鴨河口水庫大壩工程地質(zhì)條件及滲透變形分析

牛飛 李偉 張軍 李萬里

文章編號：1006-0081（2019）09-0029-04

摘要：鴨河口水庫大壩為黏土心墻砂殼壩，建在砂卵石地基上。大壩運(yùn)行50多年來，大壩下游排水溝內(nèi)出現(xiàn)多處冒砂，由壩基滲流引起。在闡述壩體和壩基工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，從壩基滲流量、測壓管位勢、滲透比降等方面分析了壩基的滲透穩(wěn)定性;根據(jù)理論計(jì)算、浸潤線管對壩體滲流進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，壩體、壩基滲流性態(tài)安全。

關(guān)鍵詞：黏土心墻砂殼壩;工程地質(zhì)條件;壩基滲流;滲透變形;鴨河口水庫

中圖法分類號：TV641.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.007

1工程概況

鴨河口水庫位于長江流域漢江支流唐白河水系白河上游，壩址在鴨河人白河交匯口處，屬河南省南召縣東抬頭村。水庫下游距南陽市40km，是白河上的主要防洪控制工程，控制流域面積3030km2。水庫按1000a一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水位179.5m，相應(yīng)庫容11.19億m3;10000a一遇校核，校核水位181.3m，相應(yīng)庫容13.16億m3。大壩為黏土心墻砂殼壩，壩長3294m，壩高34.0m，壩頂寬8.0m，設(shè)計(jì)防洪庫容3.242億m3，調(diào)洪庫容5.212億m3，興利庫容8.101億m3。鴨河口水庫是一座以防洪灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖、城市供水等綜合利用的大（一）型水庫。水庫大壩系建筑在砂卵石地基上的黏土心墻砂殼壩，大壩于1958年11月動工興建，1959年底建成。建成后，大壩下游排水溝內(nèi)出現(xiàn)多處冒砂現(xiàn)象，為查明大壩的工程地質(zhì)條件，對壩體及壩基進(jìn)行地質(zhì)鉆探。根據(jù)地質(zhì)資料、測壓管及浸潤線管資料，對壩基及壩體滲流進(jìn)行了安全分析，可為以后同類工程提供有益借鑒。

2壩基工程地質(zhì)條件

2.1地形地貌

壩址位于低山丘陵與平原的交界處，壩址以上為低山丘陵區(qū)，以下為平原。壩址左岸接楊莊后的茶兒嶺，山坡自然坡度較緩，約10°-20°，山頂高程185.0m。右岸接黑山頭，山坡自然坡度約50°～60°，山頂高程190.0m，河床最低高程149.0m。河流與壩軸線垂直，鴨河靠近壩軸線左端，左岸發(fā)育有一級階地，呈條帶狀分布，寬約300m，鴨河漫灘及河床寬300m;白河分布于壩軸線右端，河床寬620m，河床兩岸無階地發(fā)育。

2.2地層巖性

壩址區(qū)的地層巖性從上至下依次為：①層礫砂（Q4al）。分布于鴨河漫灘及河床、白河河床，樁號1+734-2+530，厚3.5-8.1m?？刂屏絛60=2.23mm，d30=0.623mm，有效粒徑d10=0.278mm，卵礫含量約15%-20%，粒徑2-5cm，不均勻系數(shù)Cu=33.1，曲率系數(shù)Cc=1.27，級配較好。②層砂卵石（Q4al）。分布于鴨河、白河河床及漫灘上，卵石含量約60%-70%，粗砂含量約30%-40%，卵石粒徑一般5-7cm，最大30cm，控制粒徑d60=56.2mm，d30=0.897mm，有效粒徑d10=0.187mm，不均勻系數(shù)Cu=100.7，曲率系數(shù)Cc=0.58，級配較差。③層重粉質(zhì)壤土（Q4al）。分布丁鴨河左岸一級階地上，厚5.9-6.2m，可塑狀態(tài)，偶見鐵錳結(jié)核及斑點(diǎn)。④層花崗片麻巖及閃長片麻巖（Ptl-Gn）。分布于兩壩肩，強(qiáng)風(fēng)化厚度5.0-10.0m。

2.3壩基水文地質(zhì)條件

壩基地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水。①層礫砂滲透系數(shù)為116.6m/d，強(qiáng)透水;②層砂卵石滲透系數(shù)為166.8m/d，強(qiáng)透水;③層熏粉質(zhì)壤土滲透系數(shù)為4.27x106cm/s，弱透水;④層花崗片麻巖及閃長片麻巖透水率為4.1-47.3Lu，弱一中等透水。

2.4壩基工程地質(zhì)條件評價(jià)

