寒区废水池护坡病害机理分析

吴多贤，尚静石，蔡 红，李维朝，于 沭

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司, 贵州 贵阳 550081;2.中国水利水电科学研究院,北京 100038)

工业生产过程中常会产生一些废水，为避免直接排放污染环境，常建设防渗性能良好的废水池进行贮放。在功能上，废水池可用作沉淀池、滤池、暴气池、污泥浓缩池、消化池、蒸发池及其他贮水构筑物[1-3]。废水池的防渗结构一般由里及外有支持层、防渗层和保护层三大部分构成[4-5]，其中保护层主要为护坡等，目的是防止防渗层被自然或人为等外界因素损伤，从而影响其防渗功能。但在寒区，因为冻融、冰推、冰拔和冰凌等不利作用[6]，这些保护层往往易损。孙江岷等[7]对黑龙江省11座水库土石坝护坡结构形式进行了调研，护坡破坏的占调研总数的54.5%，寒区护坡运行过程中，易产生冻害的主要为干砌石护坡、水泥砂浆灌缝的干砌块石护坡、浆砌石护坡，且破坏主要从位于冰盖层以上2.0 m至最低水位之间。

本文主要是通过对某废水池护坡屡修屡坏的调研与计算分析，对其损坏情况进行介绍，并对其破坏机理进行分析，从而有助于认识适用的寒区护坡结构，对该废水池护坡的修复及后续类似地区废水池等护坡结构形式的确定等均具有重要的意义。

1 工程概况

1.1 废水池概况

某废水池位于占地约12 hm2，主要作为事故水池使用，底部铺设两层防渗膜(图1)。坝体采用山皮石堆砌而成，顶部标高为1300.0 m，底部标高为1295.9 m，内外坡比均为1∶1.5。内坡铺设防渗膜，防渗膜上面铺有砂垫层，砂垫层上为浆砌片石护坡，护坡表层抹有厚约1 cm的混凝土面层(图2)。

图1 废水池平面卫星图(2012年5月19日)

图2 护坡阶段初始状态示意图

废水池所在地最低温度为-38.5 ℃，最高为36.1 ℃，年蒸发量为1716.1 mm，最大积雪深度23 cm，积雪压力0.35 kN/m2。最大风速为28.0 m/s，历年平均风速为2.5 m/s，月平均最大风速为4.9 m/s，风压为0.6 kN/m2。

1.2 护坡病害情况

2011年5月，工作人员在日常巡检中发现，废水池水位在2.03 m，护坡局部出现裂缝和坍塌，随后于5月26日开始整体修复，6月13日修复完毕。

2011年5月28日的调研发现，废水池内存水位已达到3.5m，坝体护坡出现裂缝，局部产生坍塌。坍塌部位有土工膜裸露，且部分外露土工膜的焊口开裂(图3)。

图3 2011年5月28日调研照片

2011年10月26日的调研发现，坝坡护坡已修复完毕，坡面上可见清晰的修复痕迹，少量部位依然存在小孔洞(图4)。

图4 2011年10月26日调研照片

2012年4月20日调研发现，护坡出现了大面积的损害，混凝土面层断裂，部分位置有大面积块石砌层错位(图5)。

图5 2012年4月20日调研照片

通过以上调研的时间节点可以看出，两次发现病害的时间均为春季，分别为2011年5月和2012年4月20日。

2 护坡稳定性分析

2.1 计算参数

护坡的坡比为1∶1.5，厚度暂定为一般设计中砌石的厚度，在这次取0.35 m，砌石和砂浆层的容重均参考相对资料设定为23 kN/m3，护坡从破坏水位至坝坡顶部的长度为1.5 m，护坡的界面摩擦系数依据下伏砂垫层的摩擦性定为0.5。

考虑冰推破坏时，必须要利用静冰压力。静冰压力一般参考冰层厚度，然后利用《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL 211—2006)来确定标准值。但因为缺乏当地的冰层厚度，标准值无法确定，因此选定0.4 m和0.8 m两个冰厚值来分别选取相应的静冰压力标准值，并进行计算。

