孔祥東

(遼寧興建工程項目管理有限公司,沈陽 110032)

1 概 述

三臺子水庫位于沈陽市康平縣東關(guān)鎮(zhèn)三臺子村西，壩址在遼河一級支流李家河的上游。壩址以上集水面積143km2，總庫容4500×104m3，是一座以防洪為主、兼有灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游功能的中型水庫。樞紐建筑物包括：主壩長度4120m，副壩長度900m，南輸水泄洪洞1.5m×1.5m×2孔，北輸水泄洪洞1.5m×1.5m×3孔。三臺子水庫在遼河一級支流李家河上游，壩址位于E123°21′，N42°38′。河道長21km。平均比降3.6‰。庫區(qū)為低山丘陵區(qū)，南部山勢較陡，分水嶺最高點高程342.5m。區(qū)內(nèi)植被較多，其它地勢較緩。

三臺子水庫位于康平縣三臺子村西，是一座中型水庫，庫存水量受大氣降水影響較大。該水庫主要用于防洪、灌溉等。該水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩長約4120m，高7m，現(xiàn)狀壩頂寬3.5m，最大庫容量4500萬m3。根據(jù)設計要求，沿壩頂中心線共布勘探孔15個，孔間距250-300m，總共完成鉆探進尺205.2m，取原狀土樣52件，攪動土樣7件。標準貫入試驗19次[1]。

2 地質(zhì)情況

三臺子水庫位于山間沖積-洪積的第四系沉積物(QP3)上，下伏地層為白堊系泉頭組泥巖、砂巖(K2Q)。大壩坐落在第四系沉積物上，庫區(qū)周邊地勢較為開闊。

2.1 壩體工程質(zhì)量情況

根據(jù)鉆孔揭露可知，土壩主要為人工填土分層碾壓而成。

人工填土：以粉質(zhì)黏土為主(上部為薄層碎石土)，呈黃褐色，稍濕-濕，稍密，呈可塑狀態(tài)，透水性差。 深度1.0-1.7m，滲透系數(shù)為1.65×10-6-2.80×10-6cm/s；深度5.0-7.0m，滲透系數(shù)為9.46×10-5-2.15×10-4cm/s?？偤穸?.5-9.0m。物理、力學性質(zhì)指標見表1。

2.2 壩基工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔揭露，壩基土主要為粉砂和泥巖、砂巖。分述如下：

1)粉砂：呈黃色，松散-稍密，局部中密，濕-飽和，局部夾黃褐色可塑-硬塑粉土。粉砂顆粒均勻，偶見礫石，礦物以長石、石英為主。該層在大壩北側(cè)上部為黃色可塑粉土。透水性較差。

2)泥巖、砂巖：呈紫紅色、灰白色，為全風化-強風化狀態(tài)，大部分礦物已風化成土狀，原巖結(jié)構(gòu)尚可辨別，用手可捏碎。砂巖被泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，透水性較差，可視為不透水層。泥巖幾乎呈土狀，結(jié)構(gòu)致密，透水性很差，可視為不透水層。該層在本次勘探中僅見于大壩兩端。

表1 壩體土物理、力學指標統(tǒng)計表

2.3 壩基水文地質(zhì)條件

壩體土質(zhì)為人工填土，主要由粉質(zhì)黏土組成，其它雜質(zhì)極少，滲透系數(shù)平均為3.62×10-6cm/s左右，最大值為4.5×10-6cm/s，滲透性較差，是較好的填土材料。

壩基主要為粉砂，滲透系數(shù)值最大為2.15×10-4cm/s，平均值為1.39×10-4cm/s。屬中等透水。大壩兩端壩基為全風化-強風化砂巖、泥巖，透水性很差。可以起到隔水作用[2]。

該區(qū)地下水為沖洪積物孔隙水，初見水位9.0m，穩(wěn)定水位6.5m，具有一定的承壓性，穩(wěn)定水位標高79.9m。通過原位測試得出了各層土的承載力值，各項指標見下表2：

表2 原位測試成果統(tǒng)計及土層承載力值表

3 壩體結(jié)構(gòu)設計

3.1 壩頂高程的計算

主要建筑物的防洪標準見表3。

表3 主要建筑物防洪標準及相應水位

3.2 土壩壩頂高程

按照《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定，壩頂高程為水庫靜水位加壩頂超高，壩頂超高計算公式為：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；e為最大風壅水面高度，m；A為安全加高，按規(guī)范規(guī)定：Ⅲ級建筑物正常運用情況下A=0.7m，非常運用情況下A=0.5m。

波浪爬高Rm按下式計算：

(2)

式中：Rm為波浪平均爬高值，m；K△為斜坡糙率滲透性系數(shù)；KW為經(jīng)驗系數(shù)；m為斜坡坡度系數(shù)，取m=2.5；hm、Lm為波浪要素，平均波高和波長，按莆田試驗站公式計算hm、Lm值。