兩壩肩巖性為花崗片麻巖及閃長片麻巖，弱一中等透水，透水性不大;鴨河、白河河床、漫灘及一級階地上分布有①層礫砂、②層砂卵石，均屬強(qiáng)透水，存在壩基滲漏問題[1]。

鴨河、白河為砂質(zhì)河床，勘察期間，壩上游庫水位175.67m，壩下游水位153.01m。由于地下水具有承壓性，且壩基砂層上下游貫通，在壩上游高水頭作用下，在大壩下游排水溝內(nèi)出現(xiàn)多處冒砂現(xiàn)象。根據(jù)測量，平均滲透流量為200L/s，為此大壩下游修建了38眼減壓井。

3壩基滲流安全分析

3.1壩基滲流量分析

為檢查水庫運(yùn)行過程中壩基滲漏量，在壩下游排水溝內(nèi)設(shè)置2個流量堰，以便觀測壩基及壩體滲透流量。經(jīng)分析整理，在庫水位高低變化的情況下，壩后滲流量隨之變化，和庫水位形成對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)庫水位超過170.0m時，1964年滲流量為540L/s，1974年滲流量為300L/s，減少44.4%;1984年滲流量為200L/s，比1974年滲流量減少33.3%。這表明壩后滲流量逐年減少，壩基滲流穩(wěn)定。

3.2壩基測壓管位勢分析

在鴨河口水庫壩基砂卵石層有壓滲流場情況下，測壓管水位是由上下游水位差、降雨等因素引起的，測壓管水位高低與上下游水位變化幅度、降雨量大小和壩基砂卵石透水性等因素有關(guān)，計(jì)算位勢時，認(rèn)為管水位與庫水位同步，不考慮管水位后問題。

從各斷面測壓管位勢變化情況（見表1）可以看出，壩軸線下游16m處月平均位勢為0.27-0.18m，說明防滲鋪蓋的防滲效果明顯。40余年來，隨著庫內(nèi)壩前淤積的不斷增加，鋪蓋的防滲作用加強(qiáng)，所有的測壓管位勢隨時間延長逐步減少，并趨于穩(wěn)定。在分析的5個斷面中，位勢的變化可分為2個時段：①1986-1988年前為位勢下降時段，下降幅度為40%-66.7%，說明壩基滲流條件日趨好轉(zhuǎn)，這與壩前淤積明顯有關(guān);②1986-1988年以來為位勢平穩(wěn)時段，說明壩基滲流條件經(jīng)過調(diào)整口趨平穩(wěn)[3]。

3.3壩基滲透比降分析

壩基砂卵石層的不均勻系數(shù)Cu=14.58，曲率系數(shù)Cc=1.23，級配良好，計(jì)算粗細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑的公式[3]為

df=√d70d10

（1）

通過計(jì)算，df=0.85mm，對應(yīng)的細(xì)顆粒含量為8.5%（小于25%）。根據(jù)GB50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[3]第G.0.4條，滲透破壞類型為管涌，管涌型滲透破壞臨界水力坡降可采用式（2）計(jì)算：

Jcr=2.2（Gs-1）×（1一n）2d5/d20

（2）式中，Jcr為土的臨界水力比降;Gs為土的比重，取2.65;n為土的孔隙率，取0.384;d5、d20分別為土的顆粒粒徑，表示小于該粒徑土的質(zhì)量占總土質(zhì)量的5%、20%，分別取0.015，0.065，單位為mm。

通過計(jì)算，砂卵石層的臨界水力比降為0.32，安全系數(shù)取2，則砂卵石層的允許滲透坡降為0.16。運(yùn)行期實(shí)際滲透比降及預(yù)測在設(shè)計(jì)庫水位179.84m的滲透比降為0.03-0.08，均小于0.16，說明壩基滲流性態(tài)基本安全。

3.4壩基滲流穩(wěn)定分析

鴨河口水庫壩型為黏土心墻砂殼壩，壩前有水平鋪蓋，壩下游有表面式排水體和堆石蓋重，臺地段有減壓井。1959-1986年，隨著水庫和壩前的淤積，壩基測壓管位勢逐年降低;但1993年以來，壩基測壓管位勢已趨平穩(wěn)，壩基砂卵石的實(shí)際滲透比降小于允許滲透比降，滲流性態(tài)安全。

4壩體滲流安全分析

4.1壩體質(zhì)量評價(jià)

大壩為黏土心墻砂殼壩，根據(jù)建壩設(shè)計(jì)資料及施工控制指標(biāo)要求，黏土心墻壩體壓實(shí)干密度不低于1.65g/cm3，干密度范圍值1.620-1.812g/cm3，平均值1.746g/cm3，干密度合格率為97.1%，滲透系數(shù)4.66x10-6cm/S，弱透水，壩體質(zhì)量較好;迎水坡、背水坡砂殼設(shè)計(jì)要求風(fēng)化砂干密度pd≥1.80g/cm3，相對密度不低于0.67，全部滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2理論計(jì)算分析壩體滲透穩(wěn)定

