水庫大壩壩體及壩基滲透穩定探究

□徐生凌

隨著我國水利樞紐工程建設的進程不斷提升，水利設施建設技術也得到快速發展，但目前我國所使用的水利設施部分建設年代久遠，且受限于當時的施工技術及條件，水庫壩體建設標準普遍較低、壩基處理方式不科學，投入使用后隨著時間的推移，大部分的水庫大壩均存在不同程度的病險，其中滲透破壞是最為常見的病險危害之一。水庫大壩壩體以及壩基滲漏往往由于水利工程中地質問題所導致，因此在勘察過程應注意水庫大壩所在區域的水文條件，針對水壩中發生的滲透情況進行及時的評價，并制定出合理的防護措施。但在實際工程案例中發現，若是采用的防滲措施不當不僅會造成大壩滲漏的情況無法解決，并且無法保障水庫的正常狀態，嚴重時還會造成大壩發生重大的安全事故。對此，現將根據水庫大壩實際的工程地質、水文資料為基礎，對當前水庫水位以及加高庫水位狀態下的壩體及其與壩基結合處滲透的穩定性進行分析，并提出合適的防護措施。

1.工程概況

某水庫是一座以農業灌溉為主，兼顧防洪、生態供水等作用的綜合的中型平原型水庫，該水庫建設于上世紀60年代，此后經歷過續建、擴建以及病險區域的除險加固；該水利工程包括溢洪道、泄洪洞、輸水洞以及泄洪閘；大壩壩頂高程為423.5m，最大壩高為90.5m，壩頂寬度為10m，壩長為10500m，水庫最大庫容4000 萬m3。大壩為單種土質壩，由于工程建造時壩體所使用的填充材料較多，根據鉆孔調查顯示壩體是由砂土、粉質黏土和土壤土，壩基巖性依次為第四系全新統沖洪積細砂、礫砂、粉質黏土、淤泥質土透鏡體，厚度較大，50m 勘察鉆孔未揭穿，地質的性質較差，易發生滲透變形，加之大壩建造時施工隊伍較多、施工工藝相對落后，導致水庫大壩局部排水渠溢出點滲漏較為嚴重。因此將對當前水庫以及加高后庫水位狀態下壩基是否存在滲透、變形進行分析，并對壩體與壩基結合處滲透變形可能性進行深度探究。

2.壩體滲透及穩定性分析

表1 壩基滲透破壞類型判斷標準

表2 各壩段壩基水平真實水力比降均值計算結果

表3 溢出段的真實水力比降均值計算結果

2.1 滲透變形類型分析

大壩壩基主要是由細砂、礫砂、粉質黏土、淤泥質土透鏡體構成，根據對地質構成成分的詳細分析顯示，其細砂比重均值約為2.7，空隙率平均約為34.9%，不均勻系數均值約為3.0，依照《水力發電工程地質勘察規范》（GB50287-2016）（以下簡稱“勘察規范”）中基土滲透變形類型及其判別方法，對于無黏性土的不均勻系數Cu≤5時的滲透變形判定為流土。

2.2 臨界水力比降及允許水力比降的選擇計算

按照勘查規范中對于基土滲透變形的判定，流土的臨界水力比降計算方式為：

式中：

Jcr—基土的臨界水力比降；

Gs—土粒的相對密度；

n—基土的孔隙率，采用小數表示。

通過計算可得到細砂臨界水力比降的均值Jcr=1.1。按照勘察規范中基土的臨界水力比降除以1.5～2.0 的安全系數作為無黏性土的允許比降，結合該水庫滲透穩定對于水庫大壩建筑產生的重要影響，故將細砂的安全系數取值為2.0，經過計算后細砂發生流圖變形情況下的允許水力比降值為0.6，根據實際情況最終決定允許水力比降取值為0.5。

3.壩基滲透穩定性分析

3.1 滲透變形類型分析

通過對細砂的性質進行試驗分析后得到，其不均勻系數Cu在2.2～3.7 之間，按照勘察規范中關于基土滲透變形類型及其判別方法可知，細砂屬于流土，壩基滲透破壞類型判斷標準如表1所示。

3.2 臨界水力比降及允許水力比降的選擇計算

由公式（1）可知，細砂的臨界水力比降的均值Jcr=1.1、中砂的臨界水力比降的均值Jcr=1.1，同樣按照前文的方法將細砂安全系數取值為2.0，經過計算后細砂發生流土變形后的允許水力比降值為0.6，根據實際情況最終決定允許水力比降取值為0.5。

3.3 滲透變形可能性計算

按照同類工程中壩后溢出段的真實水力比降高于壩基段水平真實水力比降，本研究中將側重于壩后溢出段的流土型破壞的研究，具體方式為：在大壩不同壩段處選擇五條典型橫剖面，實施對當前水庫以及加高后庫水位狀態下壩基是否存在滲透、變形進行計算分析。該水庫壩基段為單層結構形式，通過采用探坑法確認溢出段地基的構建形式為雙層結構。

