坡线还低于田面高程，根据《土石坝加固》的建议，压坡线以上要有1.5~2.0m的压重。为此，在镇压台下游设一压重段，高1.50m，长35.0m，宽度以岸为界。

　　采取上述工程措施后，坝脚附近的地下水位降低了，达到了消除隐患的目的。这样便不会导致连在一起的左坝段的浸润线升高，对土坝整体的稳定作用也是十分明显的。

4 施工过程应注意的问题

　　a）由于导渗井井管深入强透水层，可能会给地下渗水创造集中渗流的条件而惹致麻烦，故施工过程应加强观测；

　　b）反滤排水沟沟底反滤料的级配及其分层一定要按设计的要求严格控制，以防止级配不良或分层不清而产生渗透破坏；

　　c) 反滤层不应被堵塞，特别应防止施工运料时和雨水冲刷的泥土堵塞反滤层；

　　d) 反滤层的材料符合设计要求，不能用风化的和不清洁的砂石料。

　　e）减压井回填反滤料后应立即进行冲井和洗井，目的是破碎泥皮，洗出反滤料中的泥沙，促进含水层中的较细颗粒进入井内排出，使较粗颗粒排列在反滤料的周围，形成反滤，防止或延缓使用过程中淤堵。然后进行抽水试验，量测流量和出砂量，检验井的效果。

5 工程效果及结论

　　新西河水库除险加固工程1994年11月完工，1995年4月经过竣工验收。该工程完工至今已近10年，经受了1994年6号台风，库水位44.50m(接近设计水位44.79m)的考验，原发生管涌的位置未有异常情况发生，说明该工程采用的处理方案是合理可行的。

　　新西河水库土坝管涌处理主要有以下几个特点：a）找准了引起管涌的成因，抓住了处理的主要矛盾，采取导、减、排相结合的工程技术措施，有效的减少了坝脚地下水压高程以达到消除导致坝脚发生管涌的能力。b）工程只在镇压台表层施筑，工程量小，施工难度小，从而大大节省了工程的投资。

　　致谢:本文在撰写过程中，引用了《揭阳县新西河水库加固工程扩初设计书》的有关成果，谨此致谢!

参考文献：

白永年、吴士宁、王洪恩等，土石坝加固，水利电力出版社，1991年

毛佑仪，小型水库管理丛书，安全检查与加固，水利电力出版社，1994年

董哲仁，堤防除险加固实用技术，中国水利水电出版社，1998年11月