水庫大壩壩體及壩基滲透穩(wěn)定探究

□徐生凌

隨著我國水利樞紐工程建設(shè)的進(jìn)程不斷提升，水利設(shè)施建設(shè)技術(shù)也得到快速發(fā)展，但目前我國所使用的水利設(shè)施部分建設(shè)年代久遠(yuǎn)，且受限于當(dāng)時(shí)的施工技術(shù)及條件，水庫壩體建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍較低、壩基處理方式不科學(xué)，投入使用后隨著時(shí)間的推移，大部分的水庫大壩均存在不同程度的病險(xiǎn)，其中滲透破壞是最為常見的病險(xiǎn)危害之一。水庫大壩壩體以及壩基滲漏往往由于水利工程中地質(zhì)問題所導(dǎo)致，因此在勘察過程應(yīng)注意水庫大壩所在區(qū)域的水文條件，針對(duì)水壩中發(fā)生的滲透情況進(jìn)行及時(shí)的評(píng)價(jià)，并制定出合理的防護(hù)措施。但在實(shí)際工程案例中發(fā)現(xiàn)，若是采用的防滲措施不當(dāng)不僅會(huì)造成大壩滲漏的情況無法解決，并且無法保障水庫的正常狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成大壩發(fā)生重大的安全事故。對(duì)此，現(xiàn)將根據(jù)水庫大壩實(shí)際的工程地質(zhì)、水文資料為基礎(chǔ)，對(duì)當(dāng)前水庫水位以及加高庫水位狀態(tài)下的壩體及其與壩基結(jié)合處滲透的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出合適的防護(hù)措施。

1.工程概況

某水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪、生態(tài)供水等作用的綜合的中型平原型水庫，該水庫建設(shè)于上世紀(jì)60年代，此后經(jīng)歷過續(xù)建、擴(kuò)建以及病險(xiǎn)區(qū)域的除險(xiǎn)加固；該水利工程包括溢洪道、泄洪洞、輸水洞以及泄洪閘；大壩壩頂高程為423.5m，最大壩高為90.5m，壩頂寬度為10m，壩長為10500m，水庫最大庫容4000 萬m3。大壩為單種土質(zhì)壩，由于工程建造時(shí)壩體所使用的填充材料較多，根據(jù)鉆孔調(diào)查顯示壩體是由砂土、粉質(zhì)黏土和土壤土，壩基巖性依次為第四系全新統(tǒng)沖洪積細(xì)砂、礫砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土透鏡體，厚度較大，50m 勘察鉆孔未揭穿，地質(zhì)的性質(zhì)較差，易發(fā)生滲透變形，加之大壩建造時(shí)施工隊(duì)伍較多、施工工藝相對(duì)落后，導(dǎo)致水庫大壩局部排水渠溢出點(diǎn)滲漏較為嚴(yán)重。因此將對(duì)當(dāng)前水庫以及加高后庫水位狀態(tài)下壩基是否存在滲透、變形進(jìn)行分析，并對(duì)壩體與壩基結(jié)合處滲透變形可能性進(jìn)行深度探究。

2.壩體滲透及穩(wěn)定性分析

表1 壩基滲透破壞類型判斷標(biāo)準(zhǔn)

表2 各壩段壩基水平真實(shí)水力比降均值計(jì)算結(jié)果

表3 溢出段的真實(shí)水力比降均值計(jì)算結(jié)果

2.1 滲透變形類型分析

大壩壩基主要是由細(xì)砂、礫砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土透鏡體構(gòu)成，根據(jù)對(duì)地質(zhì)構(gòu)成成分的詳細(xì)分析顯示，其細(xì)砂比重均值約為2.7，空隙率平均約為34.9%，不均勻系數(shù)均值約為3.0，依照《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-2016）（以下簡稱“勘察規(guī)范”）中基土滲透變形類型及其判別方法，對(duì)于無黏性土的不均勻系數(shù)Cu≤5時(shí)的滲透變形判定為流土。

