挪威埃普特瓦騰壩多年運行后的塌坑現象分析及處理

2016-06-21 05:29:18挪威奧德馬克

水利水電快報 2016年4期

[挪威]　E.奧德馬克等

[挪威]E.奧德馬克等

摘要：挪威埃普特瓦騰壩于1971年建成運行，該壩為一座堆石壩。其主體結構采用爆破堆石料填筑，反濾層采用砂礫石，防滲體心墻采用冰磧料填筑。大壩自建成投運以來一直運行良好，直到2014年3月，對其實施的遠程監測結果顯示，壩體出現明顯滲漏，且有增加的趨勢。實地檢查發現，大壩上游面壩頂附近已出現了塌坑。介紹了大壩的現狀以及針對大壩出現的問題所采取的應對措施。

關鍵詞：反濾層砂礫石；防滲體心墻；壩體滲漏；大壩監測；塌坑；埃普特瓦騰壩；挪威

1挪威大壩概況

挪威大部分的大壩均建成于1955～1985年期間。自1959年至1975年，每年大約有10座大壩建成完工。在20世紀50年代中期以前，混凝土壩在挪威大壩中占據主流，此后土石壩逐漸增多。從1970年至1995年，已建成的大壩中85%為土石壩，其中絕大部分為堆石壩。建成于1986年的奧達特捷恩(Oddatj?rn)壩，壩高為142 m，是挪威最高的大壩之一。

目前，挪威有179座土石壩，其中166座為堆石壩。在這些堆石壩中，有124座采用了冰磧料防滲體心墻；有25座土石壩運用了混凝土面板，有9座采用的是混凝土防滲體心墻；僅有13座壩為土壩。直到1980年，大部分堆石壩才開始采用冰磧料作為其心墻防滲體材料。1980年以后，大約有18座新建的堆石壩采用了瀝青防滲體心墻，這其中又有10座采用瀝青混凝土防滲體心墻。

此后，挪威修建的越來越多的堆石壩開始采用瀝青混凝土防滲體心墻，到目前為止，這些大壩都運行良好。在通常情況下，即便冰磧料在當地可以獲取，但是，采用瀝青混凝土心墻的大壩經濟性比較好。目前，世界上最高的瀝青混凝土心墻壩是挪威的斯圖克勞姆瓦汀(Storglomvatn)壩，該壩壩高為125 m。世界上最大的瀝青混凝土心墻壩則是挪威的斯圖瓦滕(Storvatn)壩，壩高為90 m，壩體設計總體積達950萬m3。

在挪威現有的124座冰磧料防滲體心墻堆石壩中，有7座已經出現了內部侵蝕現象，這些壩均建成于20世紀60年代末和70年代初。在那個時期，工程師對于壩型的可靠性過于自信，不斷優化設計以便達到降低成本的目的。其優化設計措施主要包括：在大壩臨水坡處設置反濾層、減小反濾層和心墻的厚度、縮減工期從而縮短初次蓄水前的初始沉降期等。在20世紀70年代中期以后，工程師們才逐漸認識到反濾層及心墻必須達到足夠的厚度且反濾層級配良好的重要性。一般而言，反濾層的設計必需遵循相應的標準，見表1。

表1　反濾層設計標準

2埃普特瓦騰壩

埃普特瓦騰(Eptevatn)壩位于挪威南部阿格德爾(Agder)郡。大壩業主是挪威再生能源生產商阿格德爾公司。埃普特瓦騰壩最大壩高約為30 m，壩體剖面圖示于圖1。大壩的防滲體心墻采用的是冰磧料，反濾層為砂礫石料，其最大粒徑為250 mm，過渡層采用的是卵石或者是質地相對較細的爆破塊石料，壩主體結構為爆破堆石料。筑壩材料基本符合當時堆石壩的建造標準。

圖1　埃普特瓦騰壩斷面示意

埃普特瓦騰壩于1970年開工建設，當年主要是對大壩的基礎部分進行施工；1971年，大壩主體結構建成。

大壩于1971年蓄水后運行狀態良好，直到2014年，遠程監測顯示：壩體滲漏程度明顯加重。通過實地檢查，結果發現，在大壩上游面靠近壩頂處出現了塌坑，見圖1。

3粒徑分布

埃普特瓦騰壩的防滲體心墻所用的填筑料、反濾層料以及過渡層料的粒徑分布如圖2所示。從圖2中可以看到，在心墻填筑料(區域1)的顆粒級配中，粒徑小于0.074 mm的篩分體積為30%～38%，dmax<19 mm，0.02 mm≤d15≤0.01 mm。反濾層料D15為0.3～0.9 mm。

