銅礦酸性污水庫大壩滲透穩(wěn)定性分析

銅礦酸性污水庫大壩滲透穩(wěn)定性分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國有3萬個病險水庫，占水庫總數(shù)的36%。其中，大型水庫的險率約為30%，小型水庫的險率較高。近年來,國家積極開展了以病險水庫除險加固為主的水利工程治理工作,有許多學(xué)者對此進(jìn)行了深入研究,但對污水庫壩的滲漏治理研究較少,而此類水庫內(nèi)的污水外泄將對周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,研究如何改進(jìn)污水庫大壩的除險加固措施,提高工程的加固效果及降低工程造價,確保下游居民生活安全,顯得十分必要。為此,本文作者介紹江西省某銅礦的一座酸性污水庫土石壩的地質(zhì)勘探情況,分析大壩的滲漏原因,通過滲流和穩(wěn)定性計(jì)算,研究大壩和壩基的滲流狀況和可能發(fā)生的滲透變形破壞情況以及對大壩的危害。針對存在的問題,提出防滲加固處理措施。1項(xiàng)目總結(jié)1.1設(shè)計(jì)高程和壩體材料某酸性污水庫壩設(shè)計(jì)為一粘土斜墻防滲的土石壩,迎水面采用塊石護(hù)坡,壩高為26m,壩頂高程為130m,溝底高程為104m,蓄水高程為126.22m,設(shè)計(jì)洪水位為127.50m,校核洪水位為129.50m,壩軸線長為160m,于1984年10月完工。1985年上半年開始蓄水,之后發(fā)現(xiàn)滲漏,經(jīng)多次治理,但效果不好,從庫內(nèi)外泄的酸性水對周圍生態(tài)環(huán)境和構(gòu)筑物造成一定程度的影響。大壩工程布置見圖1,大壩典型地質(zhì)剖面圖見圖2。1.2壩體基巖結(jié)構(gòu)及工程化程度分析根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果,壩體填土以碎石質(zhì)亞粘土為主,碎石含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約占20%,粒徑為3～300mm,填土中含較多的塊石。由于壩體夯壓欠密,填筑質(zhì)量較差,同時,在庫水長期滲漏作用下,筑壩物料中的細(xì)顆粒被地下水帶走,使壩殼的透水性較強(qiáng)?，F(xiàn)場鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果表明,其滲透系數(shù)k=1.2×10-5～7.3×10-4cm/s,平均為2.0×10-4cm/s。壩基巖石為震旦-寒武系混合巖,傾向?yàn)?00°,傾角為25°～49°,傾向上游,對壩體穩(wěn)定有利。按風(fēng)化程度可分為強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中風(fēng)化混合巖和微風(fēng)化混合巖。強(qiáng)風(fēng)化混合巖主要分布在壩基兩側(cè),鉆孔揭露厚度為4.7～13.8m,壓水試驗(yàn)測得滲透系數(shù)k=7.1×10-5～1.1×10-3cm/s,平均為4.7×10-4cm/s;中風(fēng)化混合巖裂隙發(fā)育,巖芯呈碎塊狀,分布于壩基壩肩處,鉆孔揭露厚度為2.0～4.3m,壓水試驗(yàn)測得滲透系數(shù)k=8.8×10-5～5.4×10-4cm/s,平均為2.7×10-4cm/s;微風(fēng)化地層的滲透系數(shù)k=5.5×10-5～2.3×10-4cm/s,平均為1.0×10-4cm/s。粘土防滲斜墻填土為黃紅色粘土,干容重為13.24kN/m3,最大擊實(shí)干容重為16.9kN/m3,密實(shí)度為78.34%。由于斜墻中的細(xì)顆粒被帶走,使干容重降低,密實(shí)度也明顯降低,達(dá)不到防滲要求。通過現(xiàn)場注水試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn),測得其滲透系數(shù)k=7.3×10-5～4.6×10-4cm/s,平均為3.6×10-5cm/s。反濾層由砂和砂礫石填筑。根據(jù)壩面出水點(diǎn)位置和地下水位觀測情況,排水棱體附近地下水位高,棱體被堵塞,反濾體透水性不強(qiáng),導(dǎo)滲效果較差,使壩體內(nèi)水位上升。1.3微風(fēng)化混合巖裂隙發(fā)育從觀測到的滲流現(xiàn)象可知,大壩主要存在如下3個方面的問題:a.