張興鋒 張 成
(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院 甘肅張掖 734000)
小海子水庫(kù)位于河西走廊的張掖市高臺(tái)縣南華鎮(zhèn)小海子村南,距縣城約15km,是一座注入式中型平原洼地水庫(kù),水庫(kù)通過(guò)引黑河水調(diào)蓄。水庫(kù)分隔為上中下三庫(kù)。中壩始建于1958年,長(zhǎng)5.5km,形成了目前的中庫(kù);1987年在中庫(kù)上游興建了目前的上庫(kù);2002年在水庫(kù)除險(xiǎn)加固過(guò)程中,新建了4.836km長(zhǎng)的下壩,形成了下庫(kù)。
新建的下壩壩型為均質(zhì)土壩,壩頂高程1370.5m,壩頂寬5.0m,最大壩高8.67m。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容1048.1萬(wàn)m3,正常蓄水位1368.1m。
水庫(kù)潰口位于新建成的下壩中間部位,樁號(hào)2+681.0~2+722.5m 處;決口處壩高約8.1m,潰口寬度約41.5m,決口時(shí)最大流量約90m3/s;壩基上部為厚度3m左右的磚紅色或土黃色粉質(zhì)粘土層,下部為粉細(xì)砂層。
潰壩發(fā)生后,圍繞查明潰壩原因和決口修復(fù)及完善工程初步設(shè)計(jì),進(jìn)行了大量細(xì)致的地質(zhì)勘探、測(cè)繪、取樣試驗(yàn)和分析研究等工作,尤其是對(duì)潰口及周邊區(qū)域的雙層或三層地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和研究。完成實(shí)物工作量主要為:①鉆孔15個(gè),探坑20個(gè),探槽2個(gè)長(zhǎng)180m;②地質(zhì)縱橫剖面測(cè)繪18條計(jì)5.6km;③取樣試驗(yàn)共65組;④物探勘查剖面7條計(jì)16.9km。
小海子水庫(kù)地處祁連山前沖洪積傾斜平原前緣與細(xì)土平原的過(guò)渡帶上,地形平緩,地勢(shì)開闊。地層巖性在地表為第四系全新統(tǒng)湖沼相堆積或風(fēng)積層——部分為灰褐色粉細(xì)砂、部分為土黃色淤積質(zhì)砂壤土,一般厚度0.5~2.5m;下部為第四系全新統(tǒng)沖洪積層,總厚度22.5~24.5m,其中在中、下庫(kù)西部及西北部分為上下兩層即上層為磚紅色或土黃色粉質(zhì)粘土或粘土,厚度4.1~2.2m (西厚東?。幌聦訛榛尹S色或青灰色粉細(xì)砂、細(xì)砂及中粗砂的韻律結(jié)構(gòu)沉積,厚度約20~22m。在中下庫(kù)東部地層逐漸演變?yōu)檎惩翆优c砂層的互層結(jié)構(gòu),單層厚0.8~1.2m。深部25m以下則為第四系中上更新統(tǒng)巨厚層的砂卵礫石層。
水庫(kù)所處地質(zhì)地貌單元決定了地下水的賦存形式為平原松散巖類孔隙水,地下水總的流向自東南向西北,依地下水的埋藏條件可分為潛水和承壓水兩類:潛水帶為表層第四系全新統(tǒng)湖沼相堆積的粉細(xì)砂或淤積質(zhì)砂壤土,潛水位埋深0~1.5m不等,主要補(bǔ)給來(lái)源為水庫(kù)蓄水、三清渠引水及周邊耕地灌溉;承壓水有多個(gè)含水層,上層第一個(gè)承壓含水層頂板即為埋深0.5~2.5m厚度4.1~2.2m 的磚紅色或土黃色粉質(zhì)粘土或粘土層,含水層即為下部的砂層,承壓水頭高于隔水頂板0.5~1.0m,水質(zhì)較差。該層承壓水是近幾年由于區(qū)域地下水位普遍上升而形成的。
