□徐生凌

隨著我國水利樞紐工程建設(shè)的進程不斷提升，水利設(shè)施建設(shè)技術(shù)也得到快速發(fā)展，但目前我國所使用的水利設(shè)施部分建設(shè)年代久遠，且受限于當(dāng)時的施工技術(shù)及條件，水庫壩體建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍較低、壩基處理方式不科學(xué)，投入使用后隨著時間的推移，大部分的水庫大壩均存在不同程度的病險，其中滲透破壞是最為常見的病險危害之一。水庫大壩壩體以及壩基滲漏往往由于水利工程中地質(zhì)問題所導(dǎo)致，因此在勘察過程應(yīng)注意水庫大壩所在區(qū)域的水文條件，針對水壩中發(fā)生的滲透情況進行及時的評價，并制定出合理的防護措施。但在實際工程案例中發(fā)現(xiàn)，若是采用的防滲措施不當(dāng)不僅會造成大壩滲漏的情況無法解決，并且無法保障水庫的正常狀態(tài)，嚴重時還會造成大壩發(fā)生重大的安全事故。對此，現(xiàn)將根據(jù)水庫大壩實際的工程地質(zhì)、水文資料為基礎(chǔ)，對當(dāng)前水庫水位以及加高庫水位狀態(tài)下的壩體及其與壩基結(jié)合處滲透的穩(wěn)定性進行分析，并提出合適的防護措施。

1.工程概況

某水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪、生態(tài)供水等作用的綜合的中型平原型水庫，該水庫建設(shè)于上世紀(jì)60年代，此后經(jīng)歷過續(xù)建、擴建以及病險區(qū)域的除險加固；該水利工程包括溢洪道、泄洪洞、輸水洞以及泄洪閘；大壩壩頂高程為423.5m，最大壩高為90.5m，壩頂寬度為10m，壩長為10500m，水庫最大庫容4000 萬m3。大壩為單種土質(zhì)壩，由于工程建造時壩體所使用的填充材料較多，根據(jù)鉆孔調(diào)查顯示壩體是由砂土、粉質(zhì)黏土和土壤土，壩基巖性依次為第四系全新統(tǒng)沖洪積細砂、礫砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土透鏡體，厚度較大，50m 勘察鉆孔未揭穿，地質(zhì)的性質(zhì)較差，易發(fā)生滲透變形，加之大壩建造時施工隊伍較多、施工工藝相對落后，導(dǎo)致水庫大壩局部排水渠溢出點滲漏較為嚴重。因此將對當(dāng)前水庫以及加高后庫水位狀態(tài)下壩基是否存在滲透、變形進行分析，并對壩體與壩基結(jié)合處滲透變形可能性進行深度探究。

2.壩體滲透及穩(wěn)定性分析

表1 壩基滲透破壞類型判斷標(biāo)準(zhǔn)

表2 各壩段壩基水平真實水力比降均值計算結(jié)果

表3 溢出段的真實水力比降均值計算結(jié)果

2.1 滲透變形類型分析

大壩壩基主要是由細砂、礫砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土透鏡體構(gòu)成，根據(jù)對地質(zhì)構(gòu)成成分的詳細分析顯示，其細砂比重均值約為2.7，空隙率平均約為34.9%，不均勻系數(shù)均值約為3.0，依照《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-2016）（以下簡稱“勘察規(guī)范”）中基土滲透變形類型及其判別方法，對于無黏性土的不均勻系數(shù)Cu≤5時的滲透變形判定為流土。

2.2 臨界水力比降及允許水力比降的選擇計算

按照勘查規(guī)范中對于基土滲透變形的判定，流土的臨界水力比降計算方式為：

式中：

Jcr—基土的臨界水力比降；

Gs—土粒的相對密度；

n—基土的孔隙率，采用小數(shù)表示。

通過計算可得到細砂臨界水力比降的均值Jcr=1.1。按照勘察規(guī)范中基土的臨界水力比降除以1.5～2.0 的安全系數(shù)作為無黏性土的允許比降，結(jié)合該水庫滲透穩(wěn)定對于水庫大壩建筑產(chǎn)生的重要影響，故將細砂的安全系數(shù)取值為2.0，經(jīng)過計算后細砂發(fā)生流圖變形情況下的允許水力比降值為0.6，根據(jù)實際情況最終決定允許水力比降取值為0.5。

3.壩基滲透穩(wěn)定性分析

3.1 滲透變形類型分析

通過對細砂的性質(zhì)進行試驗分析后得到，其不均勻系數(shù)Cu在2.2～3.7 之間，按照勘察規(guī)范中關(guān)于基土滲透變形類型及其判別方法可知，細砂屬于流土，壩基滲透破壞類型判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3.2 臨界水力比降及允許水力比降的選擇計算

由公式（1）可知，細砂的臨界水力比降的均值Jcr=1.1、中砂的臨界水力比降的均值Jcr=1.1，同樣按照前文的方法將細砂安全系數(shù)取值為2.0，經(jīng)過計算后細砂發(fā)生流土變形后的允許水力比降值為0.6，根據(jù)實際情況最終決定允許水力比降取值為0.5。

3.3 滲透變形可能性計算

按照同類工程中壩后溢出段的真實水力比降高于壩基段水平真實水力比降，本研究中將側(cè)重于壩后溢出段的流土型破壞的研究，具體方式為：在大壩不同壩段處選擇五條典型橫剖面，實施對當(dāng)前水庫以及加高后庫水位狀態(tài)下壩基是否存在滲透、變形進行計算分析。該水庫壩基段為單層結(jié)構(gòu)形式，通過采用探坑法確認溢出段地基的構(gòu)建形式為雙層結(jié)構(gòu)。

