水库堤防渗漏(Seepage of Reservior and levee)通常是指水体向围护区(库盆、堤防保护区),以外渗流而产生水量漏失的现象[1]。
如其渗漏量较大,将显著降低水库效益;降低软弱结构面强度,使某些岩土或断裂带充填物产生渗透变形;造成相邻低谷、洼地或坝基扬压力增加;下游地下水位抬升、建筑物地基浸没、失稳;引起坝肩、坝体滑动等环境地质问题,造成下游农田浸没和盐渍化等,但由于这种渗漏现象通常是徐变渐进的,一般不会立即造成水库堤防溃决、垮坝等灾难性后果。
本文主要论述水库、堤防、非常溢洪道等永久性或半永久性挡水建筑物的渗漏问题,同时结合工程实践,提出相应的应急措施和处理方法。
1、渗漏的主要表现形式土质堤坝的渗漏,常见的有坝基渗漏(Seepage through dam foundati on),坝体渗漏(Seepage dam)、涵闸渗漏(Seepage conduit and lock)、接触渗漏(Seepage contact)、绕坝渗漏(Seepage through dam abutmen t)和溢洪道渗漏(Seepage Spillway)等,现分述如下:[坝基渗漏] 通常是指水体沿坝基和坝肩透水岩土带渗流而发生漏失水量的现象。
由于土石坝对地基强度的要求不高,因此基础的防渗处理好坏直接关系到土石坝的运行安全。
有些水库地基基础复盖层很深,或其基岩为透水岩土带,如:未胶结或胶结不好的砂砾石层,砂砾岩、砂岩、岩体风化带或裂隙透水带;岩浆岩,非岩溶化沉积岩和变质岩中的断层、裂隙密集带;玄武岩、安山岩等喷出岩的柱状节理,层间裂隙和岩熔洞穴;还有一类为岩溶透水带,如石灰岩、白云岩、大理岩、页岩、泥质页岩等。
建设时由于经费或其它种种原因对地质情况未予探明或探知后未得到妥善处理,结果在运行多年后,隐患逐步暴露并造成坝基、坝肩严重漏水。
如我市安吉县老石坎水库(大(二)型),其非常溢洪道的三级自溃坝就位于厚度2~10m,透水性较强(>33LU)的钙质页岩的风化破碎带上,由于原工程施工时,原坝基未进行彻底处理,部分坝基未挖至基岩,两岸山坡及中间分隔墩的墩体均为厚度1~15m的强风化岩,而隔墩周边的挡水墙又是采用整体性和防渗性能相对较差的浆砌块石和地产的325#水泥砌护,结果在“99.6.30”洪水期间出现了全坝段、大面积的集中渗漏;湖州市区妙西乡的盛坞、利山水库,91年市区旄儿港腊山段施工围堰等均存在着上述情况。
[坝体渗漏] 主要是指水体透过坝身渗流而造成水量流失的现象,由于土质堤坝是由土料构筑的,而土料具有一定程度的透水性,在持续高水位下,如果填筑的土料选择不当或夯压不实,渗透到坝体内部的水分即会相应增加,浸润线和出逸点也会明显抬高,如不及时处理,就可能发生滑坡、漏洞、塌坑等,因而对土质堤坝的安全和稳定危害很大,其演变过程通常是从润湿散浸集中渗漏流土、管涌溃决。
如湖州市区南埠乡库容2万m3的银家坞山塘曾在91年洪灾中发生溃决,事后勘查,发现该山塘溃决的主要原因是坝型不合理(反拱型)、加上坝身单薄,白蚁洞穿土坝拱端,发生持续高水位时,蚁道贯通坝体并形成集中渗漏和流土,最后导致溃决。
99.6.30洪水期间,长兴、安吉二县有十几只 发生溃决,也是由于堤身单薄,背水坡堤脚有塘,加上白蚁危害。
洞穿堤身,最后在高水位时发生漏水、塌坑、流土而最终溃决。
[涵闸渗漏] 是指水体通过涵闸破损断裂部位或因周边止水失效,或因闸身不均匀沉陷导致闸体变形并在其周边接触处发生的水体流失现象。
