寒區廢水池護坡病害機理分析

吳多賢，尚靜石，蔡 紅，李維朝，于 沭

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081;2.中國水利水電科學研究院,北京 100038)

工業生產過程中常會產生一些廢水，為避免直接排放污染環境，常建設防滲性能良好的廢水池進行貯放。在功能上，廢水池可用作沉淀池、濾池、暴氣池、污泥濃縮池、消化池、蒸發池及其他貯水構筑物[1-3]。廢水池的防滲結構一般由里及外有支持層、防滲層和保護層三大部分構成[4-5]，其中保護層主要為護坡等，目的是防止防滲層被自然或人為等外界因素損傷，從而影響其防滲功能。但在寒區，因為凍融、冰推、冰拔和冰凌等不利作用[6]，這些保護層往往易損。孫江岷等[7]對黑龍江省11座水庫土石壩護坡結構形式進行了調研，護坡破壞的占調研總數的54.5%，寒區護坡運行過程中，易產生凍害的主要為干砌石護坡、水泥砂漿灌縫的干砌塊石護坡、漿砌石護坡，且破壞主要從位于冰蓋層以上2.0 m至最低水位之間。

本文主要是通過對某廢水池護坡屢修屢壞的調研與計算分析，對其損壞情況進行介紹，并對其破壞機理進行分析，從而有助于認識適用的寒區護坡結構，對該廢水池護坡的修復及后續類似地區廢水池等護坡結構形式的確定等均具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 廢水池概況

某廢水池位于占地約12 hm2，主要作為事故水池使用，底部鋪設兩層防滲膜(圖1)。壩體采用山皮石堆砌而成，頂部標高為1300.0 m，底部標高為1295.9 m，內外坡比均為1∶1.5。內坡鋪設防滲膜，防滲膜上面鋪有砂墊層，砂墊層上為漿砌片石護坡，護坡表層抹有厚約1 cm的混凝土面層(圖2)。

圖1 廢水池平面衛星圖(2012年5月19日)

圖2 護坡階段初始狀態示意圖

廢水池所在地最低溫度為-38.5 ℃，最高為36.1 ℃，年蒸發量為1716.1 mm，最大積雪深度23 cm，積雪壓力0.35 kN/m2。最大風速為28.0 m/s，歷年平均風速為2.5 m/s，月平均最大風速為4.9 m/s，風壓為0.6 kN/m2。

1.2 護坡病害情況

2011年5月，工作人員在日常巡檢中發現，廢水池水位在2.03 m，護坡局部出現裂縫和坍塌，隨后于5月26日開始整體修復，6月13日修復完畢。

2011年5月28日的調研發現，廢水池內存水位已達到3.5m，壩體護坡出現裂縫，局部產生坍塌。坍塌部位有土工膜裸露，且部分外露土工膜的焊口開裂(圖3)。

圖3 2011年5月28日調研照片

2011年10月26日的調研發現，壩坡護坡已修復完畢，坡面上可見清晰的修復痕跡，少量部位依然存在小孔洞(圖4)。

圖4 2011年10月26日調研照片

2012年4月20日調研發現，護坡出現了大面積的損害，混凝土面層斷裂，部分位置有大面積塊石砌層錯位(圖5)。

圖5 2012年4月20日調研照片

通過以上調研的時間節點可以看出，兩次發現病害的時間均為春季，分別為2011年5月和2012年4月20日。

2 護坡穩定性分析

2.1 計算參數

護坡的坡比為1∶1.5，厚度暫定為一般設計中砌石的厚度，在這次取0.35 m，砌石和砂漿層的容重均參考相對資料設定為23 kN/m3，護坡從破壞水位至壩坡頂部的長度為1.5 m，護坡的界面摩擦系數依據下伏砂墊層的摩擦性定為0.5。

考慮冰推破壞時，必須要利用靜冰壓力。靜冰壓力一般參考冰層厚度，然后利用《水工建筑物抗冰凍設計規范》(SL 211—2006)來確定標準值。但因為缺乏當地的冰層厚度，標準值無法確定，因此選定0.4 m和0.8 m兩個冰厚值來分別選取相應的靜冰壓力標準值，并進行計算。

