土壩死水位下運行易發險情及對策探討

(河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山　467001)

1　引　言

2014年河南省大部分地區遭遇嚴重旱情，截至2014年8月8日11時統計，因干旱造成受災人口1929.94萬，因旱需生活救助人口118.89萬，其中因旱飲水困難需救助人口114.15萬，造成直接經濟損失72.89億元，其中農業損失70.8億元。平頂山市旱情最為嚴重，出現了60年來最嚴重的旱情，主要秋作物大面積受旱，作物受旱面積已占耕地面積的40.4%，依照國家防汛抗旱總指揮部辦公室制定的干旱評估標準中所確定的農業干旱等級劃分指標，平頂山市已經進入中度干旱期，人畜飲水困難。

作為平頂山市的飲用水水源地的白龜山水庫，是一個年調節水庫。流域內連續2年沒有有效降雨，2014年7月17日水庫水位降至死水位97.50m，供水形勢異常嚴峻。啟用死庫容應急供水后，壩坡表面出現裂縫。

2　白龜山水庫概況及易發險情

2.1　水庫工程

白龜山水庫位于河南省平頂山市西南部，淮河支流的沙河干流上，控制流域面積2740km2。水庫于1958年12月開工興建，1966年8月竣工，水庫工程按100年一遇洪水設計，2000年一遇洪水校核，是一座以防汛為主，兼顧城市生活、工農業供水為一體的大(2)型綜合利用樞紐工程。水庫總庫容9.22×108m3，興利庫容為2.36×108m3；興利水位103.00m，汛限水位101.00m，死水位97.50m。

水庫工程是一座土壩，主要建筑物有攔河壩、順河壩、泄洪閘和南北干渠渠首閘。其中，攔河主壩(干砌石護坡土壩)壩長1.57km，最大壩高23.40m；順河副壩(干砌石護坡土壩)壩長18.30km，最大壩高16.30m。

2.2　應急供水

2013年入庫水量嚴重不足，來水1.74×108m3，為年均來水量的26%。年城市生活8273.7×104m3、工業供水6070.3×104m3、農業灌溉供水4790.4×104m3，環境生態供水2962.6×104m3，汛末庫水位100.31m，低于興利水位2.69m，比汛限水位低0.69m，較多年同期平均水位低1.60m，蓄水量1.54×108m3。2014年上半年更是干旱嚴重，前6個月入庫水量僅2390×104m3，而工業用水3066.6×104m3、生活用水4329.9×104m3，嚴重入不敷出。5月月底，水庫水位接近死水位97.50m。平頂山市防汛抗旱指揮部啟動應急供水預案，并緊急從上游昭平臺水庫調水2000×104m3。

動用死庫容應急供水方案委托河南省水利勘測設計有限公司編制，通過了河南省水利廳組織的專家評審。應急供水第1次動用庫容686×104m3，供水水位97.50m～97.20m；應急供水第2次動用庫容641×104m3，供水水位97.20m～96.90m。

2.3　干縮裂縫

動用死庫容應急供水后，庫水位低于干砌石護坡高程97.50m，壩前鋪蓋層逐漸裸露出來，出現裂縫，并呈現出距離水面越遠裂縫越大的現象，如圖1所示，左圖為近水面處裂縫，中圖為遠水面處裂縫。順河壩迎水坡100.00m高程以下黏土鋪蓋層出現貫通性裂縫，寬度50mm左右，對6+000、6+130、6+230、6+250、6+300等5處裂縫進行開挖探查，裂縫深度1.2～1.5m。

圖1　鋪蓋裂縫(左圖為近水面裂縫，中圖為遠水面裂縫，右圖為裂縫灌漿)

2.4　易發險情

大壩迎水坡護坡工程位于死水位以上，死水位以下通常是處于被水淹沒狀態，這也是通常水庫死水位以下沒有工程措施的原因。但當水庫水位低于死水位以后，土壩迎水坡就不具有防風浪淘蝕的能力；由于裂縫的存在導致壩體滲透路徑變短，直接導致壩體有效斷面減小。若遇到強降雨，表面裂縫會加劇雨淋溝的形成和發展，形成危及大壩安全的隱患。