不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為各級(jí)排陰溝如小海子村老排陰溝、新排陰溝、敦仁村老排陰溝、新排陰溝;原友聯(lián) (中庫(kù))泄水渠、新 (下庫(kù))泄水渠;原三清南干渠和北干渠;廢舊井和枯樹根、坑等。其中一部分排陰溝和泄水渠段切割較深,已切穿第一個(gè)承壓含水層頂板即磚紅色粉質(zhì)粘土或粘土層,其余部分排陰溝和泄水渠段 (包括原三清南干渠和北干渠)切割較淺,但也使得粉質(zhì)粘土或粘土隔水層的厚度變??;廢舊井和個(gè)別枯樹根、坑與下部砂層連通。
潰壩后形成壩基下沖坑,上游側(cè)斷面顯示:地表覆蓋層厚1.0m左右 (高程1364.4~1363.4m),主要由湖沼相的淤積質(zhì)粉砂土組成,結(jié)構(gòu)中密、味臭,含植物根系及腐植物;粉質(zhì)粘土層呈土黃~磚紅色,厚度2.2m (高程1363.4~1361.2m),粉質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)密實(shí),塑性好,染手、連續(xù)分布均勻;粉質(zhì)粘土層下部有一層灰~灰白色輕粉質(zhì)壤土,厚度0.7m (高程1361.2~1360.5m),結(jié)構(gòu)中密;再下部即為青灰色細(xì)砂層 (高程1360.5m以下),厚度>5m (鉆孔揭露最大厚度5.4m未見底),該層結(jié)構(gòu)中密,完全被地下水飽和。
鉆孔勘探表明,初見水位大都在粘土層或輕粉質(zhì)壤土的底板附近,但穩(wěn)定水位不同程度地高于粘土層或輕粉質(zhì)壤土底板0.5m,即承壓水水頭高度為0.5m。
潰壩段及其下游側(cè)正處在原友聯(lián)泄水渠、原小海子村舊排水溝和2004年新挖的排水溝的交匯處(樁號(hào)為2+700),距離后壩腳僅10余m,鉆孔證實(shí)該處的天然粘土層缺失。
經(jīng)對(duì)坑內(nèi)抽水后發(fā)現(xiàn),上游側(cè)決口斷面下部有漏水空洞4處,高程在1361.1~1360.22m之間,位置處在粉質(zhì)粘土層以下,灰~灰白色輕粉質(zhì)壤土與細(xì)砂層的接觸部位。自西向東:1#洞對(duì)應(yīng)樁號(hào)2+699.1,洞底高程1361.10m,直徑30cm,呈次圓狀,向外涌水,涌水占滿漏水空洞三分之一部位;3#洞 對(duì) 應(yīng) 樁 號(hào) 2+701.5,洞 底 高 程1360.50m,直徑10cm,呈橢圓狀,向外涌水,涌水占滿整個(gè)空洞;4#洞對(duì)應(yīng)樁號(hào)2+705.4,洞底高程1360.50m,直徑15cm,呈次圓狀,向外涌水,涌水占滿整個(gè)空洞;2#洞對(duì)應(yīng)樁號(hào)2+719.1,洞底高程1360.22m,直徑40cm,呈次圓狀,向外涌水,涌水占滿漏水空洞三分之一部位,洞前有流水帶出的土顆粒。通過(guò)后來(lái)抽水坍塌后觀察,3#、4??斩词窍嗷ミB通的。
該壩基下主要由三層物質(zhì)組成:①淺磚紅色粉質(zhì)粘土,厚度2.2~2.6m;②灰~灰白色輕粉質(zhì)壤土,厚度0.6~0.8m;③青灰色細(xì)砂,厚度>10m。
第①層:土的不均勻系數(shù)Cu=d60/d10的平均值為14.4>5;粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑d f=0.0077mm,相應(yīng)的細(xì)粒顆粒含量Pc=42%。按規(guī)范規(guī)定:對(duì)于不均勻系數(shù)大于5的不連續(xù)級(jí)配土,Pc≥35%可判別為流土型。
