曹晨華，劉佳亮

(牡丹江市水務(wù)科學(xué)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(wù)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(xiàn)狀

根據(jù)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(tǒng)沖積、洪積堆積含細(xì)粒土砂，為中等透水層;②壩基基巖上部強(qiáng)風(fēng)化帶透水帶，平均厚度4.5 m左右，為中等透水。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告描述及現(xiàn)場調(diào)查測繪結(jié)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(fù)核計算

根據(jù)滲漏層位分布及滲漏特性，對含細(xì)粒土砂地層和基巖強(qiáng)風(fēng)化帶的滲漏量分別計算:

3.1 含細(xì)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(zhì)》P127)

式中:K為滲透系數(shù)，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(shù)的選定

1)K采用《天長山水庫工程地質(zhì)勘察報告》(初步設(shè)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(xì)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(shè)計剖面圖。

水平鋪蓋有效長度取用設(shè)計部門調(diào)查后數(shù)。(注:設(shè)計部門對上游水平鋪蓋質(zhì)量情況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示，從鋪蓋端點到迎水坡壩腳實際有效長度為23.5m。)

經(jīng)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(qiáng)風(fēng)化帶滲漏量

1)計算公式:同上。

2)參數(shù)的選定。

K:根據(jù)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(qiáng)風(fēng)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(qiáng)風(fēng)化帶滲漏量9.19×104m3/a。

3.3 壩基總滲漏量

壩基含細(xì)粒土砂和強(qiáng)風(fēng)化帶滲漏量總計26.6×104m3/a。

4 壩基滲透穩(wěn)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(jìn)行土工試驗分析。顆粒分析結(jié)果見圖1。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)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(jīng)驗類比分析取值，壩基土—含細(xì)粒土砂的孔隙率n=0.38。

綜上分析，壩基土含細(xì)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(jié)果見表2。

表2 壩基土臨界水力比降計算表

計算結(jié)果:臨界水力比降Jcr=0.27

4.3 允許比降的確定

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)，本次取安全系數(shù)1.8，并參考“無黏性土允許水力比降經(jīng)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(wěn)定計算

1)設(shè)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(shè)計水位510.78 m、校核洪水位511.62 m時，壩基滲透不穩(wěn)定。

結(jié)論:壩體為黏土心墻壩，水庫在設(shè)計洪水位及校核洪水位運行時，壩基滲透不穩(wěn)定。

5 鋪蓋延長設(shè)計

針對天長山水庫的具體情況，本次設(shè)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(shè)計主要參考壩工叢書《土壩設(shè)計》(水利電力出版社)上冊第四章第四節(jié)，有關(guān)在透水地基上有鋪蓋的土壩滲流的水力學(xué)解法中有鋪蓋及心墻的土壩的論述內(nèi)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(jù)地質(zhì)報告成果可知:

經(jīng)計算現(xiàn)有鋪蓋長度Ln現(xiàn)有=51.95 m，需增加鋪蓋長度Ln-Ln現(xiàn)有=10.89 m，本次設(shè)計，應(yīng)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(shè)計增加15 m鋪蓋后，鋪蓋形式為組合鋪蓋，設(shè)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(shè)計主要參考壩工叢書《土壩設(shè)計》(水利電力出版社)下冊第七章第四節(jié)中有關(guān)鋪蓋的論述內(nèi)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(shè)計要求。

因為粉質(zhì)黏土凍土塊鋪蓋需預(yù)加沉陷量，依據(jù)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?yōu)?.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(dān)負(fù)著為綏芬河市供水的職能，為確保水質(zhì)，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(zhì)

本次設(shè)計中，鋪蓋材料采用黏粒含量為24.8% ～46%、塑性指數(shù)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(shè)計后土壩斷面圖

本次設(shè)計中，為了工程安全考慮，擴(kuò)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(dān)為綏芬河市供水的任務(wù)，不能將水庫放空進(jìn)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(shè)計鋪蓋位置按要求鋪設(shè)好，待次年春暖開庫后，自然沉降形成。

6 結(jié)論

本文通過工程實例來計算小型水庫除險加固設(shè)計中壩基滲透穩(wěn)定處理的方法。我省小型水庫大多存在壩基滲漏問題，設(shè)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(fù)雜、造價高、治標(biāo)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(wù)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(wù)局，2008.

[2] 牡丹江市水利勘測設(shè)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(shè)計研究院，2009.

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

[4] 徐尚壁.黏土鋪蓋[M].北京:水利電力出版社，1988.