莊頭水庫樞紐工程蓄水安全鑒定分析與評價

周慧蓉

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

1 工程概況

樞紐工程位于海河流域濁漳南源支流石子河上游，大壩壩址位于壺關縣晉莊鎮莊頭村南，壩址以上控制流域面積119.1 km2。樞紐工程由大壩、溢洪道和輸水洞三部分組成，總庫容1 675萬m3，是一座以防洪為主，兼顧灌溉和供水等綜合利用的中型水庫。

壩型為碾壓式均質土壩，其壩頂高程1 092.4 m，最大壩高為43.4 m，壩長300 m，壩頂寬 6.5 m。

溢洪道為河岸開敞式，梯形斷面，為一土質泄槽，溢洪道長210 m。原設計最大泄量779 m3/s。自進口向下游60 m處建有高11 m，寬4 m的鋼筋混凝土4孔橋。

輸水隧洞為漿砌石結構，進口設臥管，共18級(2排36孔)，孔徑0.8 m，單孔泄量0.8 m3/s，由于操作不便，止水不良，漏水嚴重，于1980年將右排的各級下降0.5 m，進水孔直徑改為0.5 m，設0.8 m×0.8 m的鑄鐵蓋板。原左排直徑0.8 m的孔用蓋板封閉。

壩下輸水洞進口高程1 061.5 m，出口高程1 059.3 m，長197 m，縱坡1.33%，斷面為半圓拱形，拱高0.7 m，底部高×寬=2.2 m×1.2 m，最大泄量 3 m3/s。

2 壩體質量

2.1 壩體土物理力學指標

壩體土用料為大壩右岸的低液限粘土。勘察中試驗樣品采用了探井取樣和鉆孔取樣的方法。從勘探和試驗結果看，大壩土體可分為兩層，下部一層(Qs1)土質比較均勻，不含雜質，上部土(Qs2)中含有碎石等雜質。

壩體含碎石土(Qs2)的粒度成分為:大于20 mm含量7.7%～61.6%，平均 42.1%;20 mm ～ 2 mm 含量 7.2% ～ 36.2%，平均16.8%;2 mm ～0.5 mm 含量2.8%～7.2%，平均4.6%;0.5 mm ～0.25 mm 含量 0.9%～4.5%，平均 2.2%;0.25 mm ～0.075 mm 含量1.5% ～ 5.7%，平均 2.7%;小于 0.075 mm 含量 22.6% ～44.3%，平均 31.6%;不均勻系數 Cu=51.4，曲率系數 Cc=3.21，見表1。標貫擊數修正值5.0～8.4，平均6.6，屬于稍密狀態，均勻性差。

據土工試驗資料，壩體土(Qs1)的粒度成分為:砂粒含量0.2%～1.1%，平均值0.6%，粉粒含量 55.4% ～ 64.6%，平均值61.6%，粘粒含量34.8%～44.4%，平均值37.8%。壩體土干密度 1.32 g/cm3～1.76 g/cm3，平均值 1.55 g/cm3。

壩體土干密度大于1.60 g/cm3的，占29.2%，干密度1.60 g/cm3～1.50 g/cm3的，占29.2%，干密度1.50 g/cm3～1.40 g/cm3的，占20.8%，干密度小于1.40 g/cm3的，占20.8%。標貫擊數修正值3.1 ～17.9，平均10.8，稍密，均勻性較差。

根據試驗資料，經統計分析提出壩體土的物理力學指標為:含水率17.9%～30.0%，平均值為 21.8%;比重 2.70;天然密度1.63 g/cm3～2.05 g/cm3，平均值為1.87 g/cm3;干密度1.32 g/cm3～1.67 g/cm3，平均值 1.52 g/cm3;飽和密度 1.98 g/cm3，孔隙比0.549 ～1.059，平均值為0.771;壓縮系數 0.09 MPa－1～0.565 MPa－1，平均值為0.22 MPa－1，具中等壓縮性;壓縮模量3.5 MPa ～18.1 MPa，平均值為9.91 MPa;壩體土抗剪強度建議值:有效應力強度凝聚力 c′=18.6 kPa，內摩擦角 φ′=21.2°。滲透系數1.00 ×10－5cm/s～2.40 ×10－5cm/s，建議值為2.40 ×10－5cm/s。

表1 壩體含碎石土層(Qs2)顆分統計表

2.2 壩體土滲透變形判別

經進行滲透變形判別，結果壩體土滲透變形類型為流土，臨界水力比降1.004，除以安全系數2.0，得到允許水力比降為0.50。

2.3 壩體土濕陷性

勘察中對壩體土進行了濕陷試驗，按照GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范，自重濕陷量Δzs(cm)和總濕陷量Δs(cm)分別按式(1)，式(2)計算:

其中，δzsi為第i層土的自重濕陷系數;δsi為第i層土的濕陷系數;hi為第i層土的厚度，mm;β0為因地區土質而異的修正系數，本區取0.50;β為土的受水浸濕可能性和側向擠出等因素的修正系數，0 m～5 m深度內取值1.5;5 m～10 m深度取值1.0。

