铜矿酸性污水库大坝渗透稳定性分析

铜矿酸性污水库大坝渗透稳定性分析

据统计，目前中国有3万个病险水库，占水库总数的36%。其中，大型水库的险率约为30%，小型水库的险率较高。近年来,国家积极开展了以病险水库除险加固为主的水利工程治理工作,有许多学者对此进行了深入研究,但对污水库坝的渗漏治理研究较少,而此类水库内的污水外泄将对周围环境产生严重影响。因此,研究如何改进污水库大坝的除险加固措施,提高工程的加固效果及降低工程造价,确保下游居民生活安全,显得十分必要。为此,本文作者介绍江西省某铜矿的一座酸性污水库土石坝的地质勘探情况,分析大坝的渗漏原因,通过渗流和稳定性计算,研究大坝和坝基的渗流状况和可能发生的渗透变形破坏情况以及对大坝的危害。针对存在的问题,提出防渗加固处理措施。1项目总结1.1设计高程和坝体材料某酸性污水库坝设计为一粘土斜墙防渗的土石坝,迎水面采用块石护坡,坝高为26m,坝顶高程为130m,沟底高程为104m,蓄水高程为126.22m,设计洪水位为127.50m,校核洪水位为129.50m,坝轴线长为160m,于1984年10月完工。1985年上半年开始蓄水,之后发现渗漏,经多次治理,但效果不好,从库内外泄的酸性水对周围生态环境和构筑物造成一定程度的影响。大坝工程布置见图1,大坝典型地质剖面图见图2。1.2坝体基岩结构及工程化程度分析根据地质勘探结果,坝体填土以碎石质亚粘土为主,碎石含量(质量分数)约占20%,粒径为3～300mm,填土中含较多的块石。由于坝体夯压欠密,填筑质量较差,同时,在库水长期渗漏作用下,筑坝物料中的细颗粒被地下水带走,使坝壳的透水性较强。现场钻孔注水试验结果表明,其渗透系数k=1.2×10-5～7.3×10-4cm/s,平均为2.0×10-4cm/s。坝基岩石为震旦-寒武系混合岩,倾向为300°,倾角为25°～49°,倾向上游,对坝体稳定有利。按风化程度可分为强风化混合岩、中风化混合岩和微风化混合岩。强风化混合岩主要分布在坝基两侧,钻孔揭露厚度为4.7～13.8m,压水试验测得渗透系数k=7.1×10-5～1.1×10-3cm/s,平均为4.7×10-4cm/s;中风化混合岩裂隙发育,岩芯呈碎块状,分布于坝基坝肩处,钻孔揭露厚度为2.0～4.3m,压水试验测得渗透系数k=8.8×10-5～5.4×10-4cm/s,平均为2.7×10-4cm/s;微风化地层的渗透系数k=5.5×10-5～2.3×10-4cm/s,平均为1.0×10-4cm/s。粘土防渗斜墙填土为黄红色粘土,干容重为13.24kN/m3,最大击实干容重为16.9kN/m3,密实度为78.34%。由于斜墙中的细颗粒被带走,使干容重降低,密实度也明显降低,达不到防渗要求。通过现场注水试验和室内渗透试验,测得其渗透系数k=7.3×10-5～4.6×10-4cm/s,平均为3.6×10-5cm/s。反滤层由砂和砂砾石填筑。根据坝面出水点位置和地下水位观测情况,排水棱体附近地下水位高,棱体被堵塞,反滤体透水性不强,导渗效果较差,使坝体内水位上升。1.3微风化混合岩裂隙发育从观测到的渗流现象可知,大坝主要存在如下3个方面的问题:a.坝体和坝肩渗漏;b.坝基渗流;c.粘土防渗斜墙失效和反滤层堵塞。由于大坝在施工时清基不到位,在运行过程中对坝基基本上未进行处理,大坝的基础渗漏一直存在。钻孔压水及注水试验表明,坝肩和坝基的中风化、微风化混合岩裂隙发育,坝基以下埋深12～21m的强风化带裂隙岩体和弱风化带上部岩体的单位吸水率ω=0.03～0.55L/(min·m2),高于防渗标准,为库水外渗通道之一。在钻探过程中发现,BK1及BK4孔在孔深10m处严重漏水,漏水量大于125L/min,在孔深20m及26m附近出现塌孔,岩芯松散,说明在库水长期渗漏作用下筑坝物料中的细颗粒被地下水潜蚀掏挖带走,在坝体中已有集中的地下水渗漏通道。东、西坝肩岩层受构造及风化影响,岩体风化严重,渗透性很强,存在渗流和山体绕流的通道。在酸性水的长期腐蚀作用下,防渗斜墙物料有较大变化,干密度低,结构被逐渐破坏,基本失去防渗作用。大坝在河床位置的下游坝脚设有反滤层,由于坝体及坝基长期漏水,致使排水反滤层堵塞,排水效果较差,由所观测的地下水位可知,反滤层附近的地下水位高,反滤体的透水性不强,导渗效果差。2流量计算与稳定分析2.1坝体防渗结构及坝体渗流场分析对于使用多年的土石坝,坝内已形成较为稳定的渗流场。由渗流理论可知,在稳定渗流场Ω域内,满足不可压缩流体的达西渗流控制方程为:∇·(k∇h)=0。(1)设P表示Ω中的饱和部分,将式(1)用直角坐标系表示为:∂∂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)其边界条件为: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为总水头函数;kx,ky和kz为与x,y和z轴同向的主渗透系数;h0和qn为边界上的已知水头和流量;L1和L2为P域上已知水头和流量条件的面域;nx,ny和nz为L1和L2的外法向余弦。