挪威埃普特瓦腾坝多年运行后的塌坑现象分析及处理

[挪威]　E.奥德马克 等

挪威埃普特瓦腾坝多年运行后的塌坑现象分析及处理

[挪威]E.奥德马克 等

摘要：挪威埃普特瓦腾坝于1971年建成运行，该坝为一座堆石坝。其主体结构采用爆破堆石料填筑，反滤层采用砂砾石，防渗体心墙采用冰碛料填筑。大坝自建成投运以来一直运行良好，直到2014年3月，对其实施的远程监测结果显示，坝体出现明显渗漏，且有增加的趋势。实地检查发现，大坝上游面坝顶附近已出现了塌坑。介绍了大坝的现状以及针对大坝出现的问题所采取的应对措施。

关键词：反滤层砂砾石；防渗体心墙；坝体渗漏；大坝监测；塌坑；埃普特瓦腾坝；挪威

1挪威大坝概况

挪威大部分的大坝均建成于1955～1985年期间。自1959年至1975年，每年大约有10座大坝建成完工。在20世纪50年代中期以前，混凝土坝在挪威大坝中占据主流，此后土石坝逐渐增多。从1970年至1995年，已建成的大坝中85%为土石坝，其中绝大部分为堆石坝。建成于1986年的奥达特捷恩(Oddatjørn)坝，坝高为142 m，是挪威最高的大坝之一。

目前，挪威有179座土石坝，其中166座为堆石坝。在这些堆石坝中，有124座采用了冰碛料防渗体心墙；有25座土石坝运用了混凝土面板，有9座采用的是混凝土防渗体心墙；仅有13座坝为土坝。直到1980年，大部分堆石坝才开始采用冰碛料作为其心墙防渗体材料。1980年以后，大约有18座新建的堆石坝采用了沥青防渗体心墙，这其中又有10座采用沥青混凝土防渗体心墙。

此后，挪威修建的越来越多的堆石坝开始采用沥青混凝土防渗体心墙，到目前为止，这些大坝都运行良好。在通常情况下，即便冰碛料在当地可以获取，但是，采用沥青混凝土心墙的大坝经济性比较好。目前，世界上最高的沥青混凝土心墙坝是挪威的斯图克劳姆瓦汀(Storglomvatn)坝，该坝坝高为125 m。世界上最大的沥青混凝土心墙坝则是挪威的斯图瓦滕(Storvatn)坝，坝高为90 m，坝体设计总体积达950万m3。

在挪威现有的124座冰碛料防渗体心墙堆石坝中，有7座已经出现了内部侵蚀现象，这些坝均建成于20世纪60年代末和70年代初。在那个时期，工程师对于坝型的可靠性过于自信，不断优化设计以便达到降低成本的目的。其优化设计措施主要包括：在大坝临水坡处设置反滤层、减小反滤层和心墙的厚度、缩减工期从而缩短初次蓄水前的初始沉降期等。在20世纪70年代中期以后，工程师们才逐渐认识到反滤层及心墙必须达到足够的厚度且反滤层级配良好的重要性。一般而言，反滤层的设计必需遵循相应的标准，见表1。

表1　反滤层设计标准

2埃普特瓦腾坝

埃普特瓦腾(Eptevatn)坝位于挪威南部阿格德尔(Agder)郡。大坝业主是挪威再生能源生产商阿格德尔公司。埃普特瓦腾坝最大坝高约为30 m，坝体剖面图示于图1。大坝的防渗体心墙采用的是冰碛料，反滤层为砂砾石料，其最大粒径为250 mm，过渡层采用的是卵石或者是质地相对较细的爆破块石料，坝主体结构为爆破堆石料。筑坝材料基本符合当时堆石坝的建造标准。

图1　埃普特瓦腾坝断面示意

埃普特瓦腾坝于1970年开工建设，当年主要是对大坝的基础部分进行施工；1971年，大坝主体结构建成。

大坝于1971年蓄水后运行状态良好，直到2014年，远程监测显示：坝体渗漏程度明显加重。通过实地检查，结果发现，在大坝上游面靠近坝顶处出现了塌坑，见图1。

3粒径分布

埃普特瓦腾坝的防渗体心墙所用的填筑料、反滤层料以及过渡层料的粒径分布如图2所示。从图2中可以看到，在心墙填筑料(区域1)的颗粒级配中，粒径小于0.074 mm的筛分体积为30%～38%，dmax<19 mm，0.02 mm≤d15≤0.01 mm。反滤层料D15为0.3～0.9 mm。

