新西河水庫土壩下游管湧成因及其處理
摘要：通過對新西河水庫土壩下游發生的多次管湧原因的分析，提出了乙個導、減、排相結合的處理方法，工程取得了令人滿意的效果，並大大節省工程投資，為類似工程提供了借鑑。
關健詞：土壩管湧；剩餘揚壓力；處理措施；導滲；排滲減壓井
1 工程概況
揭東縣新西河水庫位於榕江北河二級支流龍車溪中游，距揭陽市榕城區北偏西15公里，當時為解決下游7.27萬畝農田的灌溉用水和滿足壩址上游河床採錫礦需斷流而興建。水庫集雨面積為91平方公里（含上游九重坑、蠻頭山兩水庫集雨面積14.
24平方公里），壩址以上幹流河長 15 公里，河床平均比降3‰，現水庫是一宗以農田灌溉為主，結合防洪、發電、供水等效益的中型工程。水庫正常蓄水位41.00m(珠基，下同)，相應庫容4459萬m3，100年一遇設計洪水位44.
79m，相應庫容4920萬m3，2023年一遇校核洪水位47.73m，相應庫容5892萬m3。工程於2023年12月動工興建， 1958 年1月竣工時壩頂高程為42.
00m，2023年對主壩加高培厚後，現壩頂高程為49.00m，最大壩高37m，壩頂長度450m，壩頂寬5.0m。
新西河水庫附近為低丘地帶，土質均屬花崗岩風化土，偶有大塊花崗石露頭。築壩土料均為礫質或含少量礫的壤土類，用碾壓式施工。在填築土壩時，在壩前坡腳設定水平粘土鋪蓋長80m，厚1.
0~1.5m，並在壩前坡腳設定灌漿帷幕一道，帷幕厚度約6m，平均深度9.0m。
壩體原排水裝置採用墊褥式反濾層，平鋪伸入壩內30m，稜柱體高度2.0m，加壩時採用排水暗溝型式，將原來反濾層排水匯出壩外，壩址外仍做反濾裝置，稜柱體高度2.0m。
2 土壩下游管湧及其成因分析
2.1 土壩歷次管湧介紹
新西河水庫自2023年2月開始蓄水以來，土壩壩坡穩定，但下游壩腳舊河床處卻多次發生管湧，現將先後發生的六次管湧險情(位置詳見圖1：大壩平面布置圖)及處理情況介紹如下表：
土壩下游壩腳舊河床處六次管湧險情及其處理情況表
由上表可見，發生管湧時的庫水位只有33.15m至42.70m，比水庫校核洪水位47.
73m尚低14.58～5.03m，出險後雖經多次填築壩下游鎮壓台及庫內拋土，但仍不能徹底解決問題，必須進一步做好壩下游的除險加固工程。
2.2 土壩下游管湧原因分析
為了對管湧原因進行**及採取有效地、徹底地治理措施，2023年由市原水電工程公司對土壩進行詳細的工程地質勘探；由多個鑽孔控制得知，大壩壩基河床有一寬約160m作ne-sw方向展布的原新西河(龍車溪)河床沖積層，沖積層從上到下分兩層：上層為中、粗砂、細礫、砂礫和含卵石、漂石的礫石層，邊部常見含有部分粘土類，上部因採錫礦的原因，部分被挖掘而覆以雜土，堆積鬆散。大致於標高0.
36~13.72m之間產出，厚3.65~11.
10m，中間厚，兩側薄。7個砂土樣測試結果：γ=1.
72~1.97×103kg/m3，飽和度sr＝15.20~66%，孔隙比e＝0.
51~0.59，不均勻係數cu＝2.36~19.
77。即該土層為鬆散、稍溼至很濕、密實、均勻至不均勻的砂土類。滲透係數k值室內測定最大為1.
89×10－1 cm/s，最小為5.90×10－4 cm/s。對鑽孔的注壓水試驗結果k＝1.
30×10－2~3.40×10－2 cm/s。可見，滲透係數較大，已達產生管湧的水文地質條件。
而且，歷年來發生管湧的位置和本次用鑽探推定的舊河床中心部位一致，加上已知壩身及兩肩滲漏很小(滲透係數k約為1.50~6.48×10－5 cm/s)，其它位置也未發現有較大的滲漏通道或現象。
因此可判定本層為水庫多次發生管湧的主要通道。沖積層下層為粘土、砂質粘土，層厚0.16~5.
