天長山水庫大壩壩基滲透設計

曹晨華，劉佳亮

(牡丹江市水務科學研究院，黑龍江 牡丹江 157000)

1 工程概況

天長山水庫位于綏芬河市以北4.5 km處，主要攔截北大河及錄磊齊胖子溝來水，控制流域面積為23.3 km2。天長山水庫始建于1976年，至1988年完成配套工程并投入使用。工程任務是以供水為主兼顧防洪等綜合利用的小(1)型水庫。

2 壩基現狀

根據勘察、分析，天長山水庫壩基滲漏層(帶)主要有兩個:①建庫時沒有清除的平均厚度為2 m的第四系全新統沖積、洪積堆積含細粒土砂，為中等透水層;②壩基基巖上部強風化帶透水帶，平均厚度4.5 m左右，為中等透水。

根據地質勘察報告描述及現場調查測繪結果，壩前近壩趾處沒有明顯滲漏點(帶)，地面有少量積水和陰濕。

3 壩基滲透復核計算

根據滲漏層位分布及滲漏特性，對含細粒土砂地層和基巖強風化帶的滲漏量分別計算:

3.1 含細粒土砂地層滲漏量

3.1.1 采用的計算公式

(公式源于《中小型水利水電工程地質》P127)

式中:K為滲透系數，m/d;B為滲漏段長度，m;M為滲透層平均厚度，m;H為上下游水頭差，m;2b為防滲體寬度/m。

3.1.2 參數的選定

1)K采用《天長山水庫工程地質勘察報告》(初步設計)成果，取5.3 m/d。

2)H=509.35(興利水位)-494.00(下游水位)=15.35 m。

M取平均厚度取含細粒土砂:M=2.0 m。

2b取上游水平鋪蓋有效長度23.5 m+壩底寬(76.03)×1/2-心墻底寬(18.6)×1/2=52.2 m。

壩底寬、心墻寬取自1985年施工壩體設計剖面圖。

水平鋪蓋有效長度取用設計部門調查后數。(注:設計部門對上游水平鋪蓋質量情況進行調查，結果顯示，從鋪蓋端點到迎水坡壩腳實際有效長度為23.5m。)

經計算，壩基第四系松散地層滲漏量17.44×104m3/a。

3.2 安山玢巖強風化帶滲漏量

1)計算公式:同上。

2)參數的選定。

K:根據壓水試驗平均透水率，折算K為0.52 m/d。

H:同上，取15.35 m。

M:取強風化帶平均厚度為4.5 m。

2b:同上，取52.2 m。

B:三段分別為108 m、145 m、143 m。

安山巖強風化帶滲漏量9.19×104m3/a。

3.3 壩基總滲漏量

壩基含細粒土砂和強風化帶滲漏量總計26.6×104m3/a。

4 壩基滲透穩定評價

4.1 滲透變形類型的判別

鉆探中，取壩基土擾動樣(ZK03-5)一個，進行土工試驗分析。顆粒分析結果見圖1。

根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487—2008)，滲透變形類型的判別見表1。

表1 壩基粗粒土滲透變形類型分析表

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圖1 壩基粗粒土顆粒分析曲線圖

經驗類比分析取值，壩基土—含細粒土砂的孔隙率n=0.38。

綜上分析，壩基土含細粒土砂的滲透變形類型為管涌。

4.2 臨界水力比降計算

采用計算公式:

式中:jcr為土的臨界水力比降;d5為占總土重5%的土粒粒徑，mm;d20占總土重20%的土粒粒徑，mm;Gs為土的顆粒密度與水的密度之比;n為土的孔隙率，取砂類土的平均值0.38。計算結果見表2。

表2 壩基土臨界水力比降計算表

計算結果:臨界水力比降Jcr=0.27

4.3 允許比降的確定

根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487—2008)，本次取安全系數1.8，并參考“無黏性土允許水力比降經驗值表M”，確定允許水力比降取值。建議允許水力比降為J允許=0.15。

