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）

希尼爾水庫壩基滲透穩(wěn)定校核分析

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(duì)水庫壩基滲透穩(wěn)定問題進(jìn)行校核分析，并提出了相應(yīng)處理措施，以期為平原水庫運(yùn)行管理和除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)的一個(gè)重要方面。從工程建設(shè)的實(shí)踐出發(fā)，對(duì)水庫滲透穩(wěn)定的研究論證，應(yīng)結(jié)合水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)，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(dá)形式，科學(xué)的提出允許比降，便于設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理人員在實(shí)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(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)水庫壩基滲透穩(wěn)定進(jìn)行分析，得到了一些有價(jià)值的結(jié)論，以期為平原水庫運(yùn)行管理和除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)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(xiàng)目塔里木盆地灌溉與環(huán)保（二期）工程子項(xiàng)目之一，同時(shí)也是塔里木河近期綜合治理工程中開－孔河流域維護(hù)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(jì)庫容為0.98×108m3，相應(yīng)設(shè)計(jì)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(hù)坡設(shè)計(jì)為混凝土板（C30F300W 8）護(hù)坡，板厚15～22 cm。設(shè)計(jì)壩頂長(zhǎng)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(yàn)收開始蓄水，2008年10月通過竣工驗(yàn)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(tái)地和第四系洼地組成。第三系小臺(tái)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)，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(shí)，可作為相對(duì)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(shí)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(tái)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(xì)砂巖，局部夾泥巖。強(qiáng)風(fēng)化層厚4～6 m，5 m以上屬強(qiáng)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(tái)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(qiáng)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(duì)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(yùn)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(jī)制

土體的滲透穩(wěn)定性決定于滲透水流對(duì)土體的作用力與土體的阻抗力之間的變化過程。滲流對(duì)土體的作用力大小取決于滲流場(chǎng)的水力坡降，即滲透比降，它是引起滲透破壞的主動(dòng)力。土體對(duì)滲透水流的阻抗能力即抗?jié)B強(qiáng)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(shí)，土體將發(fā)生滲透破壞。可見，滲透破壞是一個(gè)變化發(fā)展的過程，其產(chǎn)生和發(fā)展取決于水動(dòng)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(huì)不同。細(xì)粒成分含量小，滲透破壞類型多表現(xiàn)為管涌；細(xì)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(xì)粒含量較多時(shí)，粗顆粒不能構(gòu)成骨架，孔隙大小取決于細(xì)顆粒，不易產(chǎn)生滲透破壞，而且土的抗?jié)B比降隨細(xì)粒含量的增加而增大。土中粘粒含量將會(huì)增加土的內(nèi)聚力，從而增加土的滲透強(qiáng)度。固結(jié)密實(shí)的土不僅孔隙率降低，而且粒間的嵌合力有所加強(qiáng)，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(jìn)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(xì)分為級(jí)配不連續(xù)型和級(jí)配連續(xù)型兩個(gè)亞類。對(duì)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(duì)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(xì)料的含量。其理論依據(jù)是當(dāng)細(xì)料含量小于某一值時(shí)，由于填不滿粗料孔隙，而處于不受制約的狀態(tài)，細(xì)料很容易被滲流帶走，滲透破壞形式為管涌。當(dāng)細(xì)料填滿粗料孔隙時(shí)，粗細(xì)料成為一個(gè)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(duì)不連續(xù)級(jí)配的土，級(jí)配曲線中至少有一個(gè)以上的粒徑級(jí)的顆粒含量小于或等于3%的平緩段，粗細(xì)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(xì)粒含量。對(duì)連續(xù)級(jí)配的土，區(qū)分粗粒和細(xì)粒粒徑的界限粒徑：

式中 df——為區(qū)分粗細(xì)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(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《地質(zhì)報(bào)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(xì)粒的界限粒徑，細(xì)粒含量Pc（小于0.3 mm）顆粒粒徑占總土重的24%。

對(duì)不均勻系數(shù)大于5的不均勻土一般采用細(xì)粒含量（Pc）進(jìn)行滲透破壞類型的判別：Pc≥35%時(shí)，滲透破壞形式為流土；25%≤Pc≤35%時(shí)，滲透破壞形式為流土和管涌的過渡型；Pc＜25%時(shí)，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(jì)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(bào)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(jì)算得出允許水力坡降值I允＝0.22?！兜刭|(zhì)報(bào)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(yàn)值（見表1［3］），可以看出本文計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)取值基本相近。

3.3 壩基滲透破壞分析

根據(jù)水庫壩基測(cè)壓管最高水位來計(jì)算各段壩基的水力坡度（見表2）：

表1 無粘性土產(chǎn)生滲流破壞的允許水力坡度

表2 希尼爾水庫壩基滲流分段水力坡降計(jì)算

由表2可以看出，J1、J2、J3、J4段壩基水力坡降均小于允許水力坡降，因此J1～J4段壩基不會(huì)發(fā)生滲透破壞；但3＋125、4＋575、5＋175和5＋675這四個(gè)斷面的J5段壩基水力坡降均大于計(jì)算的允許水力坡降，發(fā)生管涌型滲透破壞，這與大壩實(shí)際狀況完全相符。

4 結(jié) 論

（1）針對(duì)希尼爾水庫壩基滲透穩(wěn)定問題，通過對(duì)壩基土顆粒組成及結(jié)構(gòu)的分析，判別了可能發(fā)生滲透破壞的類型，確定了允許比降，為滲控設(shè)計(jì)方案的確定提供參考依據(jù)。

（2）水庫大壩J1、J2、J3、J4段壩基水力坡降均小于允許水力坡降，因此J1～J4段壩基不會(huì)發(fā)生滲透破壞；但3＋125、4＋575、5＋175和5＋675這四個(gè)斷面的J5段壩基水力坡降均大于計(jì)算的允許水力坡降，發(fā)生管涌型滲透破壞，這與大壩實(shí)際狀況完全相符。

（3）建議對(duì)水庫大壩4＋400～7＋000段盡快進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，通過壩后坡加透水土體蓋重；壩基設(shè)防滲措施；在已有管涌點(diǎn)鋪設(shè)反濾層；嚴(yán)禁壩后取土等措施以滿足水庫安全運(yùn)行要求。

［1］ 毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制［M］.北京：水利電力出版社，1990.

［2］ 劉杰.土的滲透穩(wěn)定與滲流控制［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［3］ GB50287－99，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，1999：138－140.

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2014－08－30

徐繼紅（1970－），女，河北肅寧人，工程師，從事水利工程建設(shè)管理工作。