高拱坝坝基排水问题

1、问题的提出

　　据工程事故实例,如美国莫伊埃河拱坝,高度为16.6 m,因左岸山脊薄及岩层向下游倾斜并有 软弱夹层,受渗流浸蚀而沿软弱夹层滑动失去支承;美国拉尼湖拱坝,高20.5 m,因勘探草率, 坝肩置于周围为泥土碎屑堆石的、直径约42 m的大孤石上,受渗流浸蚀引起大孤石松动而破 坏;法国马尔巴塞(Malpasset)拱坝,高66.5 m,坝底厚6.91 m,坝顶厚1.5 m,坝顶长222.66 m, 坝基岩性为片麻岩,左岸岩石夹有绢云母页岩。该坝于1959年12月2日溃坝,这是拱坝建筑史 上的大事。经法国组织调查委员会等反复调查鉴定,并引起世界各国专家、学者的关注和讨 论,最终认为溃坝主要原因是坝荷载平行压缩片麻岩层,受渗流潜蚀与渗透压力作用,致使坝 基沿岩层裂隙滑移而造成溃坝,见图1;秘鲁弗莱瑞双曲拱坝,高74 m,坝基岩性为安山岩,事故 原因是地震力使拱座下游出现垂直裂缝和位移,见图2,以及左拱座下游存在岩体崩坍体3.6万 m3,岩石走向与坝肩裂隙平行,渗透压力造成岩石破坏所致。在后来的加固项目中增设了岩石排水系统。

　　我国梅山连拱坝,高88.24 m,坝基岩性为花岗岩,蓄水6年后右岸坝基裂隙大漏水,在未封堵灌 浆孔时喷水高达31 m,射程11 m,13号垛位移43.61 mm、垛拱出现裂缝及15号、16号拱前岩 石裂缝宽5～17 mm。事故分析主要原因为右岸坝基山脊单薄临空、断层裂隙切割、邻垛高差大及防渗排水不足。后期的加固项目包括增设排水系统。

　　从50年代原苏联教科书或美国垦务局设计准则中都认为,一般拱坝特别是薄拱坝基础渗流 对坝体和坝基并不是重要的。因而,在拱坝基础中一般都不设置排水系统。但从上述拱坝事 故实例启示,拱坝基础受渗流浸蚀与渗透压力作用,对坝基稳定产生了极不利的影响,甚至酿 成事故,从而也引起了工程界对拱坝渗流研究和处理措施的重视,其中排水效应具有重要意义。

2、排水效应的理论研究

2.1 卡氏理论研究简述

　　著名学者A．卡色格兰德(A．Casagrande)教授于1961年以《坝基和 坝座的渗流控制》为题作了演讲,现将其分项内容简述如下:

　　(1)首先在前言中依据一座坝的观测资料,利用灌浆与排水的各自效应阐述岩石渗流控制 情 况;

　　(2)排水分析。依据不同部位设置排水而得到渗透压力理论值;假定岩石各向同性并为半无限 体,在符合达西定律情况下,利用渗流理论,得到排水孔下游无渗流或高于和等于下游尾水位 时的理论解;

　　(3)不完全截水分析。以截水比例值,利用单排帷幕灌浆与钢板桩存在窄缝情况,表明了防渗 截水效应;

　　(4)假设例子讨论。假设8种不同防渗截流与排水情况的图例,得出坝基和坝座存在渗透压力 需要量测预报及设置排水孔孔深的建议;

　　(5)田纳西局和垦务局所属坝的渗透压力观测。依据实际渗透压力观测资料表明,帷幕灌浆作 用小而排水作用大,并存在排水设置不足和孔深较浅等问题。

　　(6)帷幕灌浆及薄拱坝坝座渗流控制。实例表明,帷幕灌浆主要目的是降低渗漏,对降低渗透压力作用不大;由于薄拱坝拱座岩石陡峻,难于灌浆与保证岩石不变形,建议使用隧洞或竖 井排水;