壩基段水平真實水力比降均值的計算方式為：

溢出段的真實水力比降均值的計算方式為：

式中：

H1、H2—壩 上、下 游 水 位（單 位：m）；

2b—滲徑長度（單位：m）；

T1、T2—上、下 層 土 層 的 厚 度（單位：m）；

K1、K2—上、下層土層滲透系數(shù)（單位：cm/s）。

通過公式（2）、公式（3）計算出各壩段壩基水平真實水力比降均值、溢出段的真實水力比降均值計算所得結(jié)果如表2、表3 所示。

根據(jù)上述的計算結(jié)果顯示，大壩壩基在當(dāng)前水位下的實際水力比降值為0.006～0.080，根據(jù)計算顯示在加高后421.8m 水 位 后 其 比 降 為0.002～0.080，其值遠低于壩基細砂層允許水力比降值0.5，因此，可以證明在目前水位情況下以及在加高庫水位狀態(tài)下水壩壩基將不會發(fā)生流土型破壞；按照公式（3）計算斜墻壩段（樁號0+035～1+120）溢出段當(dāng)前實際水力比降均值結(jié)果為0.52，高于允許水力比降值0.5，因此，溢出段在當(dāng)前水位狀態(tài)下將會發(fā)生流土型破壞，而在加高庫水位狀態(tài)下溢出段水力比降結(jié)果為0.63，高允許水力比降值0.5，因此，也會發(fā)生流土型破壞；通過計算，樁號1+120～5+000 各壩段在當(dāng)前水位及加高庫水位狀態(tài)下的實際水力比降值為0.58～1.15，遠高于允許水力比降值0.5，因此，當(dāng)前水位及加高421.8m 庫水位狀態(tài)下均會發(fā)生流土型破壞，并且在進行實際的勘查后發(fā)現(xiàn)，此壩段壩后局部排水渠的溢出段已發(fā)生不同程度的流土型破壞；樁號5+000～6+600 壩段在當(dāng)前水位及加高庫水位狀態(tài)下溢出段的實際水力比降值為0.02～0.04，結(jié)果在允許的范圍內(nèi)，因此，該段將不會發(fā)生流土型破壞。

通過上述分析可知，造成大壩滲透穩(wěn)定性的主要原因是由壩基滲漏所導(dǎo)致。大壩壩基水平段在目前水位情況下以及在加高庫水位狀態(tài)下，其細砂層不具有流土型破壞的可能性，大壩中極易產(chǎn)生流土型破壞的區(qū)域為壩后溢出上升段的細砂層。分析原因，是由于當(dāng)水庫水位升高后溢出上升段受到的流土型破壞程度將急劇增加，并且在發(fā)展過程中將逐漸向壩基延伸。

4.壩體及壩基接觸區(qū)域滲透穩(wěn)定性分析

由于大壩壩體底部為粉質(zhì)黏土、砂壤土為主，而壩基頂部區(qū)域主要為細砂，其中三種巖性的滲透系數(shù)分別為5.06×10-6cm/s、3.95×10-5cm/s、3.25×10-4cm/s，由于此區(qū)域巖性的滲透系數(shù)具有較大的差距，將會造成接觸面出現(xiàn)滲透破壞，并且壩基段的滲流方向為水平向，但是接觸流是由垂直滲流所產(chǎn)生，因此，此區(qū)域的破壞主要為接觸沖刷類型。根據(jù)勘察規(guī)范中規(guī)定，接觸沖刷的方法判別方式：雙層結(jié)構(gòu)地基條件下，各層土的不均勻系數(shù)均≤10，并符合D10/d10≤10（D10、d10分別表示較粗、較細土的顆粒直徑，且小于該顆粒直徑土重占總土重的10%），將不會產(chǎn)生接觸沖刷。根據(jù)分析研究可知，粉質(zhì)黏土、砂壤土以及細砂的不均勻系數(shù)以及d10 均 值 分 別 為27.75mm、66.87mm、3.56mm、 0.0022mm、 0.0016mm、0.091mm，經(jīng) 計 算，D10/d10=41.35mm、56.87mm，所得結(jié)果均大于10，由此可見壩體及壩基接觸區(qū)域?qū)l(fā)生沖刷破壞。

5.滲透破壞處理措施

針對流土型破壞對水庫大壩的破壞可通過以下方式：降低大壩上下游的水頭差；增加滲流的路徑；滲流處采用透水材料覆蓋壓重，形成平衡滲流力；滲透區(qū)域?qū)嵤┘庸烫幚?。結(jié)合案例工程的實際情況，為了避免溢出段的流土破壞向壩基發(fā)育，可通過在壩后挖掘排水溝、同時鋪設(shè)透水性土料構(gòu)建反濾層3 層，各層的厚度為20cm～40cm，以此防止溢出段的流土型破壞。

6.結(jié)語

針對某水庫大壩壩基及壩后溢出段滲透穩(wěn)定性進行詳細分析，結(jié)果顯示，由于大壩壩體與壩基的巖性具有較大的滲透系數(shù)，易產(chǎn)生接觸沖刷，且壩基水平段具有的水力比降低于壩后溢出段數(shù)值，因此各壩基段的滲透變形情況將由溢出段是否會產(chǎn)生滲透變形所影響。對于流土型破壞處理措施應(yīng)以防治壩后溢出段滲透破壞為主，避免其向壩基發(fā)展，并給予合適的防護措施?！?/p>