希尼爾水庫壩基滲透穩(wěn)定校核分析

2015-06-05 14:56:13徐繼紅

水電站設(shè)計 2015年2期

徐繼紅

（新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆庫爾勒 841000）

徐繼紅

（新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆庫爾勒 841000）

滲透破壞是平原區(qū)水庫大壩發(fā)生破壞的主要形式，滲透穩(wěn)定問題是平原水庫存在的主要問題。本文以新疆希尼爾水庫為例，對水庫壩基滲透穩(wěn)定問題進行校核分析，并提出了相應(yīng)處理措施，以期為平原水庫運行管理和除險加固設(shè)計提供參考。

壩基；滲流；滲透穩(wěn)定；安全；臨界水力坡降

0 前言

滲透破壞是平原區(qū)水庫大壩發(fā)生破壞的主要形式，滲透穩(wěn)定問題既是平原區(qū)水庫存在的主要問題之一，又是大壩穩(wěn)定評價的一個重要方面。從工程建設(shè)的實踐出發(fā)，對水庫滲透穩(wěn)定的研究論證，應(yīng)結(jié)合水利工程勘測設(shè)計和建設(shè)的不同階段，由淺入深，提出不同的要求。水庫滲透穩(wěn)定性評價，應(yīng)該由前期定性的意見，即確定滲透破壞形式（管涌、流土或過渡型），逐步深化至采用定量的表達形式，科學(xué)的提出允許比降，便于設(shè)計和運行管理人員在實際工作中使用。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以新疆希尼爾水庫為例，結(jié)合水庫近年來的實際運行情況，對水庫壩基滲透穩(wěn)定進行分析，得到了一些有價值的結(jié)論，以期為平原水庫運行管理和除險加固設(shè)計提供參考。

1 工程概況

希尼爾水庫位于新疆庫爾勒市西尼爾鎮(zhèn)境內(nèi)，是世界銀行貸款項目塔里木盆地灌溉與環(huán)保（二期）工程子項目之一，同時也是塔里木河近期綜合治理工程中開－孔河流域維護塔里木河生態(tài)向下游輸水的重要調(diào)蓄工程，地理坐標(biāo)介于86°13′～86°18′E，41°33′～41°38′N之間。水庫從孔雀河第一分水樞紐引水，經(jīng)庫塔干渠總干渠輸水，為注入式中型平原水庫。水庫設(shè)計庫容為0.98×108m3，相應(yīng)設(shè)計水位913.6 m，水面面積16.74 km2，壩頂高程916.5 m；死庫容0.1×108m3，死水位905.8 m。

希尼爾水庫工程包括：主壩、副壩、引水閘、引水渠、放水閘、分水閘、放水渠及附屬設(shè)施等。壩體為砂礫石均質(zhì)壩，壩頂寬6 m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2；壩體防滲采取斜鋪復(fù)合膜（兩布一膜）結(jié)構(gòu)，其中膜厚0.75 mm，無紡布規(guī)格為200 g／m2；壩基防滲，根據(jù)地質(zhì)、水文情況的不同，分別采取PE塑膜、塑性混凝土防滲墻、水泥土防滲墻三種不同形式的防滲方式。大壩上游護坡設(shè)計為混凝土板（C30F300W 8）護坡，板厚15～22 cm。設(shè)計壩頂長7.65 km，最大壩高20 m，壩基最大防滲深度15.5 m。工程于2000年5月正式開工建設(shè)，2003年3月通過蓄水階段驗收開始蓄水，2008年10月通過竣工驗收。

