王 偉，賈克梅

(1. 葫蘆島市水利勘測設(shè)計院，遼寧 葫蘆島125000;2. 葫蘆島市水利局，遼寧 葫蘆島125000)

1 工程概況

青松水庫位于綏中縣九江河支流上游，是一座以灌溉為主的小(1)型水庫。水庫原設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇。原設(shè)計死水位48.3 m，死庫容25.89萬m3;正常水位52.9 m，正常水位庫容117.33萬m3;設(shè)計洪水位54.12 m，設(shè)計洪水位庫容172.65萬m3;校核洪水位54.57 m，校核洪水位庫容205.64萬m3。

本次滲流穩(wěn)定分析所采用的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇，溢洪道消能防沖標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。采用的水庫特征水位為，校核水位54.39 m，校 核 庫 容191.39萬m3，設(shè) 計 水 位53.9 m，設(shè)計庫容159.59萬m3，正常水位52.9 m，正常庫容117.33萬m3。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水洞3 部分組成。土壩為黏土心墻砂殼壩，大壩長340 m，壩頂高程56.4 m，壩頂寬5 m，最大壩高13.5 m。溢洪道堰頂高程為52.9 m，溢洪道為開敞式駝峰堰，堰寬50 m，堰上有交通橋。在水庫左壩端建有輸水洞，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，洞徑0.6 m，進(jìn)口底高程為48.3 m，出口在壩下［1］。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況

主要包括2個方面的內(nèi)容:

2.1 工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，坡緩頂圓，地形起伏不大。兩壩肩小山崗邊坡平緩，未見有滑坡等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。壩址區(qū)出露的地層巖性有綏中花崗巖體以及第四系松散堆積物。

本區(qū)位于綏中凸起的西北部，經(jīng)本次鉆探、物探測試和地表地質(zhì)工作查明壩址區(qū)無大的地質(zhì)構(gòu)造通過，壩址區(qū)的主要次生構(gòu)造為節(jié)理裂隙及巖脈。

在大壩左側(cè)壩角處出露兩條花崗偉晶巖脈，走向99°，南傾，規(guī)模較小，厚度約2.0 m，巖脈內(nèi)有兩組裂隙發(fā)育，分別為南北走向和東西走向。壩址內(nèi)基巖發(fā)育的節(jié)理主要為一組，走向近東西，節(jié)理密度5～7 條/m。

2.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，第四系孔隙水賦存于河床的砂卵(礫)石中，水量較為豐富，滲透好;溝谷和平緩山坡的殘積土及黏性土中孔隙潛水，水量小，滲透差，該類型水主要來源大氣降水補(bǔ)給，排泄于沖溝、水庫及河流中，地下水位埋藏較淺，地下水與河水有著密切的水力聯(lián)系。

基巖裂隙水埋藏于裂隙發(fā)育且連通性較好的風(fēng)化帶巖體中，受大氣降水補(bǔ)給，以地下徑流的方式向溝谷或低洼處排泄，雨季時多以泉的方式出露，地下水動態(tài)類型屬降雨—徑流型。

3 滲流安全評價分析

青松水庫建于1977年，1980年竣工。原設(shè)計要求把壩基范圍內(nèi)地表腐殖質(zhì)和雜物等全部清除，但實際施工時地基清理未達(dá)到設(shè)計要求。原設(shè)計要求將強(qiáng)風(fēng)化巖帶全部清除，大壩截水墻建條幅在新鮮巖石上，實際施工中左側(cè)壩段的破碎帶及右側(cè)壩段巖石風(fēng)化較嚴(yán)重的部分清理不好，壩后有明顯滲流現(xiàn)象。據(jù)現(xiàn)場檢查，大壩滲漏較為嚴(yán)重，每年汛后9月份至第二年3月末，庫水位下降0.6 m左右，蓄水量減少10萬m3。

3.1 壩址工程地質(zhì)評價

主要包括2個方面的內(nèi)容:

3.1.1 壩基壩體土的分布

大壩興建時設(shè)計清基2.0 m，壩基選擇強(qiáng)風(fēng)化巖體上，黏土心墻底標(biāo)高設(shè)計在中風(fēng)化巖體內(nèi)，經(jīng)調(diào)查在大壩及防滲體施工中有多段開挖不徹底沒有達(dá)到設(shè)計要求。兩側(cè)壩肩清基不到位，心墻基槽開挖至強(qiáng)風(fēng)化帶。河床段破碎帶施工中沒有得到及時的科學(xué)有效的處理。