40m，密實，乾燥後甚堅硬，n63.5＝18擊(zk7)，屬透水性能極差的中~低壓縮性土類。
根據有關資料，結合工程實際地質情況分析，水庫下游壩腳多次發生管湧的主要原因是壩基存在厚度較大的鬆散河床堆積層，而建壩時沒有清基做隔水牆，只採用帷幕灌漿，但效果不佳，孔隙未能全部堵塞；且因壩前、後均為開礦後留下的礦湖(上游礦湖距離壩腳150m，下游礦湖距離壩腳70m，均比壩腳深約10m)，而壩前鋪蓋層長80m只做到礦湖邊緣，導致滲流從壩前礦湖經壩基透水層直出壩後反濾體外，而引起管湧。管湧的產生是因為有剩餘壓力存在。對剩餘壓力的**作如下分析：
⑴ 根據實測資料，在庫水位34.27m時測得的三條壩內浸潤線(見圖2：壩內水位對比圖)，因有反濾排水裝置的存在，這三條浸潤線的尾部都已降下來，它們已不能對壩下游造成大的剩餘壓力；而按相同庫水位和當時（測量這三條浸潤線的2023年）壩下排水裝置位置計算的壩底壓坡線，則高於壩下鎮壓臺。
所以剩餘壓力不是來自壩體浸潤線，而是來自壩底的壓力水頭。
⑵ 本土壩壩底跨壓新老河槽，而屢屢發生管湧的位置均在於老河槽及其邊緣；新河槽範圍的左壩段（東壩段）則從未發生管湧，相接在一起的東、西壩段有明顯的差別。**於老河槽底部有深厚的強透水層，而新河槽底部只有很薄的砂卵石層。因此可以認為：
右壩段（西壩段）壩下的管湧與壩底河槽地層構造有著密切關係。
⑶ 老河槽有著深厚的強透水層在建庫之初已經探明，也作了上游鋪蓋、帷幕等防滲設施和壩底大面積的墊褥式導滲裝置，為何還有導致管湧的剩餘壓力呢？這與壩底滲流的出逸位置有著密切的關係。
據地質資料，老河槽底部強透水層中間存在著一層相對不透水的粉質粘土（或重壤土）層，可能由於這一粉質粘土層的存在，限制著地基滲流流向壩底墊褥式導滲裝置，而順著邊界限制繼續流至出逸點，出逸點離壩腳越遠，壩腳的剩餘壓力越大。那麼，第一次管湧的出逸點在那裡呢？據當時搶險經驗介紹：
「2023年4月3日發現下游的礦湖塌岸，長達19m，寬6m，說明壩（庫）內滲流通至下游礦湖」。這一直觀推測，正與強透水層中存在限制滲流的粉質粘土層的情況吻合。因為當時地質鑽探範圍只在壩底範圍進行，沒有在壩下補孔進一步查清；但從水庫剛蓄水，水位較低（2023年4月3日庫水位26.
55m）時礦湖先塌岸，庫水位公升高後壩腳管湧的情況判斷，粉質粘土層還延續至下游礦湖。它限制著滲流流向上面而承受水壓。礦湖深約10m（據記載），作為滲流的出逸點是有條件的。
⑷ 下游礦湖距壩腳70m，水面高程約1.2m；若取此為老河槽強透水層滲流的出逸點，以地下滲流壓坡線為直線變化，則可計得第一次管湧處的水位壓力高程為16.5m，比原河床面高4.
5m，與搶險時壓蓋的砂石厚度基本相符。照此類推，第二次管湧處的水位壓力高程為13.1m，比河床面高1.
1m，因此管湧勢頭比第一次大為減弱。
⑸ 第二平台完成後情況發生變化：第二平台末的排水溝位置距老壩腳更遠，排水溝溝底高程增至13.5m，此兩因素都起到增大壩腳地下水壓力的作用，對工程不利。
2023年第五次管湧後整理鎮壓臺，把排水溝再往下游移，排水溝出口的量水堰堰頂高程13.9m，對比原來河床高1.9m，使壩腳地下水高程進一步公升高，這對壩腳減壓起到相反的作用；加上排水裝置做得不好，使情況進一步惡化。
所以本次地質鑽探發現壩下鎮壓臺各鑽孔內的水位普遍很高，如zk09號孔，在庫水位34.5m時，測得孔內水位17.85m；（按第一次管湧推算，此點的地下水壓力高只為13.