第②層:土的不均勻系數(shù)Cu=d60/d10的平均值為8.77>5;粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑d f=0.013mm相應(yīng)的細(xì)粒顆粒含量Pc=28%。按規(guī)范規(guī)定:對(duì)于不均勻系數(shù)大于5的不連續(xù)級(jí)配土,25%≤Pc<35%可判別為過(guò)渡型。
第③層:細(xì)砂的不均勻系數(shù)Cu=d60/d10的平均值為2.44<5;粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑d f=0.08~0.12mm,相應(yīng)的細(xì)粒顆粒含量Pc=24%;孔隙率n=34.6%,〔1/4(1-n)〕×100=32%。按規(guī)范規(guī)定:Pc< 〔1/4(1-n)〕×100可判別為管涌型。
規(guī)范還規(guī)定:對(duì)雙層結(jié)構(gòu)的地基,當(dāng)兩層土的不均勻系數(shù)均等于或小于10,且符合下式規(guī)定的條件時(shí),不會(huì)發(fā)生接觸沖刷。
D60/d10≤10 (M.0.2-8)
上述第②層和第③層土的不均勻系數(shù)均小于10,但D60/d10=0.0781/0.0039=20>10,不符合 (M.0.2-8)式,則第②層和第③層土之間將會(huì)發(fā)生接觸沖刷。
如果第②層土缺失,第①層土與第③層土直接接觸,則不僅不符合兩層土的不均勻系數(shù)均等于或小于10,且D10/d10=0.0781/0.002=39>10,也不符合 (M.0.2-8)式,則第①層土與第③層土之間也將會(huì)發(fā)生接觸沖刷。
第①層土與第②層土的D60/d10=0.0039/0.002=1.95<10,不會(huì)發(fā)生接觸沖刷。
通過(guò)室內(nèi)原狀土的滲透試驗(yàn)測(cè)定:第①層淺磚紅色粉質(zhì)粘土層的平均滲透系數(shù)K①=1.16×10-4cm/s;第②層灰~灰白色輕粉質(zhì)壤土的平均滲透系數(shù)K②=2.14×10-4cm/s;第③層青灰色細(xì)砂的平均滲透系數(shù)K③=1.81×10-3cm/s。
上述第②層和第③層土的K大∕K?。?.5>2則第②層和第③層土之間將會(huì)發(fā)生接觸沖刷。
如果第②層土缺失,第①層土與第③層土直接接觸的K大∕K?。?0.2>2則第①層土與第③層土之間也將會(huì)發(fā)生接觸沖刷。
第①層土與第②層土的K大∕K?。?.8<2則不會(huì)發(fā)生接觸沖刷。
第①層:淺磚紅色粉質(zhì)粘土為流土型,則采用下式計(jì)算
第②層:灰~灰白色輕粉質(zhì)壤土為過(guò)渡型,則采用下式計(jì)算
第③層:青灰色細(xì)砂為管涌型,則采用下式計(jì)算
上述各層土的臨界水力比降除以2.0的安全系數(shù),即為各層土的允許水力比降。即J允許①=0.55;J允許②=0.21;J允許③=0.19。
對(duì)接觸沖刷臨界水力比降的確定,規(guī)范中沒有計(jì)算公式。現(xiàn)以 《土石壩滲流控制理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)》(劉杰著)推薦的 ‘依斯托美娜’曲線查得。
依斯托美娜在進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究后,給出了接觸沖刷臨界水力比降J k.kp與相鄰?fù)翆拥挠行Я紻10、d10和較細(xì)土層的摩擦系數(shù)tg¢之間的關(guān)系。允許水力比降J k.p=J k.kp/1.5,可查曲線求得。