图2　冰碛石、反滤层料和过渡层料的粒径级配

从1970年起，在正常情况下，根据规范要求，反滤体基材的D15应为d15的5～45倍，且D50不能超过d50的25倍。从图3可以看出，埃普特瓦腾坝的反滤层用料的颗粒粒径要大于20世纪70年代早期的常规大坝设计值。

根据挪威水资源和能源局(NVE)于2012年颁布的土石坝设计准则，类似埃普特瓦腾坝不透水材料反滤层的D15最大值为0.7 mm，反滤层的D90最大值不得超过20 mm。

从大坝施工期间所提取的33个颗粒样本粒径分布图(见图2)来看，反滤层所用材料的大部分粒径均大于20 mm，其中，石料的最大粒径达250 mm。如此大的粒径会引起较高的风险，因为反滤层中的材料在施工期间可能会发生分离，从而在大坝下游的过滤区形成粗糙且分散的夹层，致使原设计的反滤层特性受到破坏。

4渗漏与塌坑

埃普特瓦腾坝安装了坝体渗漏监测装置，利用该装置，通过远程传输系统即可将渗漏数据传送至阿格德尔公司的操控中心。

在2014年3月底之前，监测结果显示，坝体渗漏的监测值一直处于正常状态。在正常情况下，雨期和融雪期渗漏量的最大值应该为10～20 L/s；旱季，当水库蓄满时，渗漏量则应小于1 L/s。

2014年3月27日，监测结果显示，大坝的渗漏量显现急剧升高的态势，且最大值达到了70 L/s。大约24 h后，渗漏量又降低为20 L/s。之后，直到5月5日在对大坝实施实地检查时，一直保持着该渗漏量没变。

随着大坝渗漏量急剧增大之后，水库的蓄水位也快速下降了6～7 m。

综上所述，有理由相信，大坝渗漏量的增大是由于防渗体心墙出现了管涌。根据推断，由于在施工期间反滤层所用的粗骨料发生了离析，因而导致防渗体心墙中的细粒料通过坝体内相对扩开的通道被冲到了下游的反滤层中。

防渗体心墙部位出现的管涌最早可能是发生在大坝的下游侧，随着细骨料被冲走，防渗体心墙的水力梯度开始出现增大，管涌通道则开始向上游侧扩大，最终在心墙上形成了孔洞。随着防渗体心墙中的细骨料被冲走，孔洞上方其他一些骨料落下来，这又进一步造成更多的细骨料被冲走。同时，由于粗骨料粒径过大，无法通过下游反滤层，因此只能沉积在孔洞的底部。随着孔洞顶部的骨料不断落下以及细骨料不断流失，致使心墙内的孔洞不断地向上扩展，最终形成了一个接近坝顶表面的“烟囱”，导使坝顶附近出现塌坑。

塌坑深3 m，体积大约为25 m3，这就表明防渗体心墙中大约有25 m3的细骨料被冲走。

5修复工作

根据确定的塌坑位置，在坝体上设置了一系列的灌浆孔，拟通过灌浆来替换流失的细骨料。灌浆浆液由水泥、水和添加剂混合而成。

在钻孔和灌浆施工过程中，主要采用了以下施工设备。

(1) 一辆卡萨格兰第(Casegrande)M6型履带式钻机，可钻掘直径为139.7 mm的钢套管钻孔；

(2) 一台高压空气压缩机，安装在沃尔沃(Volvo)卡车上，气体流量为25 m3/min；

(3) 一台普茨迈斯特(Putzmeister)SP11-Beliso LMR型灌浆泵；

(4) 一辆4轮牵引机，用于水泥和其他建筑材料的内部运输。

整个修复工程共布置了39个孔深为15～30 m的钻孔，总进尺为720.9 m。灌浆施工是采用自下而上分段实施的方式，从钻孔底部开始灌浆，每隔1.5 m即向上移动一次钢套管。

整个灌浆共使用水泥量59 690 kg。为了获得泌水率最小的浆液，每100 kg水泥中掺加了0.7 kg的Dynamon Sx-n外加剂。

目前，水库仍未蓄水至最高水位，因此灌浆的最终效果尚不得而知。

埃普特瓦腾坝的业主决定，在最近2 a内，将对大坝的上下游坝坡用堆石体进行护坡养护工程施工。同时，在此期间，将对大坝状况进行深入的检查和全面的评估，以确定是否需要对大坝的心墙进行维护处理。

(杨家凯赵秋云编译)

收稿日期：2016-01-19

文章编号：1006-0081(2016)04-0028-03

中图法分类号：TV641.4

文献标志码：A