2.2 冰推稳定性

冰推破坏又叫冰盖挤压破坏，是指水温降到0 ℃时，库水结冰，体积膨胀，形成的冰盖会对坝坡产生冰推作用。冰盖也有热胀冷缩性质，在连续升温天气，冰体膨胀，挤压坝坡，产生很大的破坏应力，从而使护坡平移、隆起、破碎等[8]。

参考王永平等[9]计算方法，块石护坡的冰推稳定性F为式(1)：

(1)

式中：f为界面摩擦系数；GH为重力G沿坡面的分量，N；GV为重力G垂直坡面的分量，N；PH为冰推力P沿坡面的分量，N；PV为冰推力P垂直坡面的分量，N。

基于上述计算参数和水平滑面的冰推力稳定分析方法，根据式(1)分别计算出冰盖厚0.4 m和0.8 m时的护坡安全系数分别为0.5和0.4。需指出的是，该计算方法计算的是冰盖层以上护坡的稳定性，并且假设冰盖层以上护坡的抗拉强度为0，抗冰推力主要来自重力和摩擦力，这导致计算结果会略偏保守。

可以看出，基于经验和类比选取的计算参数，计算出冰推条件下护坡会产生破坏。受多方面因素的影响，可能砂浆层与砌石之间的摩擦系数为整个断面上的最小值，所以冰推仅导致砌石表面砂浆层的隆起，而没有发现砌石的隆起。

2.3 抗滑稳定性

护坡抗滑稳定安全系数FS的计算式(2)为：

(2)

基于上述计算参数和式(2)所示的抗滑稳定分析方法，计算出的下滑安全系数为0.8。需指出的是，本计算方法计算的仅是水位以上护坡的下滑稳定性，而且没有考虑护坡完整条件下，各部位护坡之间的支撑力。所以本计算方法仅考虑的是水位变幅区处砌石脱离后，其上方砌石护坡的稳定性。

通过此计算结果可以看出，当水位变幅区砌石因冰拔或浪淘而脱离后，其上方砌石护坡处于悬空状态，并且安全系数小于1，从而导致上方砌石护坡产生滑塌。

3 护坡病害机理分析

针对工程现状，本病害机理分析主要是从病害出现时间、类型、相应时间的温度变化及其他工程护坡的破坏现象来进行对比分析。

3.1 病害发生事件分析

图6为2011年冬季前后同一部位护坡状态的对比，图6(a)摄于2011年10月底，图6(b)摄于2012年4月底，结合前面废水池病害发展的概述及此两次调研的现象可以看出：2011年10月份的最低温度已达到-12 ℃，但最高温度为21 ℃，此时废水池内水未曾结冰，护坡修复痕迹清楚可见，但未发现显著的护坡破损现象；2012年4月份的最低温度为-4 ℃，但最高温度为24 ℃，此时废水池内冰已全部融化，未见冰块，但护坡已发生大面积的破损情况。

两次调研时的最高最低温度相差不多，但护坡的状态发生了显著的变化，这是因为两次调研之间夹杂着整个冬季，温度呈明显的“V”字型发展，期间最低温度为-35°(图7所示)。由此推测该废水池护坡病害的主因是冰冻。在温度较低的条件下，库水结冰，从而对护坡产生破坏。

图7 废水池所在地2011-10—2012-04温度走势图

3.2 病害现象

通过对不同时间调研结果的对比及对护坡破损现象的整理分析，可以发现以下几种破坏现象：

(1)破损位置发生变化，由近水位区扩展至整个坡面。从图6(a)中的砂浆层修复痕迹可以看出，修复的主要为水位变幅影响区，这表明在修复前的破坏位置主要集中于水位变幅区。而图6(b)整个坡面均损害，而不再仅仅局限于水位变幅区。

(2)护坡砌石滑塌破坏。多处发生大面积的护坡砌石滑塌现(如图8所示)，滑塌区顶部具有明显的宽10多厘米的裂缝，区内砌石有明显的顺坡向下滑移，且呈散乱堆积现象，砂浆层碎裂(见图9)。滑塌区未影响坝体顶部，顶部滑塌拉裂缝距离坝体顶部约有30 cm(见图9)。

图8 护坡滑塌位置图(2012年4月)

图9 砌石护坡滑塌破坏(2012年4月)