2.2 冰推穩定性

冰推破壞又叫冰蓋擠壓破壞，是指水溫降到0 ℃時，庫水結冰，體積膨脹，形成的冰蓋會對壩坡產生冰推作用。冰蓋也有熱脹冷縮性質，在連續升溫天氣，冰體膨脹，擠壓壩坡，產生很大的破壞應力，從而使護坡平移、隆起、破碎等[8]。

參考王永平等[9]計算方法，塊石護坡的冰推穩定性F為式(1)：

(1)

式中：f為界面摩擦系數；GH為重力G沿坡面的分量，N；GV為重力G垂直坡面的分量，N；PH為冰推力P沿坡面的分量，N；PV為冰推力P垂直坡面的分量，N。

基于上述計算參數和水平滑面的冰推力穩定分析方法，根據式(1)分別計算出冰蓋厚0.4 m和0.8 m時的護坡安全系數分別為0.5和0.4。需指出的是，該計算方法計算的是冰蓋層以上護坡的穩定性，并且假設冰蓋層以上護坡的抗拉強度為0，抗冰推力主要來自重力和摩擦力，這導致計算結果會略偏保守。

可以看出，基于經驗和類比選取的計算參數，計算出冰推條件下護坡會產生破壞。受多方面因素的影響，可能砂漿層與砌石之間的摩擦系數為整個斷面上的最小值，所以冰推僅導致砌石表面砂漿層的隆起，而沒有發現砌石的隆起。

2.3 抗滑穩定性

護坡抗滑穩定安全系數FS的計算式(2)為：

(2)

基于上述計算參數和式(2)所示的抗滑穩定分析方法，計算出的下滑安全系數為0.8。需指出的是，本計算方法計算的僅是水位以上護坡的下滑穩定性，而且沒有考慮護坡完整條件下，各部位護坡之間的支撐力。所以本計算方法僅考慮的是水位變幅區處砌石脫離后，其上方砌石護坡的穩定性。

通過此計算結果可以看出，當水位變幅區砌石因冰拔或浪淘而脫離后，其上方砌石護坡處于懸空狀態，并且安全系數小于1，從而導致上方砌石護坡產生滑塌。

3 護坡病害機理分析

針對工程現狀，本病害機理分析主要是從病害出現時間、類型、相應時間的溫度變化及其他工程護坡的破壞現象來進行對比分析。

3.1 病害發生事件分析

圖6為2011年冬季前后同一部位護坡狀態的對比，圖6(a)攝于2011年10月底，圖6(b)攝于2012年4月底，結合前面廢水池病害發展的概述及此兩次調研的現象可以看出：2011年10月份的最低溫度已達到-12 ℃，但最高溫度為21 ℃，此時廢水池內水未曾結冰，護坡修復痕跡清楚可見，但未發現顯著的護坡破損現象；2012年4月份的最低溫度為-4 ℃，但最高溫度為24 ℃，此時廢水池內冰已全部融化，未見冰塊，但護坡已發生大面積的破損情況。

兩次調研時的最高最低溫度相差不多，但護坡的狀態發生了顯著的變化，這是因為兩次調研之間夾雜著整個冬季，溫度呈明顯的“V”字型發展，期間最低溫度為-35°(圖7所示)。由此推測該廢水池護坡病害的主因是冰凍。在溫度較低的條件下，庫水結冰，從而對護坡產生破壞。

圖7 廢水池所在地2011-10—2012-04溫度走勢圖

3.2 病害現象

通過對不同時間調研結果的對比及對護坡破損現象的整理分析，可以發現以下幾種破壞現象：

(1)破損位置發生變化，由近水位區擴展至整個坡面。從圖6(a)中的砂漿層修復痕跡可以看出，修復的主要為水位變幅影響區，這表明在修復前的破壞位置主要集中于水位變幅區。而圖6(b)整個坡面均損害，而不再僅僅局限于水位變幅區。

(2)護坡砌石滑塌破壞。多處發生大面積的護坡砌石滑塌現(如圖8所示)，滑塌區頂部具有明顯的寬10多厘米的裂縫，區內砌石有明顯的順坡向下滑移，且呈散亂堆積現象，砂漿層碎裂(見圖9)。滑塌區未影響壩體頂部，頂部滑塌拉裂縫距離壩體頂部約有30 cm(見圖9)。

圖8 護坡滑塌位置圖(2012年4月)

圖9 砌石護坡滑塌破壞(2012年4月)