如:我市导流西大堤埭溪老翻水站一侧就有一闲置不用的5m大闸,因基础沉陷、闸身变形,造成闸身周边漏水,93年洪水期间,该闸的漏水量高达2.0m3/s。
至于水库涵闸漏水的情况更是屡见不鲜,如:1996年春,我市最早兴建的一座西羊山水库,就因大坝不均匀沉降造成分级卧管断裂和底孔闸门严重漏水;安吉县大河口水库1998年则因高水位时涵洞高压水流洞穿顶部上缘一处废弃的放水涵管的封口闸板,造成出水段背水坡一侧大面积渗流,其渗流最高达50L/S。
[接触渗漏] 主要是水体沿坝体与山体结合部或风化岩层处向下游地区渗流的现象,最典型的为位于长兴煤矿的东风 水库,该水库右坝头与山体结合部位为强风化带,由于建库时未做防渗处理而且岩层又倾向下游,从而形成集中渗漏,91年洪水期间,其渗流最高达10~12L/S。
市区的盛坞、革命等水库也有类似情况。
[溢洪道渗漏] 如加以归类也可列入接触渗漏,最常见的有三种。
一是水库大坝加高时,对原遗留的临时溢洪道部位未作妥善处理,结果在结合层面上发生渗水,如80年代初市区乔溪乡红旗水库的左坝头发生的渗水就属于这种类型;二是溢洪道位于土基或风化岩基上而基础又未作很好处理,结果在高水位时造成库水沿溢洪道基部向下游渗流,如:安吉县椅子塔、杨树坞,长兴县顾渚、牛角冲水库、市区石桥坞、三涧头等十多座小(二)型水库和山塘就属于这种情况;三是对溢洪道与坝体导水墙和底板结合部,未作有效的防渗处理,导致高水位泄洪时,水流向坝体一侧渗流,如:市区妙西乡霞幕山水库的渗漏就是由上述二、三种原因合并产生的。
2、渗漏成因分析造成土质水库堤坝渗漏的原因错综复杂[2],但概括起来,无非有以下几种原因:2.1 设计上的缺陷五、六十年代群众性水利运动时,我国和各省市曾成功地修建了一大批水利工程,其丰功伟绩也是有目共睹的,但囿于当时的技术和认识水平,加上片面地追求高速度和“土法上马”,许多小型水利工程采取“边勘测、边设计、边施工”的方法,致使许多工程缺乏规范的图纸,即仓促上马;在设计思想上则片面追求“多快好省”,并盲目照搬苏联经验,大量采用了坝下涵管、经济管径和经济边坡而未认真考虑放水、检修、泄洪和电站扩容等需求,致使溢洪道和放水涵管尺寸偏小,坝身过于单薄或坝坡偏陡,部分水库防渗体断面偏小;少数小(二)型水库甚至未在坝后设置反滤措施,从而导致出逸点偏高和大面积散浸及漏水。
2.2 施工上的缺陷主要是五六十年年代开展的群众性水利运动中,缺少必要的质量监测和控制手段,致使辗压强度不够;或填筑土料多杂质并有较大土块(猪肝土等)未予充分粉碎夯实;或每层填筑厚度过大(≧40cm),分段施工接头处又未能作有效搭接;另一种常见的通病是大坝经多次加高时,新老土结合部往往未作有效处理,从而出现结合层面上的分层现象并导致水平向渗水;三是大坝加高时,防渗体(心墙、斜墙等)与坝体和两侧山坡结合部未筑嵌槽或作妥善处理;四是溢洪道与坝体、山体的连接部分以及导水墙等,未作有效的防渗或截渗处理;坝后排水反滤体质量差或失效,从而造成浸润线和出逸点抬高,渗水从坡面上逸出。
如:安吉县天子岗水库、长兴县宿子岭水库(中型)的渗漏就是这种情况;五是坝下涵管未设截水环或设置过少,加上基础软硬不一,导致涵管变形折断和漏水等。
2.3 地质上的缺陷由于受经费和开工期限制约,绝大部分小(二)型水库及重要山塘在营建前均未作地质勘探,部分水库由于建于溶岩或复盖层很深的地区,施工时又未很好开挖或无法挖到新鲜基岩;发现问题后也未修筑防渗铺盖或实施帷幕灌浆,最后导致坝基渗漏和坝后沼泽化,如:安吉县姚坞水库、市区陆家庄水库就是这种情况。