2.2 臨界水力比降及允許水力比降的選擇計(jì)算

按照勘查規(guī)范中對(duì)于基土滲透變形的判定，流土的臨界水力比降計(jì)算方式為：

式中：

Jcr—基土的臨界水力比降；

Gs—土粒的相對(duì)密度；

n—基土的孔隙率，采用小數(shù)表示。

通過計(jì)算可得到細(xì)砂臨界水力比降的均值Jcr=1.1。按照勘察規(guī)范中基土的臨界水力比降除以1.5～2.0 的安全系數(shù)作為無黏性土的允許比降，結(jié)合該水庫滲透穩(wěn)定對(duì)于水庫大壩建筑產(chǎn)生的重要影響，故將細(xì)砂的安全系數(shù)取值為2.0，經(jīng)過計(jì)算后細(xì)砂發(fā)生流圖變形情況下的允許水力比降值為0.6，根據(jù)實(shí)際情況最終決定允許水力比降取值為0.5。

3.壩基滲透穩(wěn)定性分析

3.1 滲透變形類型分析

通過對(duì)細(xì)砂的性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)分析后得到，其不均勻系數(shù)Cu在2.2～3.7 之間，按照勘察規(guī)范中關(guān)于基土滲透變形類型及其判別方法可知，細(xì)砂屬于流土，壩基滲透破壞類型判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3.2 臨界水力比降及允許水力比降的選擇計(jì)算

由公式（1）可知，細(xì)砂的臨界水力比降的均值Jcr=1.1、中砂的臨界水力比降的均值Jcr=1.1，同樣按照前文的方法將細(xì)砂安全系數(shù)取值為2.0，經(jīng)過計(jì)算后細(xì)砂發(fā)生流土變形后的允許水力比降值為0.6，根據(jù)實(shí)際情況最終決定允許水力比降取值為0.5。

3.3 滲透變形可能性計(jì)算

按照同類工程中壩后溢出段的真實(shí)水力比降高于壩基段水平真實(shí)水力比降，本研究中將側(cè)重于壩后溢出段的流土型破壞的研究，具體方式為：在大壩不同壩段處選擇五條典型橫剖面，實(shí)施對(duì)當(dāng)前水庫以及加高后庫水位狀態(tài)下壩基是否存在滲透、變形進(jìn)行計(jì)算分析。該水庫壩基段為單層結(jié)構(gòu)形式，通過采用探坑法確認(rèn)溢出段地基的構(gòu)建形式為雙層結(jié)構(gòu)。

壩基段水平真實(shí)水力比降均值的計(jì)算方式為：

溢出段的真實(shí)水力比降均值的計(jì)算方式為：

式中：

H1、H2—壩 上、下 游 水 位（單 位：m）；

2b—滲徑長度（單位：m）；

T1、T2—上、下 層 土 層 的 厚 度（單位：m）；

K1、K2—上、下層土層滲透系數(shù)（單位：cm/s）。

通過公式（2）、公式（3）計(jì)算出各壩段壩基水平真實(shí)水力比降均值、溢出段的真實(shí)水力比降均值計(jì)算所得結(jié)果如表2、表3 所示。

根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果顯示，大壩壩基在當(dāng)前水位下的實(shí)際水力比降值為0.006～0.080，根據(jù)計(jì)算顯示在加高后421.8m 水 位 后 其 比 降 為0.002～0.080，其值遠(yuǎn)低于壩基細(xì)砂層允許水力比降值0.5，因此，可以證明在目前水位情況下以及在加高庫水位狀態(tài)下水壩壩基將不會(huì)發(fā)生流土型破壞；按照公式（3）計(jì)算斜墻壩段（樁號(hào)0+035～1+120）溢出段當(dāng)前實(shí)際水力比降均值結(jié)果為0.52，高于允許水力比降值0.5，因此，溢出段在當(dāng)前水位狀態(tài)下將會(huì)發(fā)生流土型破壞，而在加高庫水位狀態(tài)下溢出段水力比降結(jié)果為0.63，高允許水力比降值0.5，因此，也會(huì)發(fā)生流土型破壞；通過計(jì)算，樁號(hào)1+120～5+000 各壩段在當(dāng)前水位及加高庫水位狀態(tài)下的實(shí)際水力比降值為0.58～1.15，遠(yuǎn)高于允許水力比降值0.5，因此，當(dāng)前水位及加高421.8m 庫水位狀態(tài)下均會(huì)發(fā)生流土型破壞，并且在進(jìn)行實(shí)際的勘查后發(fā)現(xiàn)，此壩段壩后局部排水渠的溢出段已發(fā)生不同程度的流土型破壞；樁號(hào)5+000～6+600 壩段在當(dāng)前水位及加高庫水位狀態(tài)下溢出段的實(shí)際水力比降值為0.02～0.04，結(jié)果在允許的范圍內(nèi)，因此，該段將不會(huì)發(fā)生流土型破壞。