3.1.2 壩基巖體滲漏評價

壩基出露基巖為太古代綏中花崗巖體，上部強(qiáng)風(fēng)化巖體厚度為3.0 ～5.0 m(調(diào)查)。本次壩基巖體滲透主要依據(jù)鉆孔壓水試驗進(jìn)行分析評價，試驗方法采用單管頂壓式單栓塞方式至上而下分段進(jìn)行，試驗過程按SL25—92 規(guī)程進(jìn)行，據(jù)4個鉆孔8段次壓水試驗成果，在壩基巖體強(qiáng)、弱風(fēng)化帶中滲透較為嚴(yán)重，巖石透水率一般為11.44 ～19.20 Lu，屬中等透水層，局部可達(dá)強(qiáng)透水程度，滲透類型主要為紊流、擴(kuò)張型，微風(fēng)化巖石透水率一般為0.75 ～1.95 Lu，屬微—弱透水層，沖蝕、充填型滲透。

從壓水試驗成果分析:大壩滲漏主要發(fā)育在壩基下0 ～15 m的位置，巖體的強(qiáng)、中風(fēng)化帶中。結(jié)合物探的異常斷面估算水庫漏失量，在現(xiàn)有的庫內(nèi)水頭壓力作用下，漏失量約為800 m3/d。

3.2 大壩防滲體質(zhì)量分析

具體包括2個方面:

3.2.1 防滲體填筑土物理力學(xué)性能分析

根據(jù)勘探的外業(yè)測試和室內(nèi)土工試驗成果，防滲體填筑土的成份為礫質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏土，其成份組成:礫含量5% ～12%，砂含量12% ～24%，粉粒含量36% ～42%，黏粒含量18% ～28%，從填筑土顆粒組成看土的均一性較好。

防滲體干密度1.46 ～1.74 g/cm3，濕密度1.89～2.12 g/cm3，孔隙比0.55 ～0.85，壓縮系數(shù)e =0.26 ～0.48MPa－1，內(nèi)聚力C =22 ～61kPa，內(nèi)摩檫角Ф =13° ～20°，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N =7.2 ～10.8 擊，上述物理力學(xué)指標(biāo)和標(biāo)貫測試參數(shù)的變化不大，說明壩體填筑材料較均勻，兩者力學(xué)性質(zhì)較為接近，僅局部土樣屬高壓縮性，含水量偏高。

3.2.2 壩體填筑土滲透性分析

土工試驗測定防滲體的滲透系數(shù)變幅為5.3 ×10－5～5.9 ×10－5cm3/s，從滲透指標(biāo)看防滲體的滲透性差異不大，但ZK1 孔注水試驗成果僅為4.2 ×10－4cm3/s。在ZK2、ZK3 鉆探施工中8.5 ～16 m深度壩體不同程度漏水，漏失量＞160 L/min，至使在兩孔壩體內(nèi)定水頭注水試驗失敗，上述情況說明壩體質(zhì)量存在瑕疵，可能是因為防滲體發(fā)生斷裂、動物洞穴的存在或是大壩填筑不密實由于水的作用所致。

勘探、調(diào)查結(jié)果表明，大壩及防滲體施工中有多段開挖不徹底沒有達(dá)到設(shè)計要求。兩側(cè)壩肩清基不到位，心墻基槽開挖至強(qiáng)風(fēng)化帶。河床段破碎帶施工中沒有得到及時的科學(xué)有效的處理。左側(cè)壩端有繞滲現(xiàn)象，施工時破碎帶沒處理好，施工時壩體與山體連接處沒處理好;壩體中部有滲漏現(xiàn)象，主要是地質(zhì)條件不好，施工質(zhì)量差是造成滲漏的原因。

3.3 大壩滲流及穩(wěn)定分析

大壩工程現(xiàn)狀為黏土心墻壩，大壩長340 m，壩頂高程56.4 m，壩頂寬5 m。最大壩高13.5 m。迎水坡比為1∶2.75，背水坡比為1∶2.25。心墻頂高程55.4 m，心墻底高程36.9 m。