對(duì)第②層和第③層土之間的接觸沖刷:
查曲線圖得:J k.kp=0.18則Jk.p=0.12。
若第①層和第③層土直接接觸的接觸沖刷:
查曲線圖得 :J k.kp,=0.12則J k.p=0.08。
經(jīng)對(duì)其中之一的1﹟漏水空洞用挖掘機(jī)大開挖追蹤勘探,發(fā)現(xiàn)向南部上游延伸時(shí)有許多分支漏水空洞,分支中又有許多分支,呈樹枝狀面狀展布,出水點(diǎn)高程基本一致,選偏東和偏西兩個(gè)方向的漏水空洞繼續(xù)追蹤,情況基本相似,東側(cè)追蹤至東南部導(dǎo)流渠附近,已繞過(guò)原廢舊井或枯樹坑等,漏水空洞直徑由起始的30cm變小為10cm,高程抬高50cm,到前壩腳的直線距離為80m,追蹤斜長(zhǎng)已達(dá)100m,但空洞冒水并沒有消失,也未見任何與地面連通的跡象,基本沿土層與砂層的接觸面 (或帶)延伸;西側(cè)向西南部延伸,已越過(guò)導(dǎo)流渠20m以外,到前壩腳的直線距離為70m,追蹤斜長(zhǎng)已達(dá)90m,冒水洞直徑5~8cm,高程抬高40cm,空洞冒水也沒有消失,仍未見任何與地面連通的跡象,也是基本沿土層與砂層的接觸面 (或帶)延伸。另外,還觀察到各個(gè)漏水通道內(nèi)的出水均有壓力,似泉涌翻滾上冒,基槽內(nèi)水深超過(guò)0.5m才消失,意味著此時(shí)有約0.5m的承壓水頭,經(jīng)取樣化學(xué)分析試驗(yàn)對(duì)比,該地下承壓水水質(zhì)與中庫(kù)水質(zhì)截然不同,說(shuō)明與中庫(kù)蓄水并無(wú)直接聯(lián)系,屬區(qū)域性地下承壓水,地下承壓水水質(zhì)較差,對(duì)普通混凝土有硫酸鹽強(qiáng)腐蝕。
上述開挖情況證實(shí)了接觸沖刷破壞確切無(wú)疑,由壩后下游的滲流出口最先開始,逐漸向上游擴(kuò)展,目前的范圍已發(fā)展到壩前100m以外,空洞較大者已轉(zhuǎn)變?yōu)楣苡炕蛄魍疗茐模貏e在下庫(kù)蓄水以后,壩前原泄水渠是集中滲漏帶,廢舊井是滲漏天窗,枯樹根、坑是防滲薄弱帶等,都能使庫(kù)水越流補(bǔ)給地下水,并與地下承壓水共同作用,實(shí)際水力坡降增大,滲流破壞加劇。
從壩后排水溝粉質(zhì)粘土 (或粘土)相對(duì)隔水層被破壞,地下承壓水有了滲流出口開始,到水庫(kù)蓄水之后,壩基便存在滲流破壞問(wèn)題。
根據(jù)以上滲透變形判別和滲透破壞臨界水力比降的確定結(jié)果:壩基下第①層淺磚紅色粉質(zhì)粘土層的破壞形式為流土型,其臨界水力比降Jcr①=1.1,允許水力比降J允許①=0.55;
第②層灰~灰白色輕粉質(zhì)壤土的破壞形式為過(guò)渡型,其臨界水力比降Jcr②=0.42,允許水力比降J允許②=0.21;
第③層青灰色細(xì)砂的破壞形式為管涌型,其臨界水力比降Jcr③=0.39,允許水力比降J允許③=0.19;
第②層和第③層土之間存在接觸沖刷,其接觸沖刷的臨界水力比降J k.kp=0.18,允許水力比降J k.p=0.12;
如果第②層土缺失,第①層和第③層土直接接觸也存在接觸沖刷問(wèn)題,其接觸沖 刷的臨界水力比降J k.kp,=0.12,允許水力比降J k.p=0.08。