通過上述分析可知，造成大壩滲透穩(wěn)定性的主要原因是由壩基滲漏所導(dǎo)致。大壩壩基水平段在目前水位情況下以及在加高庫水位狀態(tài)下，其細(xì)砂層不具有流土型破壞的可能性，大壩中極易產(chǎn)生流土型破壞的區(qū)域?yàn)閴魏笠绯錾仙蔚募?xì)砂層。分析原因，是由于當(dāng)水庫水位升高后溢出上升段受到的流土型破壞程度將急劇增加，并且在發(fā)展過程中將逐漸向壩基延伸。

4.壩體及壩基接觸區(qū)域滲透穩(wěn)定性分析

由于大壩壩體底部為粉質(zhì)黏土、砂壤土為主，而壩基頂部區(qū)域主要為細(xì)砂，其中三種巖性的滲透系數(shù)分別為5.06×10-6cm/s、3.95×10-5cm/s、3.25×10-4cm/s，由于此區(qū)域巖性的滲透系數(shù)具有較大的差距，將會(huì)造成接觸面出現(xiàn)滲透破壞，并且壩基段的滲流方向?yàn)樗较颍墙佑|流是由垂直滲流所產(chǎn)生，因此，此區(qū)域的破壞主要為接觸沖刷類型。根據(jù)勘察規(guī)范中規(guī)定，接觸沖刷的方法判別方式：雙層結(jié)構(gòu)地基條件下，各層土的不均勻系數(shù)均≤10，并符合D10/d10≤10（D10、d10分別表示較粗、較細(xì)土的顆粒直徑，且小于該顆粒直徑土重占總土重的10%），將不會(huì)產(chǎn)生接觸沖刷。根據(jù)分析研究可知，粉質(zhì)黏土、砂壤土以及細(xì)砂的不均勻系數(shù)以及d10 均 值 分 別 為27.75mm、66.87mm、3.56mm、 0.0022mm、 0.0016mm、0.091mm，經(jīng) 計(jì) 算，D10/d10=41.35mm、56.87mm，所得結(jié)果均大于10，由此可見壩體及壩基接觸區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生沖刷破壞。

5.滲透破壞處理措施

針對(duì)流土型破壞對(duì)水庫大壩的破壞可通過以下方式：降低大壩上下游的水頭差；增加滲流的路徑；滲流處采用透水材料覆蓋壓重，形成平衡滲流力；滲透區(qū)域?qū)嵤┘庸烫幚怼＝Y(jié)合案例工程的實(shí)際情況，為了避免溢出段的流土破壞向壩基發(fā)育，可通過在壩后挖掘排水溝、同時(shí)鋪設(shè)透水性土料構(gòu)建反濾層3 層，各層的厚度為20cm～40cm，以此防止溢出段的流土型破壞。

6.結(jié)語

針對(duì)某水庫大壩壩基及壩后溢出段滲透穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)果顯示，由于大壩壩體與壩基的巖性具有較大的滲透系數(shù)，易產(chǎn)生接觸沖刷，且壩基水平段具有的水力比降低于壩后溢出段數(shù)值，因此各壩基段的滲透變形情況將由溢出段是否會(huì)產(chǎn)生滲透變形所影響。對(duì)于流土型破壞處理措施應(yīng)以防治壩后溢出段滲透破壞為主，避免其向壩基發(fā)展，并給予合適的防護(hù)措施。□