迎水壩坡為干砌石護(hù)坡;背水壩坡為自然坡，沒有防護(hù)，壩后有排水設(shè)施。壩頂設(shè)有漿砌石防浪墻，墻高1.0 m，厚度0.5 m;壩頂為柏油路面。大壩已經(jīng)安全運行近30 a，壩體未發(fā)現(xiàn)大的沉降，壩體上下游壩坡不存在滑移現(xiàn)象。大壩斷面如圖1 所示。

圖1 青松水庫大壩斷面圖

3.3.1 壩體滲流穩(wěn)定分析

主要包括2個方面:

3.3.1.1 大壩填筑材料分析

土料檢測成果表、大壩填筑材料計算指標(biāo)表及大壩心墻黏土粒組和粒徑級配表分別見表1 ～表3。

表1 土料檢測成果表

表2 大壩填筑材料計算指標(biāo)表

表3 大壩心墻黏土粒組和粒徑級配表

3.3.1.2 滲透穩(wěn)定分析

滲透變形型式判別采用《水利水電工程地質(zhì)勘察與技術(shù)規(guī)范》(GB50487—2008)中的附錄G 的方法判別。土的不均勻系數(shù)計算公式為:

式中:Cu為土的不均勻系數(shù);d60為小于該粒徑的含量占總土重60%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。

細(xì)顆粒含量的確定符合分為級配不連續(xù)的土和級配連續(xù)的土兩類。其中，顆粒大小分布曲線上至少有1個以上粒組的顆粒含量≤3%的土，稱為級配不連續(xù)的土。

以上述粒組在顆粒大小分布曲線上形成的平緩段的最大粒徑和最小粒徑的平均值或最小粒徑作為粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑d，相應(yīng)于該粒徑的顆粒含量為細(xì)顆粒含量P;級配連續(xù)的土:粗粒、細(xì)粒的區(qū)分粒徑為:

式中:d70，d10為小于該粒徑的含量占土重的顆粒粒徑，mm。大壩壩殼料粒組和粒徑級配表如表4所示。

表4 大壩壩殼料粒組和粒徑級配

由于壩殼料為連續(xù)級配土，其不均勻系數(shù)Cu﹥5，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察與技術(shù)規(guī)范》(GB50487 －2008)中的附錄G 的方法判別規(guī)范要求:不均勻系數(shù)＜5 的土可判為流土;對于不均勻系數(shù)＞5 的土可采用下列辨別方法如下:

當(dāng)P ≥35%為流土;當(dāng)25%≤P ＜35%為過渡型取決于土的密度、粒級和形狀;當(dāng)P ＜25%時為管涌。

根據(jù)大壩壩殼料粒組和粒徑級配計算指標(biāo)確定砂礫料細(xì)粒含量:df=3.85，對應(yīng)細(xì)粒含量pc=21.9，Pc﹤25%，因此土的滲透變形為管涌。

因此壩體砂礫料發(fā)生滲透變形類型為管涌。

壩殼料管涌臨界水力坡降計算公式為:

黏土心墻流土臨界水力坡降計算公式為:

允許比降計算公式為:

式中:Jcr為土的臨界水力比降;Gs為土的顆粒密度與水的密度之比;K 為安全系數(shù)，根據(jù)工程重要性選取1.5。

滲透穩(wěn)定計算成果見表5。

表5 滲透穩(wěn)定計算成果表

3.3.2 壩體滲流及壩坡穩(wěn)定分析基本資料

3.3.2.1 計算標(biāo)準(zhǔn)

擋水建筑物級別為4 級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇。

1)壩體滲流計算模型:大壩心墻筑在巖石上，巖石認(rèn)為不透水，下游壩腳有棱體排水，不考慮心墻上游壩體部分對滲流影響，計算模型為大壩在有限透水地基上，心墻筑至不透水層，下游有排水設(shè)備［2］。

2)計算特征水位:見表6。

表6 水庫特征水位表

3)壩體滲流計算工況:a)上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位;b)上游設(shè)計洪水位與下游相應(yīng)的水位;c)上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位;d)庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。

4)壩坡穩(wěn)定計算工況:a)穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡;b)水庫水位降落期的上游壩坡。

上游邊坡:正常蓄水位穩(wěn)定滲流期(52.90 m);設(shè)計洪水位穩(wěn)定滲流期(53.91 m);校核洪水位穩(wěn)定滲流期(54.39 m);校核洪水位降至防洪限制水位(54.39 ～52.90 m)