由此可見,接觸沖刷的臨界水力比降很小,比它們各自介質(zhì)本身的臨界水力比降小得多。因此,當(dāng)壩后排水溝粉質(zhì)粘土 (或粘土)相對(duì)隔水層被破壞,地下承壓含水層有了滲流出口開始,首先產(chǎn)生接觸沖刷破壞,并逐漸向上游發(fā)展,這種接觸沖刷破壞的過(guò)程是較緩慢的,它必需有一定的細(xì)粒土流失的時(shí)間和積聚場(chǎng)所或排泄渠道,而新舊排水溝交匯后又相交于輸水渠道排水,且縱坡較大,其細(xì)粒土排泄很暢。隨著水庫(kù)蓄水位的抬高,待實(shí)際水力坡降達(dá)到大于細(xì)砂層和輕粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)粘土層的臨界水力比降后,這種接觸沖刷破壞將很快轉(zhuǎn)換成管涌型和流土型 (或過(guò)渡型)破壞,而這種型式的破壞將是急速的,它會(huì)很快造成壩基被掏空,壩前壩后形成滲漏通道,導(dǎo)致壩體沉降、坍塌,最終釀成決口垮壩。這就是小海子水庫(kù)發(fā)生大壩潰決的地質(zhì)因素;而區(qū)域性地下承壓水 (承壓水頭約0.5m)及其庫(kù)水越流補(bǔ)給地下水則是大壩潰決的水力因素。
(1)經(jīng)進(jìn)一步的地質(zhì)勘探及大量試驗(yàn)證明,小海子水庫(kù)確系壩基下輕粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)粘土與下部砂層間的接觸沖刷破壞所致,接觸沖刷的臨界水力比降很小,比它們各自介質(zhì)本身的臨界水力比降小得多,所以在區(qū)域承壓水的作用下首先產(chǎn)生接觸沖刷,如果沒有滲流出口,這種接觸沖刷是無(wú)害或其危害是潛在的,在壩后新開挖的排水溝及相交于輸水渠排水提供了滲流出口和細(xì)顆粒堆積與排泄的條件,再加上在排水溝內(nèi)抽水灌溉,更進(jìn)一步加劇了細(xì)顆粒的運(yùn)移,使得接觸沖刷變?yōu)橛泻Φ臐B流破壞,進(jìn)一步發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)樯皩拥墓苡科茐暮屯翆拥牧魍疗茐?,隨著細(xì)顆粒的逐步帶走,在壩底及壩前鋪蓋下部形成了空洞,在壩底下最大,向上游延伸逐漸變小,這在開挖追蹤漏水通道時(shí)已經(jīng)揭示清楚,這種破壞隨著時(shí)間的推移,最終導(dǎo)致了大壩的潰決。這是國(guó)內(nèi)罕見的在特殊水文地質(zhì)條件下所導(dǎo)致的壩基接觸沖刷破壞,在以后工程設(shè)計(jì)中對(duì)多層不同介質(zhì)接觸沖刷應(yīng)引起足夠重視。
(2)從現(xiàn)場(chǎng)勘查來(lái)看,已經(jīng)發(fā)生接觸沖刷破壞的范圍比潰口段要大得多,庫(kù)區(qū)上游在100m以外,沿壩軸線在樁號(hào)2+500~3+200之間。①?zèng)Q口段要采取垂直防滲和水平鋪蓋防滲的雙重措施。垂直防滲解決接觸沖刷,水平鋪蓋防滲解決滲漏通道、滲漏天窗等并有效降低實(shí)際水力坡降;其他范圍須在前壩腳設(shè)置垂直水泥擺噴樁,主要解決接觸沖刷問(wèn)題。②滲流出口要慎重而精細(xì)的處理,包括新泄水渠要延長(zhǎng)處理、舊排陰溝及舊泄水渠要挖除淤泥重新夯實(shí)回填處理、新舊排水溝樁號(hào)2+630~3+700段的處理等。
1 《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)
2 《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-99)
3 劉杰 .《土石壩滲流控制理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)》
4 張興鋒 .《高臺(tái)縣小海子水庫(kù)決口修復(fù)方案初步設(shè)計(jì)報(bào)告》