60m），zk4（加）孔在庫水位36.55m時，測得孔內水位18.00m（按第一次管湧推算，此點的地下水壓力高只為14.
57m），在這樣低的庫水位，壩下地下水位就這麼高（比原河床高了5.85～6.0m）。
由此可見，若現在再接長鎮壓臺，再將滲流出逸點往下游推移，則勢必再增大壩腳地下水位，於工程安全不利，並加劇了對左壩段的影響。
3 土壩下游壩腳管湧處理方案的確定
針對上述土壩壩腳發生的多次管湧原因的分析，提出了治本的方法是堵截，即對大壩右壩段下方斷面為160×(3.65~11.0)m的鬆散砂礫層沿壩軸線進行水泥灌漿，以期在砂礫層中形成一定厚度的隔水混凝土幕牆，防止或減弱庫水的滲漏。
治標的方法是用導滲，即在壩後鎮壓台處修築乙個或一組減壓井，以期降低庫水的滲透壓力，防止再次發生管湧。最後，根據廣東省水電廳粵水電基字［1990］56號文「關於揭陽縣新西河水庫安全加固工程擴初設計的批覆」，從經濟和技術的角度考慮，決定先採用治標的方法即排滲減壓的方案。具體做法如下：
a) 在發生管湧的右壩段部分，距下游壩腳15m處，沿壩軸線方向做淺溝反濾排水工程，反濾排水溝底高程16.00m，斷面尺寸依據滲流計算成果及以可以進人檢查、維修決定，其淨寬取0.70m，高1.
50m，溝底布設塊石、碎石、河砂構成排水導滲體。為了提高排滲效果，並減少地層滲流對下游耕地的影響，沿排水溝方向每隔10m左右設一內徑1.0m的導滲井，井深以達強透水層為控制，約2.
0m深。在排水溝出口處設量水堰，觀測排水情況。
b）為安全計，從排滲減壓溝頂的上游側至土壩20.0m高程之間，作順坡安全壓重，同時由於此排水溝的水面高程為16.50m，而現有鎮壓臺後面原排水溝水面為14.
0m，兩溝之間還存在地下水力坡降，如以此水力坡降順延至下游田麵，則壓坡線還低於田麵高程，根據《土石壩加固》的建議，壓坡線以上要有1.5~2.0m的壓重。
為此，在鎮壓臺下游設一壓重段，高1.50m，長35.0m，寬度以岸為界。
採取上述工程措施後，壩腳附近的地下水位降低了，達到了消除隱患的目的。這樣便不會導致連在一起的左壩段的浸潤線公升高，對土壩整體的穩定作用也是十分明顯的。
4 施工過程應注意的問題
a）由於導滲井井管深入強透水層，可能會給地下滲水創造集中滲流的條件而惹致麻煩，故施工過程應加強觀測；
b）反濾排水溝溝底反濾料的級配及其分層一定要按設計的要求嚴格控制，以防止級配不良或分層不清而產生滲透破壞；
c) 反濾層不應被堵塞，特別應防止施工運料時和雨水沖刷的泥土堵塞反濾層；
d) 反濾層的材料符合設計要求，不能用風化的和不清潔的砂石料。
e）減壓井回填反濾料後應立即進行衝井和洗井，目的是破碎泥皮，洗出反濾料中的泥沙，促進含水層中的較細顆粒進入井內排出，使較粗顆粒排列在反濾料的周圍，形成反濾，防止或延緩使用過程中淤堵。然後進行抽水試驗，量測流量和出砂量，檢驗井的效果。
5 工程效果及結論
新西河水庫除險加固工程2023年11月完工，2023年4月經過竣工驗收。該工程完工至今已近10年，經受了2023年6號颱風，庫水位44.50m(接近設計水位44.
79m)的考驗，原發生管湧的位置未有異常情況發生，說明該工程採用的處理方案是合理可行的。
新西河水庫土壩管湧處理主要有以下幾個特點：a）找準了引起管湧的成因，抓住了處理的主要矛盾，採取導、減、排相結合的工程技術措施，有效的減少了壩腳地下水壓高程以達到消除導致壩腳發生管湧的能力。b）工程只在鎮壓臺表層施築，工程量小，施工難度小，從而大大節省了工程的投資。
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