莊頭水庫(kù)樞紐工程蓄水安全鑒定分析與評(píng)價(jià)

周慧蓉

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

1 工程概況

樞紐工程位于海河流域濁漳南源支流石子河上游，大壩壩址位于壺關(guān)縣晉莊鎮(zhèn)莊頭村南，壩址以上控制流域面積119.1 km2。樞紐工程由大壩、溢洪道和輸水洞三部分組成，總庫(kù)容1 675萬(wàn)m3，是一座以防洪為主，兼顧灌溉和供水等綜合利用的中型水庫(kù)。

壩型為碾壓式均質(zhì)土壩，其壩頂高程1 092.4 m，最大壩高為43.4 m，壩長(zhǎng)300 m，壩頂寬 6.5 m。

溢洪道為河岸開(kāi)敞式，梯形斷面，為一土質(zhì)泄槽，溢洪道長(zhǎng)210 m。原設(shè)計(jì)最大泄量779 m3/s。自進(jìn)口向下游60 m處建有高11 m，寬4 m的鋼筋混凝土4孔橋。

輸水隧洞為漿砌石結(jié)構(gòu)，進(jìn)口設(shè)臥管，共18級(jí)(2排36孔)，孔徑0.8 m，單孔泄量0.8 m3/s，由于操作不便，止水不良，漏水嚴(yán)重，于1980年將右排的各級(jí)下降0.5 m，進(jìn)水孔直徑改為0.5 m，設(shè)0.8 m×0.8 m的鑄鐵蓋板。原左排直徑0.8 m的孔用蓋板封閉。

壩下輸水洞進(jìn)口高程1 061.5 m，出口高程1 059.3 m，長(zhǎng)197 m，縱坡1.33%，斷面為半圓拱形，拱高0.7 m，底部高×寬=2.2 m×1.2 m，最大泄量 3 m3/s。

2 壩體質(zhì)量

2.1 壩體土物理力學(xué)指標(biāo)

壩體土用料為大壩右岸的低液限粘土。勘察中試驗(yàn)樣品采用了探井取樣和鉆孔取樣的方法。從勘探和試驗(yàn)結(jié)果看，大壩土體可分為兩層，下部一層(Qs1)土質(zhì)比較均勻，不含雜質(zhì)，上部土(Qs2)中含有碎石等雜質(zhì)。

壩體含碎石土(Qs2)的粒度成分為:大于20 mm含量7.7%～61.6%，平均 42.1%;20 mm ～ 2 mm 含量 7.2% ～ 36.2%，平均16.8%;2 mm ～0.5 mm 含量2.8%～7.2%，平均4.6%;0.5 mm ～0.25 mm 含量 0.9%～4.5%，平均 2.2%;0.25 mm ～0.075 mm 含量1.5% ～ 5.7%，平均 2.7%;小于 0.075 mm 含量 22.6% ～44.3%，平均 31.6%;不均勻系數(shù) Cu=51.4，曲率系數(shù) Cc=3.21，見(jiàn)表1。標(biāo)貫擊數(shù)修正值5.0～8.4，平均6.6，屬于稍密狀態(tài)，均勻性差。

據(jù)土工試驗(yàn)資料，壩體土(Qs1)的粒度成分為:砂粒含量0.2%～1.1%，平均值0.6%，粉粒含量 55.4% ～ 64.6%，平均值61.6%，粘粒含量34.8%～44.4%，平均值37.8%。壩體土干密度 1.32 g/cm3～1.76 g/cm3，平均值 1.55 g/cm3。

壩體土干密度大于1.60 g/cm3的，占29.2%，干密度1.60 g/cm3～1.50 g/cm3的，占29.2%，干密度1.50 g/cm3～1.40 g/cm3的，占20.8%，干密度小于1.40 g/cm3的，占20.8%。標(biāo)貫擊數(shù)修正值3.1 ～17.9，平均10.8，稍密，均勻性較差。