　　(7)结论和建议。最终得到主要结论为:

　　a.渗流对坝基和坝座的影响,采用综合排水能有效控制,对重力坝和重力拱坝可用浅孔排水, 当遇不良地质情况时,加深排水孔能有效控制渗透压力;

　　b.降低坝基渗透压力的主要措施是设置排水,见图3,帷幕灌浆的主要作用是减少渗流量,对降 低渗透压力效果不大;

　　c.坝座处陡峻岩石处理的问题主要是爆破和灌浆作业难于保证岩石不变形,建议采用隧洞或 竖井排水来解决坝座渗流问题。

2.2 排水效应实例

　　同样,从我国石门拱坝对有无帷幕渗透压力观测结果表明,见图4,在1978年5月前有帷幕坝段 渗透压力高于设计值,其原因是排水孔孔深不够、孔距大且靠近帷幕,后来将排水孔加深并 超过帷幕深度,加密孔距,从而使渗透压力低于设计值。在无帷幕灌浆坝段,低水位时渗透压 力较小,高水位时渗透压力稍超过设计值,分析其主要原因是由于坝基前缘开裂造成的,但对 坝体稳定影响较小。该拱坝实测也证明了卡氏理论研究所得排水效应的正确性。

　　从上述理论分析与实例观测表明,解决拱坝基础渗流问题,主要是采取“前堵后排”方式,其 中降低渗透压力的有效途径是必须设置合理的排水系统。

3、拱坝基础排水原则

3.1 设置排水的目的

　　依据拱坝事故实例和卡氏理论研究成果,笔者认为,采用设置排水系统的方法控制拱坝基础 渗流问题的主要目的是:

　　(1)降低渗流压力(包括渗透压力和下游尾水浮托力);

　　(2)改善渗流对岩石性质的影响;

　　(3)提高坝基岩石渗透稳定性。

3.2 排水布置原则

　　依据工程实践经验,在一般情况下,排水系统的布置应遵循如下设计原则:

　　(1)符合前堵(防渗体)与后排(排水系统)的基本原理;

　　(2)防渗体(包括帷幕灌浆、截水墙、齿墙、铺盖及其它)与排水系统(包括排水井、排水孔、 排水洞及其它)相匹配;

　　(3)排水系统能有效控制拱坝基础的渗流压力;

　　(4)排水系统必须满足防渗体与基础岩石的允许渗流梯度;

　　(5)排水系统尽可能地达到技术先进、经济合理及施工简便的原则。

3.3 排水方式

　　由于拱坝、尤其是薄拱坝结构特性与坝基和拱座岩石性质的复杂性,考虑到坝体与基础接触 部位情况和受力状态,目前拱坝基础采用的排水方式主要分为两种类别:

　　(1)河床坝段基础排水方式。

　　一般在坝体底部设置一道或多道排水廊道与灌浆、观测、交通等廊道相结合,廊道断面尺寸 一般为3.0 m×3.5 m。在廊道中钻设排水孔,由排水沟或排水井集中渗流后,采用抽水或自流 排出坝体下游的排水方式。

　　(2)两岸拱座基础排水方式。

　　一般在拱坝两岸拱座岩体中,设置一层或多层排水隧洞与灌浆、观测、交通等隧洞相结合,隧 洞内径3.0～4.0 m,在隧洞周边钻设孔距为2.5～3.5 m的排水孔,在洞底两侧或一侧设排水沟 自流排出坝体下游的排水方式。

4、拱坝坝基排水参数选择

4.1 某些国家取得的经验

　　由于拱坝基岩性质极其复杂,特别是拱坝型式和结构特征的差异,迄今为止,对拱坝基础排水 技术参数,即孔深、孔距、孔径、排数、排距……等,尚未制定统一定量计算准则。为此,现 将一些国家规范规定或工程经验所建议的拟设范围搜集列出,见表1,以供初步拟设时参考。

表1 一些国家排水孔技术参数表

注:表中h——水头或坝高(m),d——幕深(m)。

4.2 排水孔与帷幕灌浆的关系

　　从上述粗略分析与一些国家经验(见表1)说明,国内外对拱坝基础排水技术参数拟设范围变化 较 大,拟设时难度较大。众所周知,防渗帷幕与排水系统是处理拱坝基础的一对伙伴,缺一不可, 针对排水技术参数拟设经验范围较大的特点,特将部分国内外拱坝工程设计施工的帷幕灌浆 与排水系统技术参数实例搜集列出,见表2,一方面可以反映二者之间的关系,同时,亦可供初 步拟设排水系统技术参数作参考。