正常情況下壩體可看作穩定滲流，但在水庫水位驟降或驟升時，就會產生不穩定滲流。不穩定滲流問題引起的事故約占土石壩滑坡事故的25%[1]。柳群義等人[2]根據H.darcy Law,考慮非飽和土的滲透性是基質吸力的函數，經過模擬研究，說明水位升降在相同入滲條件下飽和滲透系數對初始地下水位有影響，并且庫水位升降速率直接關聯著地下水位變化的滯后性程度。若水庫突遇暴雨，過快速率的水位抬升，突然加載使壩體各部位的變形來不及調整，產生的高應力或出現不協調的位移是土壩發生險情的重大隱患。

鄭穎人等人[3]根據Boussinesq非穩定滲流微分方程推導出水庫水位在下降時計算壩體內浸潤線的簡化公式，并以此確壩內滲透壓力，用瑞典條分法計算岸坡安全系數，通過模擬計算說明水庫水位在下降過程中處在壩體總高度下部1/3～1/4水位區間時，對壩體穩定是最不利的。白龜山水庫土壩總壩高16.3m，動用死庫容供水水位下降區間就接近壩體總高度的下1/4處，從水庫壩體穩定角度來說，低水位運行對壩體穩定是不利的。

3　黏土裂縫原因

3.1　裂縫內外因

含水率的減少是導致土體體積收縮的直接原因。黏性土的干縮裂縫是非飽和狀態下土體的力學特性，土體自身礦物的組成和含水率(或飽和度)直接關系著干縮裂縫的形態，是土體干縮裂縫的內因，它與土體的黏粒含量、顆粒組成有關。而外部溫度、環境濕度及空氣流動性等氣候條件是干縮裂縫的外因。

在土壩浸潤面以上，土體處于非飽和狀態，土體的飽和度一定程度上決定了基質吸力，也決定孔隙水壓力(毛細水壓力)的大小。基質吸力的變化直接控制著土體出現裂縫時的臨界張應力大小和初始階段裂縫的發展規律[4]。當土體的含水率低于某一值后，土體孔隙中產生負毛細水壓力，在毛細水彎液面的表面張力作用下，土顆粒相互靠攏，在宏觀上表現為土體失水收縮，隨著含水率的降低，當張應力大于土體顆粒之間的黏結強度時，土體表面就會出現裂縫。

土體黏粒及含水量越高，含水土體在溫度和風力的作用下，土體表面與內部失水速度的差異越大，表層土體受到其相鄰深層土體的約束產生拉應力形成的裂縫越大。孫曉旭等人[5]通過試驗模擬了蒸發過程，通過數據對比得出空氣相對濕度與蒸發速率的關系。空氣濕度是影響水蒸發的一個重要因素，而逸出土體的水分是導致土體干縮裂縫的直接原因。

3.2　干縮試驗

干縮裂縫的三維形態是不規則的，準確定量描述比較困難，其長度、寬度、深度、間距和走向等也是沒有規律的。裂縫長度、寬度發展的同時，裂縫深度也在發展，存在著一定的相關性。這些指標的實際測量比較困難，采用一個相對直觀綜合的裂縫率指標面積裂縫率，即定義裂縫率為裂縫的面積與土體面積的比值。

黏土的成分各不相同，導致其性狀也各不相同。選取該工程所用土體土樣進行失水收縮試驗。稱量一定的土樣，使含水量大于液限，在失水過程中，稱量不同裂縫狀態的土樣重量。計算土體的失水率，即水減少的質量與初始土體質量的比值。通過拍照，利用CAD軟件測出裂縫面積，得到裂縫面積與失水率的變化情況，如圖2所示。

圖2　裂縫率與失水率的變化規律

3.3　臨界失水率

通過模擬土樣的失水收縮試驗，發現失水率與裂縫率的變化規律，如圖2所示。圖形線A點之前，土體失水是不引起開裂的；在AB段，隨著土體蒸發失水，裂縫的開裂面積逐漸增大；BC段隨著土體的蒸發失水，裂縫的開裂面積增大的幅度逐漸變小。A點的失水率約為0.25%，即為該土樣不開裂的臨界失水率。此點對實際工程實踐中具有運用價值和指導作用。

4　搶護方案

作為已建成的土壩來說，影響土體干縮裂縫的因素中其內因是無法改變的。而外部局部溫度、環境濕度及空氣流動性等氣候外因可直接影響土體裂縫發展程度，可以通過土壩的壩體表面局部溫度、濕度及空氣流動性等的調整來左右干縮裂縫發展。