下游邊坡:正常蓄水位穩(wěn)定滲流期(52.90 m);設(shè)計洪水位穩(wěn)定滲流期(53.91 m);校核洪水位(54.39 m)。

5)計算采用程序包括2個方面:

a)滲流計算程序采用水利部推廣應(yīng)用的《水利水電工程土石壩設(shè)計軟件》中《土石壩二向穩(wěn)定及不穩(wěn)定滲流計算程序》。

二維滲流方程:

式中:Kx，ky為x 向和y 向的滲流系數(shù);H 為滲流場中某一點的滲壓水頭，m。

b)壩體邊坡穩(wěn)定滑弧計算采用水利部推廣應(yīng)用的《水利水電工程土石壩設(shè)計軟件》中的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析(STAB)》。計算方法采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法:

式中:W 為土條重量;u 為作用于土條底面的孔隙壓力;a 為條塊重力線與通過次條塊底面中點的半徑之間的夾角;b 為土條寬度;c'φ' 為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

壩體邊坡直線滑坡計算采用計算公式為:

式中:φ 為卵石混合土天然休止角;a 為壩坡水平夾角。

壩體邊坡穩(wěn)定計算成果見表7。

6)滲流分析:依據(jù)規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)定，對4 級壩采用公式法計算確定各種滲流因素。滲流計算成果表見表8。

3.4 滲流安全綜合評價

綜合分析青松水庫滲流、滲透穩(wěn)定不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。壩體在0 +040 ～0 +260 范圍內(nèi)，高程14.99 m以下范圍內(nèi)的壩體及黏土心墻存在滲漏問題。由于建壩時壩肩和壩基未清除徹底，也未做任何處理，致使的風(fēng)化巖層都存在滲漏問題。

4 防滲處理措施

青松水庫采用壓力灌漿法對大壩黏土心墻和壩基進(jìn)行防治處理。防滲帷幕線位于大壩黏土心墻軸線上，壩基和壩體長度為227 m，壩肩長度為20 m，灌漿孔布置一排，壩肩先灌，后灌壩基和壩體，壩基和壩體孔距1.5 m，壩肩平均灌漿深度為10 m，孔距2.0 m，壩基平均深度為基巖以下4 m。

壩基和壩肩采用水泥漿，壩體采用黏土槳，均分3 序進(jìn)行，由于暫沒有灌漿試驗資料，灌漿壓力由試驗確定［3］。采用孔口封閉自上而下分段循環(huán)式灌漿法進(jìn)行灌漿?？卓诠茔@孔孔徑110 mm，孔口管管徑108 mm，巖石內(nèi)鉆孔孔徑≥65 mm。正式灌漿施工之前，利用先導(dǎo)孔鉆孔資料驗證地勘成果，并對防滲帷幕設(shè)計進(jìn)行補(bǔ)充修正。

為確保灌漿質(zhì)量，要求水泥使用42.5 號普通硅酸鹽水泥，黏土采用優(yōu)質(zhì)黏土。各段灌漿壓力以孔口為準(zhǔn)。帷幕灌漿屏漿壓力≥1.0 MPa。為確保灌漿效果。利用先導(dǎo)孔進(jìn)行灌漿試驗，可對灌漿參數(shù)進(jìn)行必要調(diào)整。

表7 大壩壩體邊坡穩(wěn)定計算成果表

表8 滲流計算成果表

滲流量按正常蓄水位計算為18.52 m3/d。

5 結(jié) 語

通過對青松水庫大壩滲流穩(wěn)定分析，并結(jié)合水庫的實際情況，本工程適合采用壓力灌漿法對大壩黏土心墻和壩基進(jìn)行防治處理，經(jīng)過幾年的運行，證明青松水庫帷幕灌漿的防滲效果顯著。

［1］張曉元，李長城. 湖北省青山水庫大壩滲流及穩(wěn)定計算［J］. 大壩與安全，2006(05):43 －45.

［2］張曉元，李長城，王躍生. 仙嶺水庫大壩滲流及穩(wěn)定分析［J］. 湖南水利水電，2006(06):61 －63.

［3］郭雪莽，李國會，于國輝. 平原水庫防滲墻的應(yīng)力分析［J］. 浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報，2005(04):10 －14.