■付大慶王彥軍張濤

（1濰坊市水利建筑設(shè)計(jì)研究院山東濰坊261205；2山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司山東濟(jì)南250101）

三里莊水庫(kù)西副壩0+560～0+780壩基滲透變形評(píng)價(jià)

■付大慶1王彥軍2張濤2

（1濰坊市水利建筑設(shè)計(jì)研究院山東濰坊261205；2山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司山東濟(jì)南250101）

本文對(duì)壩基粉質(zhì)黏土與礫粗砂在兩種工況下的滲透變形進(jìn)行分析，得出壩基粉質(zhì)黏土滲透破壞類(lèi)型為流土型，礫粗砂滲透破壞類(lèi)型為管涌型或過(guò)渡型。在現(xiàn)有壩后地形地貌的前提下，壩趾出逸坡降均小于允許水力比降，壩基土層不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

三里莊水庫(kù) 壩基 滲透變形

0　引言

三里莊水庫(kù)位于諸城市南外環(huán)處，總庫(kù)容6912萬(wàn)m3，興利庫(kù)容2334萬(wàn)m3，控制流域面積240km2，是一座集防洪、供水、灌溉等多功能于一體的重點(diǎn)中型水庫(kù)。1999年8月12日該水庫(kù)遭受歷史罕見(jiàn)特大暴雨襲擊，日降雨量達(dá)640mm，占年平均降雨量750mm 的85.3%。水庫(kù)出現(xiàn)重大險(xiǎn)情，西副壩坍塌、滑坡29處，長(zhǎng)738m；裂縫31處859延米；管涌區(qū)兩片。同年9月進(jìn)行除險(xiǎn)加固，2005年8月通過(guò)主體工程驗(yàn)收。1999年9月30日，山東水利學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)咨詢服務(wù)中心對(duì)《諸城市三里莊水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程可行性研究報(bào)告》進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為“西副壩壩基屬雙層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有地質(zhì)資料不足以說(shuō)明實(shí)際發(fā)生的滲透變形、壩坡失穩(wěn)的原因和壩基地震液化的可能性。應(yīng)在收集有關(guān)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析論證。西副壩加固方案應(yīng)在補(bǔ)充地質(zhì)勘探資料后進(jìn)行優(yōu)化?！?009年2月20日～3月11日，國(guó)家審計(jì)署審計(jì)除險(xiǎn)加固工程，發(fā)現(xiàn)初步設(shè)計(jì)階段沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)勘探，評(píng)估意見(jiàn)在《諸城市三里莊水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中沒(méi)有得到落實(shí)，該工程重點(diǎn)隱患沒(méi)有得到徹底消除。

本文分兩種工況對(duì)壩基滲透變形進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1　壩基地質(zhì)概況

通過(guò)加固，西副壩壩頂寬15m，路肩綠化帶寬4m，防浪墻高0.95m，上下游坡比1∶2.5，壩后草皮護(hù)坡，壩前干砌塊石護(hù)坡，水體污染較輕。壩前漁塘數(shù)個(gè)，是由修建非常溢洪道開(kāi)挖導(dǎo)流溝廢棄而成，單個(gè)東西長(zhǎng)±85m，南北寬±40m。自南向北分布于整個(gè)壩前，只在0+780處附近因1999年出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情而填平植滿楊樹(shù)。

壩基分布兩層土，下伏泥巖。層①粉質(zhì)黏土：黃褐色～深黃褐色，飽和，可塑，塑性指數(shù)14.8，黏粒含量平均17.4%，粉粒含量平均82.6%，滲透系數(shù)1.3×10～5cm/s，弱透水，近微透水，中等壓縮性。該層分布連續(xù)，層厚穩(wěn)定，厚達(dá)9.10m～12.20m，平均厚度±10m，層底高程58.54m～60.61m，為壩基良好的相對(duì)隔水層。層②礫粗砂：淺黃褐色，飽和，標(biāo)貫擊數(shù)平均34擊，呈密實(shí)狀態(tài)。在豎向上砂粒分布不均，上部呈中細(xì)砂狀，中部呈中粗砂狀，下部呈礫砂、礫石狀，礫石大者直徑達(dá)60mm，呈偏平狀?？扇〕芍鶢顜r心，含±5%的黏粒。該層分布連續(xù)，層厚穩(wěn)定，厚達(dá)2.30m～3.80m，平均厚度±3m，層底高程55.04m～57.51m。滲透系數(shù)3.9×10～2cm/s，強(qiáng)透水等級(jí)。