4.1　墑土層確定

處于濕潤狀態的墑土對延緩水分蒸發和干縮裂縫的發展起到重要作用。壩體內浸潤面是自由水面，浸潤面以下的土體處于飽和狀態，以上的土體由于毛細水作用而處于濕潤狀態。毛細水是受水與空氣交界面處表面張力作用的自由水，毛細水高度主要取決于土粒比表面積、孔隙大小。

對于水庫土壩來說，由孫曉旭等人[5]模擬試驗可知，水位的升降直接導致壩體浸潤面的升降，壩體內部的毛細水層隨之相應的調整，初始蒸發的是土體中的重力水，補充這部分逸出的重力水或降低蒸發的速率，減少庫水位上升時壩體應力重新調整時間是解決問題的關鍵。作為傳遞介質必須具有良好的給水度，中粗砂(粒徑d為0.25～2mm)的給水度為0.2～0.3[6]是比較理想的。墑土層厚度應由傳遞墑介質的給水度能夠補充開裂土體的失水量來決定，同時提供壩體的土體表面局部溫度、濕度等微氣候環境條件。

4.2　搶護方案

白龜山水庫是一個半平原半丘陵型水庫，土壩壩體長，裂縫多且分布面積廣是其顯著特點，由此決定了搶護任務十分艱巨。

水庫生活供水、蒸發及滲漏綜合平均每天約40×104m3，水位每天降低約20mm，供水水位下降時基本上是連續的，不存在驟降情況，庫水位驟降可能引發的土壩險情基本上不存在。關鍵是應對突遇暴雨，水位上升速度過快，突然加載使壩體各部位的變形來不及調整，產生高應力或出現不協調位移下的易發險情。搶護方案的制定必須滿足該條件才是可行的。

水位的上升速度不宜過快，對于流域集水面積1310km2的突降暴雨來說，人為能力是無法控制荷載加載強度的。必須從影響裂縫形成的氣溫、風力和濕度等因素去考慮，能夠采取的也只有調整濕度方面的措施：?增加土體表面局部濕度，減少土體水分蒸發的損失速率；?設置墑土層，調節土體含水率。使壩體各部位的變形調整與水位的上升相適應，避免產生高應力或出現不協調的位移。

4.3　搶護實施

采用巡查和工防相結合的搶護方案。巡查定人定點定時記錄壩體裂縫變形情況，及時反饋相關信息，適時調整方案。針對已出現的各種裂縫，采取相應的處理措施，局部微氣候的調整是土體重新到達新的臨界平衡點。

a.中粗砂墑土層法。對于剛裸露出黏土鋪蓋層，用中粗砂噴水保墑，覆蓋厚度100mm，向土體傳遞補充蒸發的水分。

b.灌漿封堵法。對于寬度和深度大的裂縫，用塑性指數小于10的低塑性黏土并在其中加入適量的中細砂等材料，以減小裂縫灌漿的收縮量。

c.土工布覆蓋法。對于寬度大的裂縫，灌漿后表面采用土工布覆蓋噴水，增加局部濕度，以減小灌漿裂縫表面的再開裂。

5　結　語

水庫水位從2014年7月17日低于死水位97.50m啟動應急供水，通過南水北調干渠、上游水庫調水以及降雨，到2014年9月15日庫水位回升至97.58 m，歷時60d，在此期間，按照動用死庫容運行應急方案及搶護措施，土壩工程安全度過了嚴峻時期。

經過4年的運行，土壩壩體的各項指標未出現異常的變化。對于死水位以下沒有工程措施的土壩工程應急供水運行，為應對裂縫易發險情做了嘗試性探索，實踐證明通過調整土壩的壩體表面局部溫度、濕度及空氣流動性等措施左右干縮裂縫發展，采取的應對方案是可行的。

[1]張楚漢，王光綸，金峰.水工建筑學[M].北京：清華大學出版社，2011.

[2]柳群義，朱自強，何現啟，等.水位漲落對庫岸滑坡孔隙水壓力影響的非飽和滲流分析[J].公路工程，2008,29(6):55-59.

[3]鄭穎人，時衛民，孔位學.庫水位下降時滲透力及地下水浸潤線的計算[J].巖土力學與工程學報，23(18):3204-3210.

[4]Fredlund D G.非飽和土力學[M].陳仲頤，譯.北京：中國建筑工業出版社，1997.

[5]孫曉旭，王開材，丁克強.潛水蒸發特性試驗研究[J].人民黃河，2015，37(3):62-64.

[6]戚筱俊.工程地質及水文地質[M].北京：水利電力出版社，1985.