(3)北側及東北角砂漿層隆起。在距離壩體頂部約30 cm處的砂漿層產生隆起，且隆起部位主要集中于廢水池的北側及東北角(如圖10所示)。現場觀察發現，隆起的砂漿層與下伏的砌石脫離，且手折可斷。

圖10 護坡砂漿層隆起破壞(2012年4月)

(4)水位變幅區砂漿層脫落。在水位變幅區發現砂漿層脫落，砌石裸露(圖11)。裸露的砌石似未見水泥摸縫，因當時安全措施不具備，未能下至砂漿層脫落處仔細觀察砌石的狀態。

圖11 水位變幅區砂漿層脫落(2012年4月)

3.3 病害機理分析

結合前人對凍脹及冰壓力下護坡的破壞機理及本廢水池中發現的護坡病害現象，分析認為不同病害現象代表了相應的破壞機理及發展階段，經整合可得本廢水池病害的機理及發展流程。

圖12 砂漿層破壞示意圖

(1)水位變幅區砂漿層脫落，變幅區上方面板隆起。

在水庫結冰后，受冰拔作用(即冰蓋的彎距作用)，水位變幅區的砂漿層因厚度較小、抗彎強度低而被折斷，從而導致脫落(如圖11和圖12所示)；受冰推作用，變幅區上方護坡表面的砂漿層因與砌石之間粘和程度低、摩擦系數小而產生沿護坡面的向上剪切位移，從而導致隆起(如圖10和圖12所示)。

(2)變幅區砌石和砂墊層因冰拔或浪淘作用而被淘空或移位。

該現象并未在本廢水池的病害中發現，但依據變幅區的砂漿層脫落和砌石的滑塌現象，以及相近工程的借鑒，可以推測在病害的發展過程中存在此階段。因為如果變幅區的砌石沒被淘空或移位，其上方的砌石不會存在較大的向下變形的空間，所以也就不會產生滑塌變形。

水位變幅區的面板脫落后，干砌石和沙失去了保護層。冰拔作用易使該部位的干砌石脫落或移位，而浪淘作用易使墊層中的沙流失，從而將變幅區的砌石淘出或移位(圖13)。但究竟該部位干砌石是因何種原因而離位或移位，因沒有直接的觀測資料，難以明確。但不外乎此兩種作用。

圖13 變幅區砌石掏空示意圖

(3)摩阻力降低，水位變幅區上方的干砌石產生滑塌。

水位變幅區的干砌石脫落或移位后，其上方的砌石失去了下部的支撐，阻滑力降低，墊層沙的流失可能會進一步加劇阻滑力的降低，當阻滑力不足以抵抗上方砌石的滑動力時，上方砌石沿坡面產生向下的滑動(見圖9和圖14)。

圖14 砌石滑塌破壞示意圖

3.4 病害對防滲的影響

依據該廢水池壩坡的防滲結構，防滲主要是依靠砂墊層下方的土工膜，砂墊層、砌石和砂漿層則主要起保護作用。

依據圖12～圖14所示的病害發展演化過程與機理，可以看出病害主要發生在保護層，在病害發展階段中，只有砌石的滑塌破壞階段有可能會對土工膜產生影響。如果砌石產生滑塌時，砌石與土工膜之間依據存在足夠的砂墊層，那么該滑塌不會對土工膜產生影響；如果部分砂墊層已流失，那么砌石會有可能直接與土工膜產生接觸并相對滑動，這時砌石鋒利的邊緣會有可能割壞或刺穿土工膜。

4 結 論

本文在對一寒區廢水池護坡病害情況多年追蹤的基礎上，結合護坡結構和寒區池水冰的作用力分析，對該廢水池護坡屢修屢壞的機理進行了分析，從而為其修復奠定基礎。

該護坡的破壞機理主要分三個階段，首先冰拔和冰推作用導致水位變幅區砂漿層脫落，變幅區上方面板隆起；其次變幅區砌石和砂墊層因冰拔或浪淘作用而被淘空或移位；最后界面摩阻力降低，水位變幅區上方的干砌石產生滑塌。

在常規的修復中，只是將破壞區原樣修復，沒能從機理上阻隔，從而出現了屢修屢壞的現象，從且護坡滑動過程中，邊緣鋒利的砌石還容易對防滲層的土工膜造成損傷。