壩基段水平真實水力比降均值的計算方式為：

溢出段的真實水力比降均值的計算方式為：

式中：

H1、H2—壩 上、下 游 水 位（單 位：m）；

2b—滲徑長度（單位：m）；

T1、T2—上、下 層 土 層 的 厚 度（單位：m）；

K1、K2—上、下層土層滲透系數（單位：cm/s）。

通過公式（2）、公式（3）計算出各壩段壩基水平真實水力比降均值、溢出段的真實水力比降均值計算所得結果如表2、表3 所示。

根據上述的計算結果顯示，大壩壩基在當前水位下的實際水力比降值為0.006～0.080，根據計算顯示在加高后421.8m 水 位 后 其 比 降 為0.002～0.080，其值遠低于壩基細砂層允許水力比降值0.5，因此，可以證明在目前水位情況下以及在加高庫水位狀態下水壩壩基將不會發生流土型破壞；按照公式（3）計算斜墻壩段（樁號0+035～1+120）溢出段當前實際水力比降均值結果為0.52，高于允許水力比降值0.5，因此，溢出段在當前水位狀態下將會發生流土型破壞，而在加高庫水位狀態下溢出段水力比降結果為0.63，高允許水力比降值0.5，因此，也會發生流土型破壞；通過計算，樁號1+120～5+000 各壩段在當前水位及加高庫水位狀態下的實際水力比降值為0.58～1.15，遠高于允許水力比降值0.5，因此，當前水位及加高421.8m 庫水位狀態下均會發生流土型破壞，并且在進行實際的勘查后發現，此壩段壩后局部排水渠的溢出段已發生不同程度的流土型破壞；樁號5+000～6+600 壩段在當前水位及加高庫水位狀態下溢出段的實際水力比降值為0.02～0.04，結果在允許的范圍內，因此，該段將不會發生流土型破壞。

通過上述分析可知，造成大壩滲透穩定性的主要原因是由壩基滲漏所導致。大壩壩基水平段在目前水位情況下以及在加高庫水位狀態下，其細砂層不具有流土型破壞的可能性，大壩中極易產生流土型破壞的區域為壩后溢出上升段的細砂層。分析原因，是由于當水庫水位升高后溢出上升段受到的流土型破壞程度將急劇增加，并且在發展過程中將逐漸向壩基延伸。

4.壩體及壩基接觸區域滲透穩定性分析

由于大壩壩體底部為粉質黏土、砂壤土為主，而壩基頂部區域主要為細砂，其中三種巖性的滲透系數分別為5.06×10-6cm/s、3.95×10-5cm/s、3.25×10-4cm/s，由于此區域巖性的滲透系數具有較大的差距，將會造成接觸面出現滲透破壞，并且壩基段的滲流方向為水平向，但是接觸流是由垂直滲流所產生，因此，此區域的破壞主要為接觸沖刷類型。根據勘察規范中規定，接觸沖刷的方法判別方式：雙層結構地基條件下，各層土的不均勻系數均≤10，并符合D10/d10≤10（D10、d10分別表示較粗、較細土的顆粒直徑，且小于該顆粒直徑土重占總土重的10%），將不會產生接觸沖刷。根據分析研究可知，粉質黏土、砂壤土以及細砂的不均勻系數以及d10 均 值 分 別 為27.75mm、66.87mm、3.56mm、 0.0022mm、 0.0016mm、0.091mm，經 計 算，D10/d10=41.35mm、56.87mm，所得結果均大于10，由此可見壩體及壩基接觸區域將會發生沖刷破壞。

5.滲透破壞處理措施

針對流土型破壞對水庫大壩的破壞可通過以下方式：降低大壩上下游的水頭差；增加滲流的路徑；滲流處采用透水材料覆蓋壓重，形成平衡滲流力；滲透區域實施加固處理。結合案例工程的實際情況，為了避免溢出段的流土破壞向壩基發育，可通過在壩后挖掘排水溝、同時鋪設透水性土料構建反濾層3 層，各層的厚度為20cm～40cm，以此防止溢出段的流土型破壞。

6.結語

針對某水庫大壩壩基及壩后溢出段滲透穩定性進行詳細分析，結果顯示，由于大壩壩體與壩基的巖性具有較大的滲透系數，易產生接觸沖刷，且壩基水平段具有的水力比降低于壩后溢出段數值，因此各壩基段的滲透變形情況將由溢出段是否會產生滲透變形所影響。對于流土型破壞處理措施應以防治壩后溢出段滲透破壞為主，避免其向壩基發展，并給予合適的防護措施。□