衛星水庫大壩滲流安全評價

魏光輝

（新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

衛星水庫大壩滲流安全評價

魏光輝

（新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

根據衛星水庫實際情況，通過滲流資料分析和滲流有限元計算，全面評價了衛星水庫大壩的滲流安全狀況。結果表明：壩體土料滲透系數在9.77×10－3～4.28×10－5cm／s之間，不滿足規范要求；壩基清除不徹底，造成壩體與壩基間接觸滲漏；當庫水位達到1 124.90 m時，壩后出逸段及部分壩段下游壩基有發生管涌破壞的危險。大壩滲流安全評價為C級，建議采取相應加固處理措施，并完善滲流監測設施。

衛星水庫；滲流；大壩填筑；安全評價

1 工程概況

衛星水庫位于新疆巴楚縣紅海鄉西北，東與紅海水庫相連，南接阿吉根洼地，北靠喀什噶爾河故道。水庫距巴楚縣城約18 km，地理位置介于78° 18′50″～78°23′00″E、39°43′04″～39°45′58″N之間。衛星水庫為引水注入式平原水庫，海拔1 121～1 127 m，設計主壩長9.30 km，副壩長1.80 km，最大壩高4.5 m，設計總庫容2 500萬m3，屬中型水庫，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級［1］。水庫主要建筑物由均質土壩、進水閘、放水涵洞、引水渠、放水渠組成，水庫調節灌溉面積2萬hm2。

2 滲流安全評價目的與內容

2.1 評價目的

滲流安全評價的目的是復核當前實際滲流狀態能否保證大壩按設計條件安全運行。

2.2 評價內容

（1）復核工程防滲體與反濾排水設施是否完善，設計、施工是否滿足現行有關規范要求。

（2）檢查工程運行中發生過何種滲流異常現象，判斷是否影響工程安全。

（3）分析工程現狀條件下各防滲和反濾排水設施的工作性態，并預測在未來高水位運行時的滲流安全性。

（4）對存在問題的大壩分析其原因和可能產生的危害。

3 滲流分析計算

滲流計算采用參數由室內試驗資料確定，壩體填料物理力學指標見表1。

3.1 水庫滲漏情況

衛星水庫庫區滲漏主要由庫盤滲漏、壩體側向滲漏和壩基側向滲漏三部分組成，從庫區的基本情況來看，水庫地形低平，蓄水面積大，水頭小，滲漏的主要途徑為壩基滲漏。

從庫區的整體地層情況可知，壩體填土滲透系數為1.36×10－3cm／s。壩基粉土層的滲透系數為6.44×10－4cm／s，粉砂層的滲透系數為1.61×10－3cm／s，粉質粘土層的滲透系數為5.28×10－5cm／s，細砂層的滲透系數為5.50×10－3cm／s，中砂層的滲透系數為9.45×10－3cm／s。除粉質粘土為弱透水層外，其余均為中等透水層。通過計算，水庫大壩單寬滲流量為1.44 m3／d，壩長取11.1 km，根據水庫實際蓄放水過程線和水庫水位，計算得水庫滲漏量約為525.05萬m3／a。

3.2 水庫大壩填筑情況

衛星水庫建于1970年，由于當時的歷史原因，該工程屬“三邊”工程，設計、施工、竣工資料早已遺失。工程施工期間，主要是由當地農民進行施工。大壩填筑土料直接從水庫周邊挖取，土質主要為當地的粉砂、粉土、粉質粘土，不能完全滿足規范的要求，限于當時條件，壩體碾壓無壓實機械，僅靠來往行人車輛對壩體碾壓，施工質量無法控制。

根據衛星水庫大壩填筑材料取樣的顆粒組成分析（見表2），壩體填筑材料主要由粉砂、粉土、粉質粘土構成。

表1 壩體填料物理力學指標

表2 衛星水庫大壩壩體填料顆粒分析

根據（SL274－2001）《碾壓式土石壩設計規范》，壩體土料壓實標準應以0.96的壓實度和0.70的相對密度控制。衛星水庫壩體土料擊實試驗最大干密度為：主壩1.57～1.83 g／cm3，副壩1.68～1.8 g／cm3。通過現場鉆孔、探坑取樣進行試驗，得出壩體現狀干密度，并計算出土料的控制干密度，作為壩體填筑控制指標，結果見表3。