通过某断面S1的渗流量的计算式为:q=∫S1kn∂Η∂ndS=-knS1∂Η∂nq=∫S1kn∂H∂ndS=−knS1∂H∂n。(5)式中:S1为过水断面面积。坝后渗流量的水压分量由坝体渗流量QH1、坝基渗流量QH2以及绕坝渗流量QH3组成,即QH=QH1+QH2+QH3。(6)QH1,QH2和QH3与上游水深度Hi有关:{QΗ1=3∑i=0aiΗi;QΗ2=3∑i=0biΗi;QΗ3=3∑i=0ciΗi。(7)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪QH1=∑i=03aiHi;QH2=∑i=03biHi;QH3=∑i=03ciHi。(7)针对该污水库坝库水渗漏情况,采用三维渗流有限元对任意上游水深hi(i=1,2,…,n为计算组数)时大坝的渗流量和坝内任意水位时的渗流场进行计算和分析。渗透系数的计算取每个部位渗透系数的平均值,其中坝基微风化岩层取k=1.0×10-5cm/s,坝肩微风化岩层取k=2.6×10-4cm/s。因无法通过试验确定反滤层的渗透系数,采用反演方法计算,得到其渗透系数约为2.4×10-4cm/s。表1所示为不同工况下渗流在坝面逸出处和坝趾地基中的渗透坡降(单位渗流路径上的水头差)。在渗流情况下,流土破坏的临界渗透坡降为:JC=γ′γw(cosβ-sinβtanϕ)(8)式中:β为坝下游逸出点处坡角;ϕ为逸出点处物料的摩擦角;γ′为浮重度;γw为水的重度。若安全系数为k′,则允许渗透坡降为:Jp=JCk′(9)根据地质勘察数据,计算得坝体和坝趾地基土体的允许渗透坡降为0.405,因此,在设计水位和校核水位情况下,逸出点的渗透坡降大于土体的允许渗透坡降,会出现流土破坏现象。表2所示为坝体各部位及坝基的渗水量。可以看出,坝体的渗水量较大,并且随着库水位升高,渗水量逐渐增大。从表2可以看到,东坝肩漏水严重,占20%以上;西坝肩有一定程度漏水,占8.0%以上;坝体段因过水断面较大,加上筑坝材料透水性强,故渗漏水量的60%～70%发生在坝体段,表明粘土防渗斜墙失效。2.2坝坡稳定性计算稳定性分析是大坝渗流计算的重要内容。由渗流分析可知,由于地下水的渗透作用,坝体内已形成空洞,对坝体的抗滑稳定产生不良影响。为了进一步了解渗流造成的危害,用圆弧滑动法对下游坝坡的稳定性进行计算。表3所示为由钻孔取样得到的土体的物理力学参数。坝坡抗滑稳定性计算分如下4种工况:a.稳定渗流期设计洪水位;b.稳定渗流期校核洪水位;c.库水位非常降落(由校核洪水位129.5m降至死水位114.0m);d.库水位正常降落(由设计洪水位127.5m降至死水位114.0m)。按照碾压式土石坝设计规范要求,分别采用瑞典圆弧法和简化毕肖普方法计算坝坡的稳定性。各种工况条件下下游坝坡抗滑稳定安全系数见表4。从表4可以看出:在正常降落期间,坝坡的抗滑稳定性基本达到碾压式土石坝设计规范要求,在正常工作条件和非常工作条件下,由于渗流作用,下游坝坡不能满足稳定性要求,最不利滑弧从排水棱体顶部位置滑出。由于坝体防渗作用较弱,特别是下游排水棱体堵塞,排水不畅,导致下游坝壳浸润线位置偏高,下游坝坡稳定性不强。3坝体防渗稳定从上述分析的结果可知,大坝需要从2个方面进行治理:a.防渗,阻止库水外漏;b.下游坝坡加固,以确保大坝的安全。考虑到库内污水酸性较强(pH=2～4),经过方案对比和技术经济比较,确定采用高压摆喷灌浆和粘固化注浆技术对大坝进行综合治理。具体方法为:对坝体采用三重管高压摆喷灌浆构筑垂直防渗墙,墙体连接见图3。墙体厚度为20～50cm,坝基和坝肩采用粘土固化注浆进行防渗处理,注浆后岩体的单位吸水率ω≤0.03L/(min·m2)。表5所示为经处理后坝体的渗水量以及在坝址基础中的最大渗透坡降。可见,经防渗加固处理后,坝体的渗水量和渗透坡降大大降低,与表1对比,经防渗处理后坝区的总渗水量降低90%以上,渗透坡降小于土体的允许渗透坡降(0.405),达到了防渗加固的目的。表6所示为在各种工况下下游坝坡的抗滑稳定安全系数。可知,下游坝坡在正常、设计及校核水位等情况下的安全系数均满足碾压式土石坝设计规范要求,坝体稳定。而且坝体在不同工况下的安全系数相同,说明渗流浸润线高程低于最危险滑弧,在没有渗透力作用的情况下,各种工况下的下游坝坡抗滑稳定性相同。大坝经防渗加固处理后,坝体和坝基的渗流状况得到改善,坝体内浸润线大大降低,下游边坡的抗滑稳定安全系数均大于规定的最小安全系数,可以保证坝坡的安全与稳定。4渗流体表面细颗粒堵塞a.由地质勘探和渗流场综合分析可知,大坝已经产生渗透破