4.4 滲流穩定計算

1)設計洪水位510.78 m滲透比降計算;壩基滲透比降:i=H/B=0.155 ＞ [i] =0.15

2)校核洪水位511.62 m滲透比降計算;壩基滲透比降:i=H/B=0.164 ＞ [i] =0.15

在設計水位510.78 m、校核洪水位511.62 m時，壩基滲透不穩定。

結論:壩體為黏土心墻壩，水庫在設計洪水位及校核洪水位運行時，壩基滲透不穩定。

5 鋪蓋延長設計

針對天長山水庫的具體情況，本次設計中采取整體延長壩前鋪蓋長度的方式處理壩基滲透。

5.1 鋪蓋的計算

5.1.1 需要增加的鋪蓋長度計算

鋪蓋的長度設計主要參考壩工叢書《土壩設計》(水利電力出版社)上冊第四章第四節，有關在透水地基上有鋪蓋的土壩滲流的水力學解法中有鋪蓋及心墻的土壩的論述內容。

有鋪蓋及心墻的土壩斷面采用0+358斷面。

整體滲流采用公式∶

根據地質報告成果可知:

經計算現有鋪蓋長度Ln現有=51.95 m，需增加鋪蓋長度Ln-Ln現有=10.89 m，本次設計，應增加新鋪蓋長度取15 m。

5.1.2 增加鋪蓋長度后的滲透驗算

設計增加15 m鋪蓋后，鋪蓋形式為組合鋪蓋，設計厚度為1 m(凍土塊基本沉實后的厚度)。

已知條件:

由Xr= [(H1-hT)/(i0)允許]-Ls=68.93m，得出hT=2.23 m。

由有效滲徑與水頭損失三角形計算圖3可得，與原有鋪蓋接頭處，鋪蓋的上下游水頭差△h=2.6 m。

5.1.3 鋪蓋的厚度計算

鋪蓋的厚度設計主要參考壩工叢書《土壩設計》(水利電力出版社)下冊第七章第四節中有關鋪蓋的論述內容和《黏土鋪蓋》(水利電力出版社)第6頁表1-4中水中凍土塊以融實的建議i=3。

式中:△H為鋪蓋計算斷面上下游水頭差，△H=2.6 m;i為鋪蓋材料的允許水力坡降，i=3。

故ζ≥2.6/3=0.9，則ζ取1.0 m，滿足設計要求。

因為粉質黏土凍土塊鋪蓋需預加沉陷量，依據書中龍鳳山水庫的實測資料(堆筑厚4.65 m，6個月后基本沉實，厚度變為3.15 m)，鋪蓋的最終厚度ζ=1×(4.65/3.15)=1.47，ζ取為1.5 m。即樁號0+121至樁號0+400之間，鋪蓋的厚度為1.5 m。

輸水洞位于樁號0+164處，由于天長山水庫擔負著為綏芬河市供水的職能，為確保水質，所以在樁號0+155～0+175，鋪蓋的厚度需降低。

輸水洞底高程為499.6 m。

輸水洞鋪蓋的厚度ζ=499.0-498.23=0.77 m，

此段鋪蓋的最終厚度ζ=0.77×(4.65/3.15)=1.14 m。

5.2 鋪蓋材料性質

本次設計中，鋪蓋材料采用黏粒含量為24.8% ～46%、塑性指數為14.6～28.0的黏土凍土塊。

5.3 鋪蓋范圍

圖2 土壩原斷面圖

圖3 除險設計后土壩斷面圖

本次設計中，為了工程安全考慮，擴大鋪蓋延長的范圍，新增鋪蓋范圍為自樁號0+045～0+497，全長452 m。

5.4 鋪蓋的施工方法

由于天長山水庫承擔為綏芬河市供水的任務，不能將水庫放空進行施工，因此鋪蓋的施工采用冬季冰上施工的方法，將黏土凍土塊運至壩前設計鋪蓋位置按要求鋪設好，待次年春暖開庫后，自然沉降形成。

6 結論

本文通過工程實例來計算小型水庫除險加固設計中壩基滲透穩定處理的方法。我省小型水庫大多存在壩基滲漏問題，設計中大都采用壩體灌漿、混凝土截滲墻、下游壩腳加蓋重等方法。但上述方法存在施工復雜、造價高、治標不治本等情況。延長壩前鋪蓋可從根本上解決上述問題，對于同類型小型水庫有積極的借鑒意義。

[1] 牡丹江市水務局.綏芬河市天長山水庫大壩安全鑒定報告書[R].牡丹江:牡丹江市水務局，2008.

[2] 牡丹江市水利勘測設計研究院.綏芬河市天長山水庫大壩安全分析評價報告[R].牡丹江:牡丹江市水利勘測設計研究院，2009.

[3] 牡丹江市水利勘測設計研究院.綏芬河市天長山水庫除險加固工程初步設計報告[R].牡丹江:牡丹江市水利勘測設計研究院，2011.

[4] 徐尚壁.黏土鋪蓋[M].北京:水利電力出版社，1988.