由表3可知，主、副壩壩體填筑干密度抽樣合格率均為0%，說明壩體填筑質量不合格。

表3 壩體現狀干密度與控制干密度統計

3.3 壩體、壩基滲流計算

3.3.1 計算斷面的確定

水庫主壩右2＋000、右2＋600、右3＋900、左0＋200、左3＋800斷面壩后均有較嚴重的滲水現象，且室內試驗也反映這5處斷面滲透系數較大，因此選取這5處斷面進行滲流分析。

3.3.2 滲流分析計算

計算采用理正巖土計算3.52版程序，該程序利用有限元法求解滲流場的拉普拉斯方程。

P——為水壓力；

KX、KY——分別為x、y方向的滲透系數。

（1）計算工況

上游庫水位：1 124.90 m，下游水位：1 122.30～1 123.50 m。

（2）計算方法

大壩在設計水位和現狀水位兩種情況下的出逸比降比較見表4。

表4 壩體壩基滲流計算成果

3.4 滲透穩定分析計算

壩體、壩基土滲透變形應首先判別土的滲透變形類型，然后確定其臨界水力坡降，最后確定土的允許水力比降。

3.4.1 粉砂層

3.4.1.1 土的滲透變形類型的判別

根據壩體、壩基所揭露的土層，現以細顆粒含量Pc值分析判斷滲透變形類型是管涌型還是流土型，判別式如下：

式中 Pc——為土的細粒顆粒含量，以質量百分率計；

n——為土的孔隙率。

土的細粒含量可按下列方法確定：不連續級配的土，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，粗細粒的區分粒徑df以平緩段粒徑級的最大和最小粒徑的平均粒徑區分，或以最小粒徑為區分粒徑，相應于此粒徑的含量為細粒含量。現分別計算各種土層的滲透變形形式及允許水力比降。

式中 df——為粗細粒的區分粒徑，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。

由表2得3組指標：（1）d70＝0.205 mm，d10＝0.009 8 mm；（2）d70＝0.213 mm，d10＝0.011 4 mm；（3）d70＝0.185 mm，d10＝0.009 2 mm。所對應的df1＝0.045 mm，df2＝0.049 mm，df3＝0.041 mm。