Tm=4.438hm0.5

(3)

式中：W為計算風速。非常運用條件下，采用多年平均年最大風速。W=V=12.6m/s；正常運用條件下，采用多年平均年最大風速的1.5倍；W=1.5V=18.9m/s；Tm為平均波周期；Hm為水域平均水深，m；D為吹程，由庫區(qū)地形圖量測， D=7000m。

風壅水面高度按下式計算：

(4)

式中：e為風壅水面高度，m；K為綜合摩阻系數(shù)；W為計算風速，m/s；D為從計算點作水域中線與對岸的交點到計算點的距離，m；β為風向與水域中線的夾角，°；設計爬高值取累積計概率P=1%的爬坡值：

R=2.08Rm

土壩壩頂高程計算成果見下表4。

表4 土壩壩頂高程計算成果表

壩頂高程按運用條件計算取其最大值，確定壩頂高程為85.78m。

4 壩基粉砂層在地震效應下砂土液化現(xiàn)象

根據(jù)GB50287-99水利水電工程地質(zhì)規(guī)范液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值計算公式如下：

(5)

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值。(按地震設防烈度7度近似取值)；ds為標準貫入點在地面以下的深度，m；dW為標準貫入試驗時，地下水位深度，m；ρC為飽和土黏粒含量百分率，ρC<3%，ρC取3%。

鉆孔標準貫入深度及實測貫入擊數(shù)見表5。

經(jīng)計算得出：Ncr < N63.5

結(jié)果表明：壩基粉細砂層沒有發(fā)生砂土液化的可能，本地區(qū)地震基本裂度為Ⅵ度。壩體填土的擊實試驗采用RJS-1手動擊實儀，得出擊實曲線(圖略)，進而查得擊實性指標—最大干密度ρd和最優(yōu)含水量Wo的值。

大壩由粉質(zhì)黏土組成，呈可塑狀態(tài)，干密度為1.63-1.66 g/cm3，最優(yōu)含水量Wo=19.6%。筑壩土的平均含水量22.42%，略>其最優(yōu)含水量。其土質(zhì)液性指數(shù)較小，抗剪強度高，壓縮性較低，滲透性弱，在水的浸泡下不易溶解、軟化或產(chǎn)生體積膨脹。壩體是較好的均質(zhì)土[4]。

表5 鉆孔標準貫入深度及實測貫入擊數(shù)表

粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)，采用變水頭滲透試驗方法，由公式：

KT=aL×ln﹙H1/H2﹚/AΔt、
Δt=t2-t1
K20=KTηT/η20

(5)

式中：KT為溫度為T℃時土的滲透系數(shù),cm/s；a為變水頭管斷面積，cm2；L為試樣高度，cm；A為試樣斷面積，cm2；t2為結(jié)束時間，s；t1為開始時間，s；H為開始水頭；H2為結(jié)束水頭；ηT/η20為黏滯系數(shù)比；K20為標準溫度下滲透系數(shù)，cm/s。

粉砂的滲透系數(shù)，采用常水頭滲透試驗方法，由公式：

KT=QL/AHT
K20=KTηT/η2

(6)

式中：KT為溫度為T℃時土的滲透系數(shù)，cm/s；Q為時間在t秒內(nèi)的滲出水量，cm3；L為兩側(cè)壓管中心間的距離，cm；A為試樣斷面積，cm2；H為平均水位差，cm；t為時間，s；K20為標準溫度下滲透系數(shù)，cm/s；ηT/η20為黏滯系數(shù)比。

5 結(jié) 語

由于壩體土質(zhì)為人工填土，主要由粉質(zhì)黏土組成，其它雜質(zhì)極少，滲透系數(shù)平均為3.62×10-6cm/s左右，最大值為4.5×10-6cm/s，滲透性較差，是較好的填土材料[5]。

壩基主要為粉砂，滲透系數(shù)值最大為2.15×10-4cm/s，平均值為1.39×10-4cm/s。透水性較差。大壩兩端壩基為全風化-強風化砂巖、泥巖，透水性很差，故對壩基粉砂層在地震效應下砂土液化現(xiàn)象進行了分析。

[1]宮繼昌,王寧,葛明明,等.砂土液化判別的研究現(xiàn)狀及存在問題[J].吉林建筑工程學院學報，2010(03)：13-16.

[2]丁峰,劉月剛,邱象玉.液壓升降壩在城市河道中的選型設計[J].水利規(guī)劃與設計，2013(03)：59-61.

[3]王媛,姜樸,朱俊高,等.松粉砂地基地震后堤壩穩(wěn)定性分析[J].水利學報，2000(11)：60-64，69.

[4]陶小林,秦江偉.地震作用下邊坡穩(wěn)定預測方法的對比研究[J].水利規(guī)劃與設計，2007(05)：57-60.

[5]宋文搏.新疆下坂地水庫壩基砂土液化特性研究[D].西安：長安大學，2013