2 壩基地質(zhì)條件

2.1 主壩地質(zhì)條件

主壩段（2＋436～7＋100）地形平坦開闊，主要為第三系小臺地和第四系洼地組成。第三系小臺地位于主壩2＋436～3＋300和3＋700～4＋100之間，地形有些起伏，地表20 cm厚為第四系洪積及殘積砂礫石層，其下為第三系砂巖，砂礫巖及泥巖，強風(fēng)化層厚4～8 m，地下11 m以上的砂巖透水率為9.26～16.93 Lu，屬中等透水地層。在4.5～5.5 m和11～16 m之間有兩層泥巖不連續(xù)分布，屬弱透水地層。第四系洼地有兩段，分別位于3＋300～3＋700和4＋100～7＋100之間，地形平坦開闊，兩洼地上部多為第四系沖洪積亞砂土夾亞粘土，局部為風(fēng)積砂，厚1.3～4.2 m，結(jié)構(gòu)疏松，其下均為第三系砂巖泥巖互層，該段強風(fēng)化層厚5～8 m，在西側(cè)洼地3＋550～3＋650和東側(cè)洼地5＋400～6＋050之間16 m以上無泥巖分布，透水性較強，其它壩段在埋深5～15 m之間均有不同層厚的泥巖，粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)粉砂巖分布，較密實，可作為相對隔水層。

主壩段地下水位較高，特別是在第四系洼地壩段，地下水位埋深一般在0.7～1.7 m之間，局部溢出地表。另外，在14 m深度以下有承壓水分布，特別是19 m以下承壓水具有一定的水頭和壓力，防滲時不要破壞其隔水頂板，以免承壓水出露破壞壩基穩(wěn)定。

2.2 副壩地質(zhì)條件

（1）西副壩地質(zhì)條件（7＋100～7＋650）。西副壩主要為第三系地層構(gòu)成的臺地。上部有0.5～2.0 m厚的第四系洪積砂礫石，其下為第三系含礫中粗砂巖，中細砂巖，局部夾泥巖。強風(fēng)化層厚4～6 m，5 m以上屬強透水帶，5～20 m屬中等透水帶，無理想隔水底板。地下水埋深8.6～13.5 m，由北向南水位逐漸降低，無承壓性質(zhì)，屬第三系地層潛水。

（2）東副壩地質(zhì)條件（0＋000～2＋436）。東副壩位于第三系地層平臺上，地形平坦開闊，無任何植被。表部有0.4 m左右厚的砂礫石，其下均為第三系泥巖夾砂巖，強風(fēng)化層厚4～5 m，在地面1～3 m深度以下分布一層厚度較大（約3 m）且連續(xù)較好的第三系泥巖層，透水性微弱或不透水，可作為相對不透水層。

該壩段地下水位埋深較大，一般都大于10 m。

2.3 水庫滲透破壞現(xiàn)狀

水庫在運行過程中，主要存在如下滲透破壞現(xiàn)象：

（1）高壩段及壩后臨空面較深處，壩后有流土現(xiàn)象，壩后地下水出露形成積水洼地，局部積水洼地中有上升泉，隨庫水位變化，泉眼處有析出物及砂沸現(xiàn)象。

（2）壩后庫外截排中有多處上升泉，泉眼處有析出物及砂沸現(xiàn)象。

3 壩基滲透穩(wěn)定分析

3.1 滲透破壞發(fā)生機制

土體的滲透穩(wěn)定性決定于滲透水流對土體的作用力與土體的阻抗力之間的變化過程。滲流對土體的作用力大小取決于滲流場的水力坡降，即滲透比降，它是引起滲透破壞的主動力。土體對滲透水流的阻抗能力即抗?jié)B強度，用抗?jié)B比降表征，它是引起滲透破壞的決定因素，其大小決定于土的顆粒組成及結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)滲透比降大于土體的抗?jié)B比降時，土體將發(fā)生滲透破壞。可見，滲透破壞是一個變化發(fā)展的過程，其產(chǎn)生和發(fā)展取決于水動力條件和土的顆粒組成及結(jié)構(gòu)特征［1、2］。

