魏光輝

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

衛(wèi)星水庫大壩滲流安全評價

魏光輝

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

根據(jù)衛(wèi)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(wèi)星水庫大壩的滲流安全狀況。結(jié)果表明：壩體土料滲透系數(shù)在9.77×10－3～4.28×10－5cm／s之間，不滿足規(guī)范要求；壩基清除不徹底，造成壩體與壩基間接觸滲漏；當(dāng)庫水位達(dá)到1 124.90 m時，壩后出逸段及部分壩段下游壩基有發(fā)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(yīng)加固處理措施，并完善滲流監(jiān)測設(shè)施。

衛(wèi)星水庫；滲流；大壩填筑；安全評價

1 工程概況

衛(wèi)星水庫位于新疆巴楚縣紅海鄉(xiāng)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(wèi)星水庫為引水注入式平原水庫，海拔1 121～1 127 m，設(shè)計主壩長9.30 km，副壩長1.80 km，最大壩高4.5 m，設(shè)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(zhì)土壩、進(jìn)水閘、放水涵洞、引水渠、放水渠組成，水庫調(diào)節(jié)灌溉面積2萬hm2。

2 滲流安全評價目的與內(nèi)容

2.1 評價目的

滲流安全評價的目的是復(fù)核當(dāng)前實際滲流狀態(tài)能否保證大壩按設(shè)計條件安全運行。

2.2 評價內(nèi)容

（1）復(fù)核工程防滲體與反濾排水設(shè)施是否完善，設(shè)計、施工是否滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范要求。

（2）檢查工程運行中發(fā)生過何種滲流異?，F(xiàn)象，判斷是否影響工程安全。

（3）分析工程現(xiàn)狀條件下各防滲和反濾排水設(shè)施的工作性態(tài)，并預(yù)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(chǎn)生的危害。

3 滲流分析計算

滲流計算采用參數(shù)由室內(nèi)試驗資料確定，壩體填料物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

3.1 水庫滲漏情況

衛(wèi)星水庫庫區(qū)滲漏主要由庫盤滲漏、壩體側(cè)向滲漏和壩基側(cè)向滲漏三部分組成，從庫區(qū)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(qū)的整體地層情況可知，壩體填土滲透系數(shù)為1.36×10－3cm／s。壩基粉土層的滲透系數(shù)為6.44×10－4cm／s，粉砂層的滲透系數(shù)為1.61×10－3cm／s，粉質(zhì)粘土層的滲透系數(shù)為5.28×10－5cm／s，細(xì)砂層的滲透系數(shù)為5.50×10－3cm／s，中砂層的滲透系數(shù)為9.45×10－3cm／s。除粉質(zhì)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(jù)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(wèi)星水庫建于1970年，由于當(dāng)時的歷史原因，該工程屬“三邊”工程，設(shè)計、施工、竣工資料早已遺失。工程施工期間，主要是由當(dāng)?shù)剞r(nóng)民進(jìn)行施工。大壩填筑土料直接從水庫周邊挖取，土質(zhì)主要為當(dāng)?shù)氐姆凵啊⒎弁痢⒎圪|(zhì)粘土，不能完全滿足規(guī)范的要求，限于當(dāng)時條件，壩體碾壓無壓實機(jī)械，僅靠來往行人車輛對壩體碾壓，施工質(zhì)量無法控制。

根據(jù)衛(wèi)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(zhì)粘土構(gòu)成。

表1 壩體填料物理力學(xué)指標(biāo)

表2 衛(wèi)星水庫大壩壩體填料顆粒分析

根據(jù)（SL274－2001）《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，壩體土料壓實標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以0.96的壓實度和0.70的相對密度控制。衛(wèi)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(xiàn)場鉆孔、探坑取樣進(jìn)行試驗，得出壩體現(xiàn)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(biāo)，結(jié)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(zhì)量不合格。

表3 壩體現(xiàn)狀干密度與控制干密度統(tǒng)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(yán)重的滲水現(xiàn)象，且室內(nèi)試驗也反映這5處斷面滲透系數(shù)較大，因此選取這5處斷面進(jìn)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(shù)。

（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(shè)計水位和現(xiàn)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(wěn)定分析計算

壩體、壩基土滲透變形應(yīng)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(jù)壩體、壩基所揭露的土層，現(xiàn)以細(xì)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(xì)粒顆粒含量，以質(zhì)量百分率計；

n——為土的孔隙率。

土的細(xì)粒含量可按下列方法確定：不連續(xù)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(xì)粒的區(qū)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(qū)分，或以最小粒徑為區(qū)分粒徑，相應(yīng)于此粒徑的含量為細(xì)粒含量?，F(xiàn)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(xì)粒的區(qū)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(biāo)：（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(yīng)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(jīng)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(jìn)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(shù)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(biāo)：（1）d70＝0.068 mm，d10＝0.006 6 mm；（2）d70＝0.049 mm，d10＝0.005 6 mm。

根據(jù)式（2）得到對應(yīng)的df1＝0.021 mm，df2＝0.017 mm

可得Pc1＝38.2%，Pc2＝38.9%。

經(jīng)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(jìn)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(shù)取2，則J允＝Jcr／2＝0.234。

3.4.3 粉質(zhì)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(biāo)：（1）d70＝0.002 5 mm，d10＝0.034 mm；（2）d70＝0.002 2 mm，d10＝0.038 mm。

根據(jù)式（2）得到對應(yīng)的df1＝0.009 2 mm，df2＝0.009 1 mm。

可得：Pc1＝36.2%，Pc2＝36.5%。

經(jīng)計算得平均值：Pc＝36.4%。

粉砂的孔隙率n＝44.12%，

所以壩基粉質(zhì)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(jìn)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(shù)取2，則J允＝0.213。

3.4.4 細(xì)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(biāo)：（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(jù)式（2）得到對應(yīng)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(jīng)計算得平均值：Pc＝19.43%。

粉砂的孔隙率n＝45.28%，

故壩基細(xì)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(jìn)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(shù)取2，則J允＝Jcr／2＝0.064。

壩坡出逸段和下游壩基表面在設(shè)計水位和現(xiàn)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(jù)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(wěn)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(xiàn)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(jié) 論

根據(jù)衛(wèi)星水庫現(xiàn)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(zhì)粘土構(gòu)成，壩體施工質(zhì)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(shù)在9.77×10－3～4.28× 10－5cm／s之間，不滿足（SL274－2001）《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》［2］要求的小于1×10－4cm／s。

（3）鼠害、蟻害及植物破壞等較嚴(yán)重，造成壩體內(nèi)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(jìn)行滲透穩(wěn)定計算，當(dāng)庫水位達(dá)到1 124.90 m時，壩后出逸段及部分壩段下游壩基有發(fā)生管涌破壞的危險。

綜上所述，根據(jù)（SL258－2000）《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》［3］，綜合評定衛(wèi)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(jìn)一步完善滲流監(jiān)測設(shè)施。

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

［2］SL274－2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)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(dǎo)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。