根據(jù)試驗(yàn)資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析提出壩體土的物理力學(xué)指標(biāo)為:含水率17.9%～30.0%，平均值為 21.8%;比重 2.70;天然密度1.63 g/cm3～2.05 g/cm3，平均值為1.87 g/cm3;干密度1.32 g/cm3～1.67 g/cm3，平均值 1.52 g/cm3;飽和密度 1.98 g/cm3，孔隙比0.549 ～1.059，平均值為0.771;壓縮系數(shù) 0.09 MPa－1～0.565 MPa－1，平均值為0.22 MPa－1，具中等壓縮性;壓縮模量3.5 MPa ～18.1 MPa，平均值為9.91 MPa;壩體土抗剪強(qiáng)度建議值:有效應(yīng)力強(qiáng)度凝聚力 c′=18.6 kPa，內(nèi)摩擦角 φ′=21.2°。滲透系數(shù)1.00 ×10－5cm/s～2.40 ×10－5cm/s，建議值為2.40 ×10－5cm/s。

表1 壩體含碎石土層(Qs2)顆分統(tǒng)計(jì)表

2.2 壩體土滲透變形判別

經(jīng)進(jìn)行滲透變形判別，結(jié)果壩體土滲透變形類(lèi)型為流土，臨界水力比降1.004，除以安全系數(shù)2.0，得到允許水力比降為0.50。

2.3 壩體土濕陷性

勘察中對(duì)壩體土進(jìn)行了濕陷試驗(yàn)，按照GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范，自重濕陷量Δzs(cm)和總濕陷量Δs(cm)分別按式(1)，式(2)計(jì)算:

其中，δzsi為第i層土的自重濕陷系數(shù);δsi為第i層土的濕陷系數(shù);hi為第i層土的厚度，mm;β0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)，本區(qū)取0.50;β為土的受水浸濕可能性和側(cè)向擠出等因素的修正系數(shù)，0 m～5 m深度內(nèi)取值1.5;5 m～10 m深度取值1.0。

經(jīng)計(jì)算評(píng)價(jià)，壩體土局部具濕陷性，濕陷下限深度為6.0 m，壩體土總濕陷量52.5 mm～130.5 mm，自重濕陷量為0 mm～14.5 mm。濕陷起始?jí)毫?1 kPa～160 kPa，濕陷類(lèi)型為非自重濕陷，濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)(輕微)。壩頂和壩坡面不甚平整，可造成積水，建議進(jìn)行整平夯實(shí)，消除壩面積水條件，建議對(duì)壩坡進(jìn)行護(hù)坡及排水處理。

3 溢洪道

溢洪道位于大壩左岸50 m處，為一河岸開(kāi)敞式土泄槽，梯形斷面，進(jìn)口底高程1 081.4 m，寬17 m，全長(zhǎng)210 m。僅進(jìn)口60 m長(zhǎng)兩側(cè)墻采用漿砌石襯砌，但已多處風(fēng)化脫落。溢洪道原設(shè)計(jì)最大泄量779 m3/s。自進(jìn)口向下游60 m處建有高11 m，寬4 m的鋼筋混凝土4孔橋。

溢洪道中上部地段(交通橋地段)為開(kāi)挖基巖形成，槽底與槽壁下部巖性為奧陶系中統(tǒng)峰峰組白云質(zhì)灰?guī)r，上部為土壁，該段長(zhǎng)度約為70 m。其上下游地段均為土質(zhì)槽壁與槽底。溢洪道土體為第四系中更新統(tǒng)洪積低液限粘土。土的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

含水率 13.4%～15.3% ，平均值為 14.4%;比重 2.72;天然密度1.88 g/cm3～ 2.08 g/cm3，平均值為 2.01 g/cm3;干密度1.65 g/cm3～1.80 g/cm3，平均值 1.76 g/cm3;孔隙比 0.508 ～0.652，平均值為 0.550;壓縮系數(shù) 0.06 MPa－1～0.09 MPa－1，平均值為 0.073 MPa－1，土具低壓縮性。