滲流計(jì)算運(yùn)用河海大學(xué)編制的Autobank計(jì)算程序，該程序采用有限元分析法求解滲流場。

根據(jù)SL274-2013《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩體滲流計(jì)算工況有：正常水位、設(shè)計(jì)水位、校核水位。通過計(jì)算提出滲流逸出點(diǎn)的滲透坡降、壩體滲流量及浸潤線。以白河壩段壩體滲流計(jì)算為例進(jìn)行分析。

4.2.1正常水位滲流計(jì)算

（1）浸潤線計(jì)算。由程序計(jì)算得浸潤線在壩內(nèi)的位置和浸潤線逸出點(diǎn)高程為154.002m，結(jié)果見圖1。大壩2+360斷面浸潤線測壓管水位與庫水位歷時曲線見圖2。

（2）滲流量計(jì)算。由程序計(jì)算出的滲流量q=1.88x10-3m3（s.m），日滲流量Q=1.62m3（d.m）。

（3）滲透坡降分析。從計(jì)算結(jié)果看，在滲流逸出點(diǎn)附近單元的滲透坡降J最大值為0.20。滲透坡降計(jì)算公式[3]為

J允=（Gs-1）×（1-n）/K

（3）式中，Gs為土的比重，取2.72;n為土的孔隙率，取0.403;K為安全系數(shù)，取值范圍為1.5-2.0，取1.75。通過計(jì)算可知，J允=0.576，大于0.20，因此，滲流逸出點(diǎn)滲流穩(wěn)定。

4.2.2設(shè)計(jì)水位滲流計(jì)算

（1）浸潤線計(jì)算。由程序計(jì)算得浸潤線在壩內(nèi)的位置和浸潤線逸出點(diǎn)高程為154.002m，結(jié)果見圖1。

（2）滲流量計(jì)算。南程序計(jì)算出的滲流量q=2.13x10-5m3（s.m），日滲流量Q=1.84m3（d.m）。

（3）滲透坡降分析。在滲流逸出點(diǎn)，滲透坡降計(jì)算結(jié)果為0_576，在滲流逸出點(diǎn)附近單元的滲透坡降J最大值為0.29，因此設(shè)計(jì)水位逸出點(diǎn)穩(wěn)定。

4.2.3校核水位滲流計(jì)算

（1）浸潤線計(jì)算。由程序計(jì)算得浸潤線在壩內(nèi)的位置和浸潤線逸出點(diǎn)高程為154.23m，結(jié)果見圖1。

（2）滲流量計(jì)算。由程序計(jì)算出的滲流量q=2.25x10-5m3（s.m），日滲流量Q=1.94m3（d.m）。

（3）滲透坡降分析。在滲流逸出點(diǎn)，滲透坡降計(jì)算結(jié)果為0.576，在滲流逸出點(diǎn)附近單元的滲透坡J最大值為0.32，因此設(shè)計(jì)水位逸出點(diǎn)是穩(wěn)定的。

4.3利用浸潤線資料分析壩體滲透穩(wěn)定

為觀察鴨河口水庫壩體滲流場變化情況，在大壩樁號1+325、1+475、2+360三個斷面各埋設(shè)一排浸潤線觀測管。由圖3可以看出，隨著庫水位的變化，浸潤線保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，表明水庫壩體處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)。由實(shí)測浸潤線觀測斷面（見圖3）可以看出，浸潤線測壓管水位正常，黏土心墻滲流未發(fā)現(xiàn)異常。

5結(jié)論

（1）通過對鴨河Lj水庫壩體、壩基工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析論證，壩體黏土心墻屬弱一微透水，壩基礫砂、砂卵石屬強(qiáng)透水，壩下游排水溝內(nèi)多處出現(xiàn)冒砂現(xiàn)象[4]。

（2）通過分析壩基滲流量、測壓管位勢、壩基滲透比降，得出滲流性態(tài)是安全的。

（3）根據(jù)理淪計(jì)算、浸潤線觀測管，對壩體滲流進(jìn)行了分析，對臨控與評價(jià)壩坡滲流安全具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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[4]羅長軍，胡峰，張磊奇，等，陡坡水庫大壩滲透穩(wěn)定性及滲透變形分析Ⅲ，巖土力學(xué)，2006，27（8）：1305-1311.

（編輯：唐湘茜）

收稿日期：2019-03-06

作者簡介：牛飛，男，高級工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail： niufei2388@163.com