壩體和壩肩滲漏;b.壩基滲流;c.粘土防滲斜墻失效和反濾層堵塞。由于大壩在施工時清基不到位,在運(yùn)行過程中對壩基基本上未進(jìn)行處理,大壩的基礎(chǔ)滲漏一直存在。鉆孔壓水及注水試驗(yàn)表明,壩肩和壩基的中風(fēng)化、微風(fēng)化混合巖裂隙發(fā)育,壩基以下埋深12～21m的強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙巖體和弱風(fēng)化帶上部巖體的單位吸水率ω=0.03～0.55L/(min·m2),高于防滲標(biāo)準(zhǔn),為庫水外滲通道之一。在鉆探過程中發(fā)現(xiàn),BK1及BK4孔在孔深10m處嚴(yán)重漏水,漏水量大于125L/min,在孔深20m及26m附近出現(xiàn)塌孔,巖芯松散,說明在庫水長期滲漏作用下筑壩物料中的細(xì)顆粒被地下水潛蝕掏挖帶走,在壩體中已有集中的地下水滲漏通道。東、西壩肩巖層受構(gòu)造及風(fēng)化影響,巖體風(fēng)化嚴(yán)重,滲透性很強(qiáng),存在滲流和山體繞流的通道。在酸性水的長期腐蝕作用下,防滲斜墻物料有較大變化,干密度低,結(jié)構(gòu)被逐漸破壞,基本失去防滲作用。大壩在河床位置的下游壩腳設(shè)有反濾層,由于壩體及壩基長期漏水,致使排水反濾層堵塞,排水效果較差,由所觀測的地下水位可知,反濾層附近的地下水位高,反濾體的透水性不強(qiáng),導(dǎo)滲效果差。2流量計(jì)算與穩(wěn)定分析2.1壩體防滲結(jié)構(gòu)及壩體滲流場分析對于使用多年的土石壩,壩內(nèi)已形成較為穩(wěn)定的滲流場。由滲流理論可知,在穩(wěn)定滲流場Ω域內(nèi),滿足不可壓縮流體的達(dá)西滲流控制方程為:?·(k?h)=0。(1)設(shè)P表示Ω中的飽和部分,將式(1)用直角坐標(biāo)系表示為:??x(kx?h?x)+??y(ky?h?y)+??z(kz?h?z)=0,??x(kx?h?x)+??y(ky?h?y)+??z(kz?h?z)=0,x,y,z∈P。(2)其邊界條件為:h(x,y,z)=h0(x,y,z),x∈L1,y∈L1,z∈L1;(3)[kx?h?x,ky?h?y,kz?h?z]{nxnynz}=-qn(x,y,z),[kx?h?x,ky?h?y,kz?h?z]?????nxnynz?????=?qn(x,y,z),x∈L2,y∈L2,z∈L2。(4)式中:h為總水頭函數(shù);kx,ky和kz為與x,y和z軸同向的主滲透系數(shù);h0和qn為邊界上的已知水頭和流量;L1和L2為P域上已知水頭和流量條件的面域;nx,ny和nz為L1和L2的外法向余弦。通過某斷面S1的滲流量的計(jì)算式為:q=∫S1kn?Η?ndS=-knS1?Η?nq=∫S1kn?H?ndS=?knS1?H?n。(5)式中:S1為過水?dāng)嗝婷娣e。壩后滲流量的水壓分量由壩體滲流量QH1、壩基滲流量QH2以及繞壩滲流量QH3組成,即QH=QH1+QH2+QH3。(6)QH1,QH2和QH3與上游水深度Hi有關(guān):{QΗ1=3∑i=0aiΗi;QΗ2=3∑i=0biΗi;QΗ3=3∑i=0ciΗi。(7)???????????????????????????QH1=∑i=03aiHi;QH2=∑i=03biHi;QH3=∑i=03ciHi。(7)針對該污水庫壩庫水滲漏情況,采用三維滲流有限元對任意上游水深hi(i=1,2,…,n為計(jì)算組數(shù))時大壩的滲流量和壩內(nèi)任意水位時的滲流場進(jìn)行計(jì)算和分析。滲透系數(shù)的計(jì)算取每個部位滲透系數(shù)的平均值,其中壩基微風(fēng)化巖層取k=1.0×10-5cm/s,壩肩微風(fēng)化巖層取k=2.6×10-4cm/s。因無法通過試驗(yàn)確定反濾層的滲透系數(shù),采用反演方法計(jì)算,得到其滲透系數(shù)約為2.4×10-4cm/s。表1所示為不同工況下滲流在壩面逸出處和壩趾地基中的滲透坡降(單位滲流路徑上的水頭差)。在滲流情況下,流土破壞的臨界滲透坡降為:JC=γ′γw(cosβ-sinβtan?)(8)式中:β為壩下游逸出點(diǎn)處坡角;?為逸出點(diǎn)處物料的摩擦角;γ′為浮重度;γw為水的重度。若安全系數(shù)為k′,則允許滲透坡降為:Jp=JCk′(9)根據(jù)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù),計(jì)算得壩體和壩趾地基土體的允許滲透坡降為0.405,因此,在設(shè)計(jì)水位和校核水位情況下,逸出點(diǎn)的滲透坡降大于土體的允許滲透坡降,會出現(xiàn)流土破壞現(xiàn)象。