3.2 滲透破壞類型判別

土的顆粒組成不同，可能產(chǎn)生滲透破壞的類型及所需的滲透比降也會不同。細粒成分含量小，滲透破壞類型多表現(xiàn)為管涌；細粒成分含量高，滲透破壞類型多表現(xiàn)為流土。只有較多的粗顆粒構(gòu)成骨架，形成較大的孔隙，才易于產(chǎn)生滲透破壞。但當(dāng)細粒含量較多時，粗顆粒不能構(gòu)成骨架，孔隙大小取決于細顆粒，不易產(chǎn)生滲透破壞，而且土的抗?jié)B比降隨細粒含量的增加而增大。土中粘粒含量將會增加土的內(nèi)聚力，從而增加土的滲透強度。固結(jié)密實的土不僅孔隙率降低，而且粒間的嵌合力有所加強，所以抗?jié)B比降顯著高于顆粒成分相近但未經(jīng)固結(jié)壓密的土。滲透破壞類型的判別按土的顆粒組成進行，首先將土區(qū)分為粘性土和無粘性土，無粘性土又依據(jù)不均勻系數(shù)分為均勻土和不均勻土，不均勻土又細分為級配不連續(xù)型和級配連續(xù)型兩個亞類。對于粘性土和均勻土的滲透破壞類型判別只有流土一種型式。對于不均勻系數(shù)大于5的不均勻土的滲透破壞類型的判別主要依據(jù)是土中細料的含量。其理論依據(jù)是當(dāng)細料含量小于某一值時，由于填不滿粗料孔隙，而處于不受制約的狀態(tài)，細料很容易被滲流帶走，滲透破壞形式為管涌。當(dāng)細料填滿粗料孔隙時，粗細料成為一個整體，因而在滲流作用下以整體形式破壞，滲透破壞形式為流土。

對不連續(xù)級配的土，級配曲線中至少有一個以上的粒徑級的顆粒含量小于或等于3%的平緩段，粗細粒徑的區(qū)分粒徑d，以平緩段粒徑的最小粒徑區(qū)分，相應(yīng)于此粒徑的含量為細粒含量。對連續(xù)級配的土，區(qū)分粗粒和細粒粒徑的界限粒徑：

式中 df——為區(qū)分粗細粒的界限粒徑，mm；

d70——為小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑，mm；

d10——為小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑，mm。

根據(jù)《希尼爾水庫工程地質(zhì)報告》（以下簡稱《地質(zhì)報告》）中提出的壩基巖土顆粒分析成果：d70為小于0.6 mm的顆粒粒徑；d10為小于0.15 mm的顆粒粒徑；則以df為0.3 mm的顆粒粒徑作為區(qū)分粗細粒的界限粒徑，細粒含量Pc（小于0.3 mm）顆粒粒徑占總土重的24%。

對不均勻系數(shù)大于5的不均勻土一般采用細粒含量（Pc）進行滲透破壞類型的判別：Pc≥35%時，滲透破壞形式為流土；25%≤Pc≤35%時，滲透破壞形式為流土和管涌的過渡型；Pc＜25%時，滲透破壞形式為管涌。由于Pc＜1／（4×n）×100＝38.27%，故水庫壩基應(yīng)發(fā)生管涌型滲透破壞而不是流砂（土）型滲透破壞。

產(chǎn)生管涌型或過流型破壞宜采用下式計算臨界水力坡度：

式中 d5、d20——為分別占總土量的5%和20%的土粒粒徑（mm）；

ds——為2.63。通過《希尼爾水庫工程地質(zhì)報告》中的壩基巖土顆粒分析成果：d5取0.12 mm；d20取0.28 mm，得出Ic＝0.66，安全系數(shù)取3，計算得出允許水力坡降值I允＝0.22。《地質(zhì)報告》中提出的第三系砂巖的平均不均勻系數(shù)Cu為2.59，根據(jù)無粘性土產(chǎn)生滲流破壞的允許水力坡度經(jīng)驗值（見表1［3］），可以看出本文計算值和經(jīng)驗取值基本相近。

3.3 壩基滲透破壞分析

根據(jù)水庫壩基測壓管最高水位來計算各段壩基的水力坡度（見表2）：