可得Pc1＝32.3%，Pc2＝24.8%，Pc3＝29.1%。

經計算得平均值：Pc＝28.7%。

粉砂的孔隙率n＝47.53%，

故主壩壩基土層的滲透破壞形式為管涌型。

3.4.1.2 臨界水力比降和允許水力比降的確定

管涌型的臨界水力比降按下式進行計算：

式中 Jcr——為土的臨界水力比降；

Gs——為土粒比重，取2.65；

d5、d20——分別為占總土重5%和20%的土粒粒徑，mm。

由表2得平均值：d5＝0.006 4 mm，d20＝0.030 6 mm。

計算得Jcr＝0.21，安全系數取2，得J允＝0.105。

3.4.2 粉土層

3.4.2.1 土的滲透變形類型判別

由表2得2組指標：（1）d70＝0.068 mm，d10＝0.006 6 mm；（2）d70＝0.049 mm，d10＝0.005 6 mm。

根據式（2）得到對應的df1＝0.021 mm，df2＝0.017 mm

可得Pc1＝38.2%，Pc2＝38.9%。

經計算得平均值：Pc＝38.6%。

粉砂的孔隙率n＝49.07%，

故主壩壩基土層的滲透破壞形式為管涌型。

3.4.2.2 臨界水力比降和允許水力比降的確定

管涌型的臨界水力比降按式（3）進行計算，由表2得平均值：d5＝0.004 5 mm、d20＝0.009 3 mm。

計算得Jcr＝0.467，安全系數取2，則J允＝Jcr／2＝0.234。

3.4.3 粉質粘土層

3.4.3.1 土的滲透變形類型的判別

由表2得2組指標：（1）d70＝0.002 5 mm，d10＝0.034 mm；（2）d70＝0.002 2 mm，d10＝0.038 mm。

根據式（2）得到對應的df1＝0.009 2 mm，df2＝0.009 1 mm。

可得：Pc1＝36.2%，Pc2＝36.5%。

經計算得平均值：Pc＝36.4%。

粉砂的孔隙率n＝44.12%，

所以壩基粉質粘土層的滲透破壞形式為管涌型。

3.4.3.2 臨界水力比降和允許水力比降的確定

管涌型的臨界水力比降按式（3）進行計算，由表2得平均值：d5＝0.001 55 mm，d20＝0.004 3 mm。

計算得Jcr＝0.426，安全系數取2，則J允＝0.213。

3.4.4 細砂層

3.4.4.1 土的滲透變形類型的判別。

由表2得3組指標：（1）d70＝0.219 mm，d10＝0.035 mm；（2）d70＝0.319 mm，d10＝0.035 mm；（3）d70＝0.232 mm，d10＝0.043 mm。

根據式（2）得到對應的df1＝0.088 mm，df2＝0.107 mm，df3＝0.100 mm。

可得：Pc1＝17.8%，Pc2＝20.5%，Pc3＝20.0%。

經計算得平均值：Pc＝19.43%。

粉砂的孔隙率n＝45.28%，

故壩基細砂層的滲透破壞形式為管涌型。

3.4.4.2 臨界水力比降和允許水力比降的確定

管涌型的臨界水力比降按式（3）進行計算，由表2得平均值：d5＝0.010 6 mm、d20＝0.090 3 mm。

計算得Jcr＝0.128，安全系數取2，則J允＝Jcr／2＝0.064。

壩坡出逸段和下游壩基表面在設計水位和現狀水位兩種情況下的最大出逸比降均可通過計算確定。計算依據有限元分析法求解滲流場的拉普拉斯方程，計算成果見表5。

表5 壩體壩基滲透穩定計算成果

由表5可知，在水庫正常蓄水位時，下游壩坡出逸段水力坡降均大于允許坡降，下游壩基在右3＋900斷面處也存在管涌的危險。水庫在現狀蓄水位時，仍有部分壩體的下游出逸段水力坡降大于允許坡降。因此判斷壩體、壩基均存在滲透破壞的危險。

4 結 論

根據衛星水庫現場檢查及分析計算，水庫壩體、壩基滲流安全存在如下問題：

（1）筑壩材料不合格，主要為粉砂、粉土、粉質粘土構成，壩體施工質量差，施工手段落后，壩體填筑干密度較低，合格率為0%。

（2）壩體土料滲透系數在9.77×10－3～4.28× 10－5cm／s之間，不滿足（SL274－2001）《碾壓式土石壩設計規范》［2］要求的小于1×10－4cm／s。

（3）鼠害、蟻害及植物破壞等較嚴重，造成壩體內存在滲透通道。

（4）壩基清除不徹底，造成壩體與壩基間接觸滲漏。

（5）通過對水庫大壩進行滲透穩定計算，當庫水位達到1 124.90 m時，壩后出逸段及部分壩段下游壩基有發生管涌破壞的危險。

綜上所述，根據（SL258－2000）《水庫大壩安全評價導則》［3］，綜合評定衛星水庫大壩滲流安全性為C級。建議對其采取防滲加固措施，進一步完善滲流監測設施。

［1］新疆興利水利水電勘察設計所.衛星水庫除險加固工程設計報告［R］，2003.

［2］SL274－2001《碾壓式土石壩設計規范》［S］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［3］SL258－2000《水庫大壩安全評價導則》［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.

TV698.12

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1003－9805（2015）01－0012－04

2013－03－20

魏光輝（1981－），男，漢，新疆石河子人，工程師，在讀博士，從事水資源利用與工程運行管理工作。