2　壩基滲透變形

壩基屬雙層結(jié)構(gòu)，表層為黏性土，層厚±10m，其下為砂土，層厚3m余，下伏泥巖。滲透變形分兩種工況判析。

2.18·12特大暴雨管涌分析

1999年8·12特大暴雨，庫(kù)水位超過(guò)歷史最高水位，達(dá)到72.02m，超過(guò)警戒水位0.13m。12日10時(shí)～11時(shí)，在樁號(hào)0+780和0+560處壩后出現(xiàn)兩片管涌區(qū)，至14日12時(shí)30分管涌有所發(fā)展，15日7時(shí)西副壩出現(xiàn)縱橫向裂縫，局部壩段有滑坡跡象。若壩前無(wú)漁塘，壩基連續(xù)，表層黏性土厚達(dá)±10m，則只能發(fā)生層①粉質(zhì)黏土的流土破壞。而管涌確已發(fā)生，唯一可能的原因是壩基表層土被破壞，庫(kù)水與層②礫粗砂承壓水連通，故在壩后的某些薄弱處發(fā)生管涌。壩前漁塘是由上世紀(jì)60年代初修建非常溢洪道開(kāi)挖的導(dǎo)流溝廢棄而成，深3.36m，其時(shí)開(kāi)挖深度3.8m～4.8m，經(jīng)過(guò)近50余年的淤積，量測(cè)承壓水頭等于5.7m，則漁塘底粉質(zhì)黏土最小厚度，即：

式中：γm—含水層以上土的飽和重度/(kN/m3)；h—隔水層厚度/m；t—漁塘開(kāi)挖深度/m；Pw—承壓水頭/kPa。

漁塘底粉質(zhì)黏土飽和容重19.2kN/m3，計(jì)算得最小厚度須3.3m。ZK6處砂層埋深11.2m，則當(dāng)時(shí)開(kāi)挖導(dǎo)流溝時(shí)最小厚度等于3.95m，二者相差僅半m余，在當(dāng)時(shí)施工及其后若干年的時(shí)間的某個(gè)時(shí)刻，將此0.65m的安全厚度破壞，由此成為8?12管涌的始作俑者。

針對(duì)西副壩邊界條件，按以下兩種工況進(jìn)行壩基滲透變形分析評(píng)價(jià)。

2.2工況一：壩前漁塘保持現(xiàn)狀

邊界條件：①庫(kù)水與砂層承壓水連通(事實(shí)上已連通)，主要在層②內(nèi)滲流；②壩后表層黏性土被破壞，且安全厚度大于規(guī)范允許值。

（1）類(lèi)型判別。層②級(jí)配連續(xù)，粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑df：

式中：d70—小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑/mm；d10—小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑/mm。

通過(guò)計(jì)算(表1)，壩基層②滲透破壞類(lèi)型為管涌型或過(guò)渡型。

表1　壩前漁塘保持現(xiàn)狀壩基層②礫粗砂滲透類(lèi)型判

（2）臨界水力比降。管涌型臨界水力比降據(jù)式：

式中：Jcr—臨界水力比降；Gs—土粒比重；n—土的孔隙率/%；d5、d20—分別占總土重5%和20%的粒徑。

通過(guò)計(jì)算(表2)，平均臨界水力比降等于0.77。

表2　壩前漁塘保持現(xiàn)狀壩基礫粗砂臨界水力比降

（3）允許水力比降。三里莊水庫(kù)為諸城市的頭頂水庫(kù)，地理位置特別重要。安全系數(shù)取2.0，計(jì)算得允許水力比降等于0.39。在壩前漁塘保持現(xiàn)狀的情況下，礫粗砂允許水力比降等于0.39，乘以水的容重10 kN/m3，則向上的滲流力僅3.9 kPa，考慮承壓水頭，則滲流力也只有100 kPa(假設(shè)承壓水頭達(dá)近10m)。壩后表層黏性土厚達(dá)± 10m，上覆壓力達(dá)近200kPa，因此，不可能發(fā)生管涌。既使壩后開(kāi)挖基坑，通過(guò)實(shí)測(cè)承壓水頭，只要保證基坑底的厚度大于規(guī)范的最小安全厚度值，同樣也不會(huì)發(fā)生管涌或突涌。

2.3工況二：壩前漁塘填平

邊界條件：①庫(kù)水只在厚這±10m的滲透系數(shù)極小的表層黏性土滲流；②壩后表層黏性土未破壞。

（1）類(lèi)型判別。壩基表層粉質(zhì)黏土的滲透變形破壞類(lèi)型是流土。

（2）臨界水力比降。流土型臨界水力比降據(jù)式：

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　壩前漁塘填平壩基粉質(zhì)黏土臨界水力比降

（3）允許水力比降。平均臨界水力比降等于0.98，安全系數(shù)取2.0，允許水力比降等于0.49。

（4）出逸坡降。據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三冊(cè)，“不透水地基上均質(zhì)土壩的滲流中的‘無(wú)表面排水的均質(zhì)土壩’壩趾出逸坡降”公式：

式中：J—出逸坡降；m—壩坡坡率。

副壩下游坡比1∶2.5，出逸坡降等于0.40，小于允許水力比降0.49，因此，壩基表層粉質(zhì)黏土不會(huì)發(fā)生流土破壞。

3　結(jié)論

分兩種工況對(duì)壩基粉質(zhì)黏土與礫粗砂進(jìn)行滲透變形分析，粉質(zhì)黏土滲透破壞類(lèi)型為流土型，礫粗砂滲透破壞類(lèi)型為管涌型或過(guò)渡型。在現(xiàn)有壩后地形地貌的前提下，壩趾出逸坡降均小于允許水力比降，壩基土層不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

TV62[文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～222～1

付大慶（1974～），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)、巖土、土 (水)工結(jié)構(gòu)。