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      黃壁莊水庫副壩冒泡翻滾原因分析

      2022-02-16 09:59:36
      水科學與工程技術 2022年6期
      關鍵詞:透水性壤土黏性

      田 鑫

      (河北省水利規(guī)劃設計研究院有限公司,石家莊 050021)

      1 黃壁莊水庫副壩概況

      黃壁莊水庫副壩樁號1+060~5+600段位于滹沱河右岸二級階地,覆蓋層厚度一般為32~49m,最厚處達70m,為多層結構,自上到下主要由壤土微弱透水層(厚4~6m),中、粗砂中等透水層(厚12~16m)和卵石強透水層(厚10~20m)組成,其中卵石層的頂部存在極強透水帶。 下伏基巖大理巖和硅質(zhì)灰?guī)r巖溶發(fā)育段為巖溶極強透水帶。 砂層在壩前124~227m處出露, 與庫水接觸并和下部的卵石層及巖溶極強透水帶均有水力聯(lián)系,水文地質(zhì)條件復雜,存在壩基滲漏及滲透變形問題,在滲透水流的作用下,砂層的砂易進入級配不良的卵石層而流失,產(chǎn)生滲透變形,是水庫運行中壩前鋪蓋裂縫、塌陷,壩后減壓井和排水溝涌砂的主要原因。為此,除險加固采用垂直防滲處理,后期工程運行表明防滲效果明顯。

      2 副壩前水面冒泡情況

      黃壁莊水庫于2016年7月18日12:00開始降雨,21日8:00基本結束,7月21日8:00, 庫水位上升至121.18m。 水庫工程技術人員在副壩巡查時,發(fā)現(xiàn)壩前水面出現(xiàn)較大范圍的冒泡翻滾現(xiàn)象, 具體分布為沿壩軸線長約500m(5+000-5+500),距水邊約30m起呈點狀或平行于壩軸線的條帶狀。起初較平緩,隨著時間延長,翻花現(xiàn)象越來越活躍,從水邊一直延伸到壩前約200m,水邊的幾個翻花點能聽到呼嚕聲響,冒泡處有明顯氣感。

      對應冒泡翻滾區(qū)副壩大致有2個監(jiān)測斷面,分別位于5+200、5+368附近。黃壁莊水庫庫水位每天監(jiān)測1次,滲壓計每半個月觀測1次、汛期每天1次。這次庫水位快速上升期間,庫水位每1h監(jiān)測1次。 滲流壓力為每2h監(jiān)測1次。 7月15—21日期間:5+368斷面墻前測點處水位變幅分別約達7.80,6.90,4.70m, 墻后測點處水位變幅約0.5m;4+498斷面墻前測點處水位變幅較大, 為7.75m; 墻后測點處水位變幅較小,僅0.3m。 可見防滲墻前、后測點滲壓水位(總水頭)差異明顯, 墻體削減水頭效果明顯, 防滲墻防滲性能較好。

      3 副壩前工程地質(zhì)條件

      3.1 工程地質(zhì)勘察

      副壩5+000~5+500范圍鉆孔布置如下:壩前鋪蓋3個斷面,分別為副壩5+000、5+360、5+450,每個斷面3個鉆孔,相應位于壩軸線上游70,120,180m處,孔深鉆探穿過壤土層至下部中細砂層。 鉆孔位置如圖1。

      圖1 鉆孔布置圖

      3.2 副壩巖土物理力學性質(zhì)

      水庫副壩壩前區(qū)域在勘探深度范圍內(nèi), 揭露的主要地層巖性自上而下為:人工堆積(Q4s)素填土,主要為壩前鋪蓋素填土,巖性為壤土和黏土,揭露厚度1.5~2.8m;第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4alp)壤土,全區(qū)均有揭露, 揭露厚度0.9~4.8m; 第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3alp)黏土、壤土、砂壤土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂和卵石,全區(qū)均有揭露,最大揭露厚度26.1m。

      為取得各地層巖性物理力學參數(shù), 確定其工程特性,現(xiàn)場對各土層進行了原位測試試驗,并取樣進行室內(nèi)常規(guī)試驗。根據(jù)試驗成果,水庫副壩壩前區(qū)域按土體結構及巖性對試驗數(shù)據(jù)分別進行了統(tǒng)計,統(tǒng)計前先對異常值予以舍棄,然后提出范圍值、平均值和組數(shù),最后根據(jù)有關規(guī)程規(guī)范,并結合經(jīng)驗值提出各層物理力學參數(shù)建議值[1]。 對水庫副壩壩前區(qū)域上部地層注水試驗成果如表1,土層的主要物理力學參數(shù)統(tǒng)計及建議值如表2。

      表1 場區(qū)土層注水試驗成果

      續(xù)表1

      表2 副壩前各土層主要物理力學參數(shù)建議值

      4 冒泡翻滾原因分析

      根據(jù)現(xiàn)場注水試驗和室內(nèi)試驗成果, 副壩前黏性土層具弱透水性;Q4alp壤土層具中等透水性;Q3alp砂土層具弱~中等透水性,砂壤土層具弱~中等透水性,中部黏性土層具微~弱透水性,下部砂土層具中等透水性。 一般黏性土具微~弱透水性,副壩前黏性土具中等~弱透水性, 說明該黏性土層中存在較多的裂隙,貯存于黏性土裂隙中的空氣體積較多[2]。

      經(jīng)現(xiàn)場查看及補充勘察認為,樁號5+000~5+500范圍壩前地形較為平緩,高程在116.50~117.00m,位置相對較高。 汛前庫水位多在112.50m以下,上部存在非飽和含氣地層。地層上部設置有黏土鋪蓋,結合壩體防滲墻和均質(zhì)壩的弱透水性, 在庫水位快速上升后, 氣體逸出受阻, 伴隨高水位地層水體侵入滲透,土體中的孔隙氣體被逐漸壓縮,形成氣泡,最終沖破外部土水壓力束縛,沿鋪蓋薄弱位置逐步逸出,形成 冒泡翻滾現(xiàn)象。 壩腳線附近的線性分布,應為鋪蓋的薄弱環(huán)節(jié)所致[3]。

      左側(cè)其他壩段壩前地形低于112.00m高程,不具備含氣地層條件。右壩肩地形雖較高,其地層上下透水性差異較小,不致產(chǎn)生長時間地層氣體受阻條件,不易形成大面積冒泡翻滾現(xiàn)象。

      5 結語

      在2016 年7 月份降雨之前, 庫水位維持在112.5m附近, 低于副壩樁號5+000-5+500的壩前約200m范圍內(nèi)的鋪蓋表面高程, 使得該區(qū)域的壩前鋪蓋在7月份降雨之前存在大量含氣干土。 7月18—21日,黃壁莊水庫區(qū)域持續(xù)降雨,其中7月19—21日庫水位從112.76m升至121.18m,快速上漲了8.42m。 水位的快速上漲,使得大量氣體存留在鋪蓋中,由于水體滲入,氣體逐漸被水體壓縮。 隨著水體繼續(xù)滲入,鋪蓋內(nèi)氣體體積不斷縮小而壓強不斷增大。 當鋪蓋內(nèi)氣體壓強大于鋪蓋界面某處的壓強時, 氣團便會上升至水體表面,并從鋪蓋表面薄弱位置逸出,伴隨氣體逸出通道界面的形成, 壩前水面出現(xiàn)大量冒泡翻滾現(xiàn)象。在水體不斷入滲作用下,隨著鋪蓋中的氣體逐漸排盡,冒泡現(xiàn)象也逐漸減弱[4]。

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