　　总之,由于排水参数涉及因素多,尤其是排水孔孔深又与岩石情况有关,而岩性又极其复杂,故 只能依据部分国家和工程经验,列出排水孔深度经验估算式为:

　　(1)排水孔深度S与帷幕深度d的关系式:

　　式中　系数A=0.17～0.75,常取A=0.5。

　　(2)排水孔深度S与坝高h的关系式:

　　式中　系数B=0.11～0.5,常取B=0.25。

表2 国内外一些拱坝基础排水系统主要参数表

5、初步认识和讨论

　　据上述浅析和实例工程数据搜集后,归纳起来可以得到一些初步认识并讨论如下。

　　(1)拱坝基础渗流问题的解决,设置排水系统是很必要的。因为它不仅比防渗体减压效果 可靠,而且对改善岩石性质(强度、摩擦角)也有明显效应,尤其是对拱座支承岩体与透水性弱 而有裂隙存在的岩体,更需要设置排水系统,从而提高坝基和拱座岩体的抗滑稳定性。

　　(2)据工程实例统计,在排水系统主要技术参数中,排水孔孔深范围为坝高的11%～45%, 平均值为25%;为帷幕灌浆深度的17%～70%,平均值为50%。孔距范围为2～7 m,平均值为3.4 m 。孔径范围为φ75～φ150 mm,常采用大于φ100 mm的孔径。排数范围为1～5排,常取2～3 排。排水孔与防渗帷幕间距范围为2～14.7 5 m,常取用不小于2 m。两岸拱座岩体排水洞范围为1～4层,一般取2层。

　　(3)在拱坝坝肩部位所设置的排水系统应布置在岩体受压区域内。因为,在岩体受拉区内, 岩体裂隙张开,易形成渗流通路而加大渗透压力。为此,在拱坝分析中,需要特别关注两岸拱 座岩体裂隙中的渗流问题。当估算拱座岩体剪切时,必须将岩石裂隙中的渗流压力考虑进去 。即

　　式中　τ——岩石抗剪应力;

　　c——岩石凝聚力;

　　σ——坝基应力;

　　U——岩石裂隙渗流压力;

　　φ——岩石内摩擦角。

　　(4)帷幕灌浆孔的布置原则上以多穿岩石裂隙、受力条件有利及方便施工来确定,故在设计中 一般多采用倾斜上游或垂直布孔。如美国鲍尔德拱坝倾斜上游布孔的最大角度达75°;又如 我国龙羊峡重力拱坝右岸一段帷幕灌浆孔的布设采用L．缪勒(L．Mullee)建议,倾向上游。

　　对于排水孔孔向的设计应以在满足防渗体和岩石允许渗流梯度情况下,贯穿岩石裂隙渗流压 水带及方便施工来控制,一般排水孔孔向多布置为倾向下游或垂直布孔。

　　(5)为了防止所设排水孔失效,按日本国工程试验资料,建议在排水孔或排水井内填充透水性 大于岩层100倍的碎石(2～15 mm)滤水料,可防止细颗粒淤塞而导致的排水孔或排水井失效。 有的工程对排水孔采用棕树皮包护花管,在管周围填滤水料也较有效。如我国陈村拱坝基础 处理时,在所埋排水花管周填滤水料,获得有效排水。

　　(6)在拱坝坝体与基础连接中,一种为直接相连;另一种为增设垫座。后者虽可降低坝踵拉应 力,但垫座却增加了一条施工缝弱面,加大了施工的复杂性,对坝体稳定不利。对前者,若将拱坝坝体底部断面适当加厚, 既可降低或避免坝踵拉应力,又能对防渗体和排水系统的设置创造有利条件。例如,奥地利柯 恩布赖茵双曲拱坝,高200 m,基岩为完整的片麻岩,水库蓄水后,在荷载作用下,该坝除因高宽 比失当,产生剪切破坏等原因外,在拱坝上游区域实测渗透压力很大,曾使岩石抬高达28 mm, 也是危及坝体安全的因素之一,在后来的重新加固项目中,特将坝体上、下游底部断面扩大作 为加固措施之一。为此建议,当坝体与基础直接相连时,适当加厚坝体底部断面是合理的。