溢洪道地形較平緩，地基與邊坡的巖土工程性質(zhì)良好，無(wú)不良地質(zhì)作用，故溢洪道地質(zhì)條件較好。為抵御洪水的沖刷，溢洪道需進(jìn)行襯砌防護(hù)，原漿砌石襯砌已破損部分需拆除重新襯砌。

表2 溢洪道土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

4 輸水涵洞

輸水涵洞置于大壩左端的巖基上，為漿砌石結(jié)構(gòu)，進(jìn)口設(shè)臥管，共18 級(jí)(分2 排共36 孔)，孔徑0.8 m，單孔泄量0.8 m3/s，由于止水不良，漏水嚴(yán)重，于1980年將右排的各級(jí)下降0.5 m，進(jìn)水孔直徑改為0.5 m，設(shè)0.8 m×0.8 m的鑄鐵蓋板。原左排直徑0.8 m的孔用蓋板封閉。

輸水涵洞進(jìn)口高程1 061.5 m，出口高程1 059.3 m，長(zhǎng)197 m，縱坡1.33%，斷面為半圓拱形，拱高0.7 m，底部高×寬=2.2 m×1.2 m，最大泄量3 m3/s。輸水涵洞地基巖土工程性質(zhì)較好，但是漿砌石結(jié)構(gòu)隔水能較差，且又年久失修，產(chǎn)生裂縫和風(fēng)化脫落等破損，這樣在水流下泄時(shí)可能對(duì)壩體土與涵洞漿砌石之間發(fā)生界面接觸沖刷破壞。建議對(duì)涵洞進(jìn)行防滲加固處理。

5 結(jié)論及建議

1)左壩肩分布卵石混合土，之下為強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r，均屬?gòu)?qiáng)透水層，故左壩肩易產(chǎn)生滲漏問(wèn)題。

2)壩基地層主要為第四系中更新統(tǒng)淺紅色低液限粘土，靠近左側(cè)有1.4 m厚的砂礫石層。建庫(kù)時(shí)在壩軸線(xiàn)上游60 m處筑有粘土截水槽(但未伸入相對(duì)不透水層)。截水槽對(duì)卵石混合土層起了一定的隔水作用，但壩基防滲做的不徹底。水庫(kù)淤積厚度約13.7 m，對(duì)壩基滲漏條件起到了一定的改善作用。

3)右壩肩為第四系中更新統(tǒng)低液限粘土，土層工程性質(zhì)較好，滲透性微弱。筑壩時(shí)壩肩岸坡做了清坡處理，并做了結(jié)合槽。右壩肩工程地質(zhì)條件良好。

4)壩體土局部具濕陷性，濕陷下限深度為6.0 m，濕陷類(lèi)型為非自重濕陷，濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)(輕微)。建議進(jìn)行壩面整平夯實(shí)，消除壩面積水條件，對(duì)壩坡進(jìn)行護(hù)坡及排水處理。

5)壩體土滲透變形類(lèi)型為流土，允許水力比降為0.50。壩體土抗剪強(qiáng)度建議值:有效應(yīng)力強(qiáng)度凝聚力c′=18.6 kPa，內(nèi)摩擦角φ′=21.2°。滲透系數(shù)建議值為 2.40 ×10－5cm/s。

6)溢洪道地基與邊坡的巖土工程性質(zhì)良好，無(wú)不良地質(zhì)作用，地質(zhì)條件較好。溢洪道需進(jìn)行襯砌防護(hù)，原漿砌石襯砌破損部分需拆除重新襯砌。

7)輸水涵洞地基巖土工程性質(zhì)較好，但是漿砌石結(jié)構(gòu)其力學(xué)強(qiáng)度低，防滲性能差，又年久失修，產(chǎn)生裂縫和風(fēng)化脫落等破損。建議對(duì)涵洞進(jìn)行防滲加固處理。