黃壁莊水庫副壩冒泡翻滾原因分析

田 鑫

（河北省水利規(guī)劃設計研究院有限公司，石家莊 050021）

1 黃壁莊水庫副壩概況

黃壁莊水庫副壩樁號1+060～5+600段位于滹沱河右岸二級階地，覆蓋層厚度一般為32～49m，最厚處達70m，為多層結構，自上到下主要由壤土微弱透水層（厚4～6m），中、粗砂中等透水層（厚12～16m）和卵石強透水層（厚10～20m）組成，其中卵石層的頂部存在極強透水帶。 下伏基巖大理巖和硅質(zhì)灰?guī)r巖溶發(fā)育段為巖溶極強透水帶。 砂層在壩前124～227m處出露， 與庫水接觸并和下部的卵石層及巖溶極強透水帶均有水力聯(lián)系，水文地質(zhì)條件復雜，存在壩基滲漏及滲透變形問題，在滲透水流的作用下，砂層的砂易進入級配不良的卵石層而流失，產(chǎn)生滲透變形，是水庫運行中壩前鋪蓋裂縫、塌陷，壩后減壓井和排水溝涌砂的主要原因。為此，除險加固采用垂直防滲處理，后期工程運行表明防滲效果明顯。

2 副壩前水面冒泡情況

黃壁莊水庫于2016年7月18日12：00開始降雨，21日8：00基本結束，7月21日8：00， 庫水位上升至121.18m。 水庫工程技術人員在副壩巡查時，發(fā)現(xiàn)壩前水面出現(xiàn)較大范圍的冒泡翻滾現(xiàn)象， 具體分布為沿壩軸線長約500m（5+000-5+500），距水邊約30m起呈點狀或平行于壩軸線的條帶狀。起初較平緩，隨著時間延長，翻花現(xiàn)象越來越活躍，從水邊一直延伸到壩前約200m，水邊的幾個翻花點能聽到呼嚕聲響，冒泡處有明顯氣感。

對應冒泡翻滾區(qū)副壩大致有2個監(jiān)測斷面，分別位于5+200、5+368附近。黃壁莊水庫庫水位每天監(jiān)測1次，滲壓計每半個月觀測1次、汛期每天1次。這次庫水位快速上升期間，庫水位每1h監(jiān)測1次。 滲流壓力為每2h監(jiān)測1次。 7月15—21日期間：5+368斷面墻前測點處水位變幅分別約達7.80，6.90，4.70m， 墻后測點處水位變幅約0.5m；4+498斷面墻前測點處水位變幅較大， 為7.75m； 墻后測點處水位變幅較小，僅0.3m。 可見防滲墻前、后測點滲壓水位（總水頭）差異明顯， 墻體削減水頭效果明顯， 防滲墻防滲性能較好。

3 副壩前工程地質(zhì)條件

3.1 工程地質(zhì)勘察

副壩5+000～5+500范圍鉆孔布置如下：壩前鋪蓋3個斷面，分別為副壩5+000、5+360、5+450，每個斷面3個鉆孔，相應位于壩軸線上游70，120，180m處，孔深鉆探穿過壤土層至下部中細砂層。 鉆孔位置如圖1。

圖1 鉆孔布置圖

3.2 副壩巖土物理力學性質(zhì)

水庫副壩壩前區(qū)域在勘探深度范圍內(nèi)， 揭露的主要地層巖性自上而下為：人工堆積（Q4s）素填土，主要為壩前鋪蓋素填土，巖性為壤土和黏土，揭露厚度1.5～2.8m；第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4alp）壤土，全區(qū)均有揭露， 揭露厚度0.9～4.8m； 第四系上更新統(tǒng)沖洪積（Q3alp）黏土、壤土、砂壤土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂和卵石，全區(qū)均有揭露，最大揭露厚度26.1m。

為取得各地層巖性物理力學參數(shù)， 確定其工程特性，現(xiàn)場對各土層進行了原位測試試驗，并取樣進行室內(nèi)常規(guī)試驗。根據(jù)試驗成果，水庫副壩壩前區(qū)域按土體結構及巖性對試驗數(shù)據(jù)分別進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計前先對異常值予以舍棄，然后提出范圍值、平均值和組數(shù)，最后根據(jù)有關規(guī)程規(guī)范，并結合經(jīng)驗值提出各層物理力學參數(shù)建議值［1］。 對水庫副壩壩前區(qū)域上部地層注水試驗成果如表1，土層的主要物理力學參數(shù)統(tǒng)計及建議值如表2。

表1 場區(qū)土層注水試驗成果

續(xù)表1

表2 副壩前各土層主要物理力學參數(shù)建議值

4 冒泡翻滾原因分析

根據(jù)現(xiàn)場注水試驗和室內(nèi)試驗成果， 副壩前黏性土層具弱透水性；Q4alp壤土層具中等透水性；Q3alp砂土層具弱～中等透水性，砂壤土層具弱～中等透水性，中部黏性土層具微～弱透水性，下部砂土層具中等透水性。 一般黏性土具微～弱透水性，副壩前黏性土具中等～弱透水性， 說明該黏性土層中存在較多的裂隙，貯存于黏性土裂隙中的空氣體積較多［2］。

經(jīng)現(xiàn)場查看及補充勘察認為，樁號5+000～5+500范圍壩前地形較為平緩，高程在116.50～117.00m，位置相對較高。 汛前庫水位多在112.50m以下，上部存在非飽和含氣地層。地層上部設置有黏土鋪蓋，結合壩體防滲墻和均質(zhì)壩的弱透水性， 在庫水位快速上升后， 氣體逸出受阻， 伴隨高水位地層水體侵入滲透，土體中的孔隙氣體被逐漸壓縮，形成氣泡，最終沖破外部土水壓力束縛，沿鋪蓋薄弱位置逐步逸出，形成 冒泡翻滾現(xiàn)象。 壩腳線附近的線性分布，應為鋪蓋的薄弱環(huán)節(jié)所致［3］。

左側(cè)其他壩段壩前地形低于112.00m高程，不具備含氣地層條件。右壩肩地形雖較高，其地層上下透水性差異較小，不致產(chǎn)生長時間地層氣體受阻條件，不易形成大面積冒泡翻滾現(xiàn)象。

5 結語

在2016 年7 月份降雨之前， 庫水位維持在112.5m附近， 低于副壩樁號5+000-5+500的壩前約200m范圍內(nèi)的鋪蓋表面高程， 使得該區(qū)域的壩前鋪蓋在7月份降雨之前存在大量含氣干土。 7月18—21日，黃壁莊水庫區(qū)域持續(xù)降雨，其中7月19—21日庫水位從112.76m升至121.18m，快速上漲了8.42m。 水位的快速上漲，使得大量氣體存留在鋪蓋中，由于水體滲入，氣體逐漸被水體壓縮。 隨著水體繼續(xù)滲入，鋪蓋內(nèi)氣體體積不斷縮小而壓強不斷增大。 當鋪蓋內(nèi)氣體壓強大于鋪蓋界面某處的壓強時， 氣團便會上升至水體表面，并從鋪蓋表面薄弱位置逸出，伴隨氣體逸出通道界面的形成， 壩前水面出現(xiàn)大量冒泡翻滾現(xiàn)象。在水體不斷入滲作用下，隨著鋪蓋中的氣體逐漸排盡，冒泡現(xiàn)象也逐漸減弱［4］。