还有些水库堤防为了减少填筑方量和节约投资,常将严重风化或节理发育破碎的部分山包、岗垅未作处理或略作处理后,即作为坝体的一部分,从而造成坝体渗漏,如:湖州市梅峰乡的三八水库,其主副坝和连接的山包在水库满蓄或库区下大雨、暴雨时,其山体坡脚处就有二、三处集中的渗水漏洞,渗流量可达5~6L/s。
2.4 材料上的缺陷在五六十年代兴建水库时,由于“三材”十分匮乏,为赶进度部分圬工建筑物被迫采用地产“土水泥”和石灰作胶结材料,如丽水地区缙云县在文革前后大搞冬修水利运动时,就曾“土法上马”采用陶、木、素混凝土或用凝灰岩凿成外方内圆的涵管作为放水建筑物,由于这些涵管强度低,抗腐蚀能力差,结果留下了漏水和剥蚀的隐患;部分水库由于缺乏优质土料,甚至采用含水量及腐植质极多的水稻土、淤泥质粘土、腐质土或砂壤土作为坝体填筑材料,从而造成坝体不均匀沉陷和漏水,如:市区南埠乡陆家庄水库坝体坝基漏水十分严重,81、82年进行套井回填处理时发现:用冲抓抓取的土样中有不少为黑色发臭并带有稻根的水稻土,干容重r≤1.2g/m3。
2.5 运行管理上的缺陷实行联产承包责任制后,不少小(二)型水库和山塘长期处于无人管理的状态,致使启闭设施、涵闸、拉杆严重失修和锈蚀,如:市区青山乡的六十亩、梅峰乡的三八、五四等水库即是如此,结果在汛期或干旱季节无法正常启闭,从而造成无益弃水或大量漏水。
2.6 蚁害、兽害早在2300多年前,韩非子就提出了“千里金堤,溃于蚁穴”的著名论断。
1998年长江洪水,荆江大堤,以及“99630”洪水杭州、德清的西险大塘均曾发生数十处漏水、跌窝等险情后,经查明其绝大多数均为黑翅土栖白蚁危害所致。
根据我市1975年5至6月对全市96座水库山塘普查的结果,有白蚁的达78座,蚁害率高达81.25%。
历史上我市对河口、老石坎、天子岗、石冲、五丰等一批大中型水库均曾发生过严重的白蚁危害。
如安吉县良朋乡的石冲水库在八十年代即发现白蚁危害,后采取局部毒土灌浆和毒饵杀灭后仍未奏效,1996年4月防汛检查时,发现水库大坝有十多处被白蚁洞穿,并在中端一处老山包上挖出一直径2×1.2×1m的特大型蚁巢;又如:市区南埠乡95年一座新建的福坞水库,在开挖齿槽两侧时,就在开挖的上缘部分发现2个直径为0.5×0.5×0.5m的黑翅土栖白蚁的大型蚁巢,由于土栖白蚁具有广布性、隐蔽性、渐进性和再生性,从其入侵、滋生、繁衍、扩展并产生危害一般需8-9年,因而常常会被人们忽视,如果不及时加以杀灭、挖除或采取灌浆充填和毒土处理,就有可能在持续高水位时发生漏水、跌窝和溃决。
3、紧急状态时的主要对策“上堵(截)下排”,是水库堤防防渗抢险时必须遵循的一个基本原则,即在迎水面迅速查明漏水部位,并及时截断漏水来源,同时在背水坡渗漏部位,采用反滤导渗和压渗,以防止流土和险情进一步扩大[3]。
切忌在背水坡渗水处用不透水材料进行强堵,以免酿成更大的险情。
一切抢险方案和预案均需按照这个原则进行制定。
根据我市“83、84、91、92”和“99.6.30”洪水期间一批水库堤防的抢险实践经验表明,如遇险情,必须迅速抽调1至数名富有实践经验,有一定权威和能相互协调的技术人员以及一名头脑冷静并能果断决策的领导到现场指挥,在查明原因并制定切实可行的抢险方案后,为防止险情扩大,必须立即调集劳力、抢险物资,统一指挥抢险,切忌群龙无首,众说纷纭和犹豫不决,以免贻误战机。
根据多次实战经验来看,堤防抢险堵漏的主要手段是:“临水截渗,稳定坝坡”。