圖2　冰磧石、反濾層料和過渡層料的粒徑級配

從1970年起，在正常情況下，根據規范要求，反濾體基材的D15應為d15的5～45倍，且D50不能超過d50的25倍。從圖3可以看出，埃普特瓦騰壩的反濾層用料的顆粒粒徑要大于20世紀70年代早期的常規大壩設計值。

根據挪威水資源和能源局(NVE)于2012年頒布的土石壩設計準則，類似埃普特瓦騰壩不透水材料反濾層的D15最大值為0.7 mm，反濾層的D90最大值不得超過20 mm。

從大壩施工期間所提取的33個顆粒樣本粒徑分布圖(見圖2)來看，反濾層所用材料的大部分粒徑均大于20 mm，其中，石料的最大粒徑達250 mm。如此大的粒徑會引起較高的風險，因為反濾層中的材料在施工期間可能會發生分離，從而在大壩下游的過濾區形成粗糙且分散的夾層，致使原設計的反濾層特性受到破壞。

4滲漏與塌坑

埃普特瓦騰壩安裝了壩體滲漏監測裝置，利用該裝置，通過遠程傳輸系統即可將滲漏數據傳送至阿格德爾公司的操控中心。

在2014年3月底之前，監測結果顯示，壩體滲漏的監測值一直處于正常狀態。在正常情況下，雨期和融雪期滲漏量的最大值應該為10～20 L/s；旱季，當水庫蓄滿時，滲漏量則應小于1 L/s。

2014年3月27日，監測結果顯示，大壩的滲漏量顯現急劇升高的態勢，且最大值達到了70 L/s。大約24 h后，滲漏量又降低為20 L/s。之后，直到5月5日在對大壩實施實地檢查時，一直保持著該滲漏量沒變。

隨著大壩滲漏量急劇增大之后，水庫的蓄水位也快速下降了6～7 m。

綜上所述，有理由相信，大壩滲漏量的增大是由于防滲體心墻出現了管涌。根據推斷，由于在施工期間反濾層所用的粗骨料發生了離析，因而導致防滲體心墻中的細粒料通過壩體內相對擴開的通道被沖到了下游的反濾層中。

防滲體心墻部位出現的管涌最早可能是發生在大壩的下游側，隨著細骨料被沖走，防滲體心墻的水力梯度開始出現增大，管涌通道則開始向上游側擴大，最終在心墻上形成了孔洞。隨著防滲體心墻中的細骨料被沖走，孔洞上方其他一些骨料落下來，這又進一步造成更多的細骨料被沖走。同時，由于粗骨料粒徑過大，無法通過下游反濾層，因此只能沉積在孔洞的底部。隨著孔洞頂部的骨料不斷落下以及細骨料不斷流失，致使心墻內的孔洞不斷地向上擴展，最終形成了一個接近壩頂表面的“煙囪”，導使壩頂附近出現塌坑。

塌坑深3 m，體積大約為25 m3，這就表明防滲體心墻中大約有25 m3的細骨料被沖走。

5修復工作

根據確定的塌坑位置，在壩體上設置了一系列的灌漿孔，擬通過灌漿來替換流失的細骨料。灌漿漿液由水泥、水和添加劑混合而成。

在鉆孔和灌漿施工過程中，主要采用了以下施工設備。

(1) 一輛卡薩格蘭第(Casegrande)M6型履帶式鉆機，可鉆掘直徑為139.7 mm的鋼套管鉆孔；

(2) 一臺高壓空氣壓縮機，安裝在沃爾沃(Volvo)卡車上，氣體流量為25 m3/min；

(3) 一臺普茨邁斯特(Putzmeister)SP11-Beliso LMR型灌漿泵；

(4) 一輛4輪牽引機，用于水泥和其他建筑材料的內部運輸。

整個修復工程共布置了39個孔深為15～30 m的鉆孔，總進尺為720.9 m。灌漿施工是采用自下而上分段實施的方式，從鉆孔底部開始灌漿，每隔1.5 m即向上移動一次鋼套管。

整個灌漿共使用水泥量59 690 kg。為了獲得泌水率最小的漿液，每100 kg水泥中摻加了0.7 kg的Dynamon Sx-n外加劑。

目前，水庫仍未蓄水至最高水位，因此灌漿的最終效果尚不得而知。

埃普特瓦騰壩的業主決定，在最近2 a內，將對大壩的上下游壩坡用堆石體進行護坡養護工程施工。同時，在此期間，將對大壩狀況進行深入的檢查和全面的評估，以確定是否需要對大壩的心墻進行維護處理。