經計算評價，壩體土局部具濕陷性，濕陷下限深度為6.0 m，壩體土總濕陷量52.5 mm～130.5 mm，自重濕陷量為0 mm～14.5 mm。濕陷起始壓力61 kPa～160 kPa，濕陷類型為非自重濕陷，濕陷等級為Ⅰ級(輕微)。壩頂和壩坡面不甚平整，可造成積水，建議進行整平夯實，消除壩面積水條件，建議對壩坡進行護坡及排水處理。

3 溢洪道

溢洪道位于大壩左岸50 m處，為一河岸開敞式土泄槽，梯形斷面，進口底高程1 081.4 m，寬17 m，全長210 m。僅進口60 m長兩側墻采用漿砌石襯砌，但已多處風化脫落。溢洪道原設計最大泄量779 m3/s。自進口向下游60 m處建有高11 m，寬4 m的鋼筋混凝土4孔橋。

溢洪道中上部地段(交通橋地段)為開挖基巖形成，槽底與槽壁下部巖性為奧陶系中統峰峰組白云質灰巖，上部為土壁，該段長度約為70 m。其上下游地段均為土質槽壁與槽底。溢洪道土體為第四系中更新統洪積低液限粘土。土的物理力學指標見表2。

含水率 13.4%～15.3% ，平均值為 14.4%;比重 2.72;天然密度1.88 g/cm3～ 2.08 g/cm3，平均值為 2.01 g/cm3;干密度1.65 g/cm3～1.80 g/cm3，平均值 1.76 g/cm3;孔隙比 0.508 ～0.652，平均值為 0.550;壓縮系數 0.06 MPa－1～0.09 MPa－1，平均值為 0.073 MPa－1，土具低壓縮性。

溢洪道地形較平緩，地基與邊坡的巖土工程性質良好，無不良地質作用，故溢洪道地質條件較好。為抵御洪水的沖刷，溢洪道需進行襯砌防護，原漿砌石襯砌已破損部分需拆除重新襯砌。

表2 溢洪道土層物理力學指標統計表

4 輸水涵洞

輸水涵洞置于大壩左端的巖基上，為漿砌石結構，進口設臥管，共18 級(分2 排共36 孔)，孔徑0.8 m，單孔泄量0.8 m3/s，由于止水不良，漏水嚴重，于1980年將右排的各級下降0.5 m，進水孔直徑改為0.5 m，設0.8 m×0.8 m的鑄鐵蓋板。原左排直徑0.8 m的孔用蓋板封閉。

輸水涵洞進口高程1 061.5 m，出口高程1 059.3 m，長197 m，縱坡1.33%，斷面為半圓拱形，拱高0.7 m，底部高×寬=2.2 m×1.2 m，最大泄量3 m3/s。輸水涵洞地基巖土工程性質較好，但是漿砌石結構隔水能較差，且又年久失修，產生裂縫和風化脫落等破損，這樣在水流下泄時可能對壩體土與涵洞漿砌石之間發生界面接觸沖刷破壞。建議對涵洞進行防滲加固處理。

5 結論及建議

1)左壩肩分布卵石混合土，之下為強風化石灰巖，均屬強透水層，故左壩肩易產生滲漏問題。

2)壩基地層主要為第四系中更新統淺紅色低液限粘土，靠近左側有1.4 m厚的砂礫石層。建庫時在壩軸線上游60 m處筑有粘土截水槽(但未伸入相對不透水層)。截水槽對卵石混合土層起了一定的隔水作用，但壩基防滲做的不徹底。水庫淤積厚度約13.7 m，對壩基滲漏條件起到了一定的改善作用。

3)右壩肩為第四系中更新統低液限粘土，土層工程性質較好，滲透性微弱。筑壩時壩肩岸坡做了清坡處理，并做了結合槽。右壩肩工程地質條件良好。

4)壩體土局部具濕陷性，濕陷下限深度為6.0 m，濕陷類型為非自重濕陷，濕陷等級為Ⅰ級(輕微)。建議進行壩面整平夯實，消除壩面積水條件，對壩坡進行護坡及排水處理。

5)壩體土滲透變形類型為流土，允許水力比降為0.50。壩體土抗剪強度建議值:有效應力強度凝聚力c′=18.6 kPa，內摩擦角φ′=21.2°。滲透系數建議值為 2.40 ×10－5cm/s。

6)溢洪道地基與邊坡的巖土工程性質良好，無不良地質作用，地質條件較好。溢洪道需進行襯砌防護，原漿砌石襯砌破損部分需拆除重新襯砌。

7)輸水涵洞地基巖土工程性質較好，但是漿砌石結構其力學強度低，防滲性能差，又年久失修，產生裂縫和風化脫落等破損。建議對涵洞進行防滲加固處理。