(3)北侧及东北角砂浆层隆起。在距离坝体顶部约30 cm处的砂浆层产生隆起，且隆起部位主要集中于废水池的北侧及东北角(如图10所示)。现场观察发现，隆起的砂浆层与下伏的砌石脱离，且手折可断。

图10 护坡砂浆层隆起破坏(2012年4月)

(4)水位变幅区砂浆层脱落。在水位变幅区发现砂浆层脱落，砌石裸露(图11)。裸露的砌石似未见水泥摸缝，因当时安全措施不具备，未能下至砂浆层脱落处仔细观察砌石的状态。

图11 水位变幅区砂浆层脱落(2012年4月)

3.3 病害机理分析

结合前人对冻胀及冰压力下护坡的破坏机理及本废水池中发现的护坡病害现象，分析认为不同病害现象代表了相应的破坏机理及发展阶段，经整合可得本废水池病害的机理及发展流程。

图12 砂浆层破坏示意图

(1)水位变幅区砂浆层脱落，变幅区上方面板隆起。

在水库结冰后，受冰拔作用(即冰盖的弯距作用)，水位变幅区的砂浆层因厚度较小、抗弯强度低而被折断，从而导致脱落(如图11和图12所示)；受冰推作用，变幅区上方护坡表面的砂浆层因与砌石之间粘和程度低、摩擦系数小而产生沿护坡面的向上剪切位移，从而导致隆起(如图10和图12所示)。

(2)变幅区砌石和砂垫层因冰拔或浪淘作用而被淘空或移位。

该现象并未在本废水池的病害中发现，但依据变幅区的砂浆层脱落和砌石的滑塌现象，以及相近工程的借鉴，可以推测在病害的发展过程中存在此阶段。因为如果变幅区的砌石没被淘空或移位，其上方的砌石不会存在较大的向下变形的空间，所以也就不会产生滑塌变形。

水位变幅区的面板脱落后，干砌石和沙失去了保护层。冰拔作用易使该部位的干砌石脱落或移位，而浪淘作用易使垫层中的沙流失，从而将变幅区的砌石淘出或移位(图13)。但究竟该部位干砌石是因何种原因而离位或移位，因没有直接的观测资料，难以明确。但不外乎此两种作用。

图13 变幅区砌石掏空示意图

(3)摩阻力降低，水位变幅区上方的干砌石产生滑塌。

水位变幅区的干砌石脱落或移位后，其上方的砌石失去了下部的支撑，阻滑力降低，垫层沙的流失可能会进一步加剧阻滑力的降低，当阻滑力不足以抵抗上方砌石的滑动力时，上方砌石沿坡面产生向下的滑动(见图9和图14)。

图14 砌石滑塌破坏示意图

3.4 病害对防渗的影响

依据该废水池坝坡的防渗结构，防渗主要是依靠砂垫层下方的土工膜，砂垫层、砌石和砂浆层则主要起保护作用。

依据图12～图14所示的病害发展演化过程与机理，可以看出病害主要发生在保护层，在病害发展阶段中，只有砌石的滑塌破坏阶段有可能会对土工膜产生影响。如果砌石产生滑塌时，砌石与土工膜之间依据存在足够的砂垫层，那么该滑塌不会对土工膜产生影响；如果部分砂垫层已流失，那么砌石会有可能直接与土工膜产生接触并相对滑动，这时砌石锋利的边缘会有可能割坏或刺穿土工膜。

4 结 论

本文在对一寒区废水池护坡病害情况多年追踪的基础上，结合护坡结构和寒区池水冰的作用力分析，对该废水池护坡屡修屡坏的机理进行了分析，从而为其修复奠定基础。

该护坡的破坏机理主要分三个阶段，首先冰拔和冰推作用导致水位变幅区砂浆层脱落，变幅区上方面板隆起；其次变幅区砌石和砂垫层因冰拔或浪淘作用而被淘空或移位；最后界面摩阻力降低，水位变幅区上方的干砌石产生滑塌。

在常规的修复中，只是将破坏区原样修复，没能从机理上阻隔，从而出现了屡修屡坏的现象，从且护坡滑动过程中，边缘锋利的砌石还容易对防渗层的土工膜造成损伤。