表2所示為壩體各部位及壩基的滲水量?？梢钥闯?壩體的滲水量較大,并且隨著庫水位升高,滲水量逐漸增大。從表2可以看到,東壩肩漏水嚴(yán)重,占20%以上;西壩肩有一定程度漏水,占8.0%以上;壩體段因過水?dāng)嗝孑^大,加上筑壩材料透水性強(qiáng),故滲漏水量的60%～70%發(fā)生在壩體段,表明粘土防滲斜墻失效。2.2壩坡穩(wěn)定性計(jì)算穩(wěn)定性分析是大壩滲流計(jì)算的重要內(nèi)容。由滲流分析可知,由于地下水的滲透作用,壩體內(nèi)已形成空洞,對壩體的抗滑穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響。為了進(jìn)一步了解滲流造成的危害,用圓弧滑動法對下游壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。表3所示為由鉆孔取樣得到的土體的物理力學(xué)參數(shù)。壩坡抗滑穩(wěn)定性計(jì)算分如下4種工況:a.穩(wěn)定滲流期設(shè)計(jì)洪水位;b.穩(wěn)定滲流期校核洪水位;c.庫水位非常降落(由校核洪水位129.5m降至死水位114.0m);d.庫水位正常降落(由設(shè)計(jì)洪水位127.5m降至死水位114.0m)。按照碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求,分別采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普方法計(jì)算壩坡的穩(wěn)定性。各種工況條件下下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。從表4可以看出:在正常降落期間,壩坡的抗滑穩(wěn)定性基本達(dá)到碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求,在正常工作條件和非常工作條件下,由于滲流作用,下游壩坡不能滿足穩(wěn)定性要求,最不利滑弧從排水棱體頂部位置滑出。由于壩體防滲作用較弱,特別是下游排水棱體堵塞,排水不暢,導(dǎo)致下游壩殼浸潤線位置偏高,下游壩坡穩(wěn)定性不強(qiáng)。3壩體防滲穩(wěn)定從上述分析的結(jié)果可知,大壩需要從2個方面進(jìn)行治理:a.防滲,阻止庫水外漏;b.下游壩坡加固,以確保大壩的安全?？紤]到庫內(nèi)污水酸性較強(qiáng)(pH=2～4),經(jīng)過方案對比和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,確定采用高壓擺噴灌漿和粘固化注漿技術(shù)對大壩進(jìn)行綜合治理。具體方法為:對壩體采用三重管高壓擺噴灌漿構(gòu)筑垂直防滲墻,墻體連接見圖3。墻體厚度為20～50cm,壩基和壩肩采用粘土固化注漿進(jìn)行防滲處理,注漿后巖體的單位吸水率ω≤0.03L/(min·m2)。表5所示為經(jīng)處理后壩體的滲水量以及在壩址基礎(chǔ)中的最大滲透坡降?？梢?經(jīng)防滲加固處理后,壩體的滲水量和滲透坡降大大降低,與表1對比,經(jīng)防滲處理后壩區(qū)的總滲水量降低90%以上,滲透坡降小于土體的允許滲透坡降(0.405),達(dá)到了防滲加固的目的。表6所示為在各種工況下下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)?？芍?下游壩坡在正常、設(shè)計(jì)及校核水位等情況下的安全系數(shù)均滿足碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求,壩體穩(wěn)定。而且壩體在不同工況下的安全系數(shù)相同,說明滲流浸潤線高程低于最危險滑弧,在沒有滲透力作用的情況下,各種工況下的下游壩坡抗滑穩(wěn)定性相同。大壩經(jīng)防滲加固處理后,壩體和壩基的滲流狀況得到改善,壩體內(nèi)浸潤線大大降低,下游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)定的最小安全系數(shù),可以保證壩坡的安全與穩(wěn)定。4滲流體表面細(xì)顆粒堵塞a.由地質(zhì)勘探和滲流場綜合分析可知,大壩已經(jīng)產(chǎn)生滲透破