青松水庫大壩滲流穩定分析及處理措施

2014-10-28 07:11:20賈克梅

黑龍江水利科技 2014年2期

王偉，賈克梅

(1. 葫蘆島市水利勘測設計院，遼寧葫蘆島125000;2. 葫蘆島市水利局，遼寧葫蘆島125000)

1 工程概況

青松水庫位于綏中縣九江河支流上游，是一座以灌溉為主的小(1)型水庫。水庫原設計洪水標準為50 a一遇，校核洪水標準為500 a一遇。原設計死水位48.3 m，死庫容25.89萬m3;正常水位52.9 m，正常水位庫容117.33萬m3;設計洪水位54.12 m，設計洪水位庫容172.65萬m3;校核洪水位54.57 m，校核洪水位庫容205.64萬m3。

本次滲流穩定分析所采用的設計洪水標準為30 a一遇，校核洪水標準為300 a一遇，溢洪道消能防沖標準為20 a一遇。采用的水庫特征水位為，校核水位54.39 m，校核庫容191.39萬m3，設計水位53.9 m，設計庫容159.59萬m3，正常水位52.9 m，正常庫容117.33萬m3。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水洞3 部分組成。土壩為黏土心墻砂殼壩，大壩長340 m，壩頂高程56.4 m，壩頂寬5 m，最大壩高13.5 m。溢洪道堰頂高程為52.9 m，溢洪道為開敞式駝峰堰，堰寬50 m，堰上有交通橋。在水庫左壩端建有輸水洞，為鋼筋混凝土結構，洞徑0.6 m，進口底高程為48.3 m，出口在壩下［1］。

2 工程地質和水文地質情況

主要包括2個方面的內容:

2.1 工程地質條件

壩址區屬構造剝蝕丘陵地貌，坡緩頂圓，地形起伏不大。兩壩肩小山崗邊坡平緩，未見有滑坡等不良物理地質現象。壩址區出露的地層巖性有綏中花崗巖體以及第四系松散堆積物。

本區位于綏中凸起的西北部，經本次鉆探、物探測試和地表地質工作查明壩址區無大的地質構造通過，壩址區的主要次生構造為節理裂隙及巖脈。

在大壩左側壩角處出露兩條花崗偉晶巖脈，走向99°，南傾，規模較小，厚度約2.0 m，巖脈內有兩組裂隙發育，分別為南北走向和東西走向。壩址內基巖發育的節理主要為一組，走向近東西，節理密度5～7 條/m。

2.2 水文地質條件

區內地下水類型主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，第四系孔隙水賦存于河床的砂卵(礫)石中，水量較為豐富，滲透好;溝谷和平緩山坡的殘積土及黏性土中孔隙潛水，水量小，滲透差，該類型水主要來源大氣降水補給，排泄于沖溝、水庫及河流中，地下水位埋藏較淺，地下水與河水有著密切的水力聯系。

基巖裂隙水埋藏于裂隙發育且連通性較好的風化帶巖體中，受大氣降水補給，以地下徑流的方式向溝谷或低洼處排泄，雨季時多以泉的方式出露，地下水動態類型屬降雨—徑流型。

3 滲流安全評價分析

青松水庫建于1977年，1980年竣工。原設計要求把壩基范圍內地表腐殖質和雜物等全部清除，但實際施工時地基清理未達到設計要求。原設計要求將強風化巖帶全部清除，大壩截水墻建條幅在新鮮巖石上，實際施工中左側壩段的破碎帶及右側壩段巖石風化較嚴重的部分清理不好，壩后有明顯滲流現象。據現場檢查，大壩滲漏較為嚴重，每年汛后9月份至第二年3月末，庫水位下降0.6 m左右，蓄水量減少10萬m3。

3.1 壩址工程地質評價

主要包括2個方面的內容:

3.1.1 壩基壩體土的分布

大壩興建時設計清基2.0 m，壩基選擇強風化巖體上，黏土心墻底標高設計在中風化巖體內，經調查在大壩及防滲體施工中有多段開挖不徹底沒有達到設計要求。兩側壩肩清基不到位，心墻基槽開挖至強風化帶。河床段破碎帶施工中沒有得到及時的科學有效的處理。

3.1.2 壩基巖體滲漏評價

壩基出露基巖為太古代綏中花崗巖體，上部強風化巖體厚度為3.0 ～5.0 m(調查)。本次壩基巖體滲透主要依據鉆孔壓水試驗進行分析評價，試驗方法采用單管頂壓式單栓塞方式至上而下分段進行，試驗過程按SL25—92 規程進行，據4個鉆孔8段次壓水試驗成果，在壩基巖體強、弱風化帶中滲透較為嚴重，巖石透水率一般為11.44 ～19.20 Lu，屬中等透水層，局部可達強透水程度，滲透類型主要為紊流、擴張型，微風化巖石透水率一般為0.75 ～1.95 Lu，屬微—弱透水層，沖蝕、充填型滲透。

從壓水試驗成果分析:大壩滲漏主要發育在壩基下0 ～15 m的位置，巖體的強、中風化帶中。結合物探的異常斷面估算水庫漏失量，在現有的庫內水頭壓力作用下，漏失量約為800 m3/d。

3.2 大壩防滲體質量分析

具體包括2個方面:

3.2.1 防滲體填筑土物理力學性能分析

根據勘探的外業測試和室內土工試驗成果，防滲體填筑土的成份為礫質黏土和砂質黏土，其成份組成:礫含量5% ～12%，砂含量12% ～24%，粉粒含量36% ～42%，黏粒含量18% ～28%，從填筑土顆粒組成看土的均一性較好。

防滲體干密度1.46 ～1.74 g/cm3，濕密度1.89～2.12 g/cm3，孔隙比0.55 ～0.85，壓縮系數e =0.26 ～0.48MPa－1，內聚力C =22 ～61kPa，內摩檫角Ф =13° ～20°，標準貫入擊數N =7.2 ～10.8 擊，上述物理力學指標和標貫測試參數的變化不大，說明壩體填筑材料較均勻，兩者力學性質較為接近，僅局部土樣屬高壓縮性，含水量偏高。

3.2.2 壩體填筑土滲透性分析

土工試驗測定防滲體的滲透系數變幅為5.3 ×10－5～5.9 ×10－5cm3/s，從滲透指標看防滲體的滲透性差異不大，但ZK1 孔注水試驗成果僅為4.2 ×10－4cm3/s。在ZK2、ZK3 鉆探施工中8.5 ～16 m深度壩體不同程度漏水，漏失量＞160 L/min，至使在兩孔壩體內定水頭注水試驗失敗，上述情況說明壩體質量存在瑕疵，可能是因為防滲體發生斷裂、動物洞穴的存在或是大壩填筑不密實由于水的作用所致。

勘探、調查結果表明，大壩及防滲體施工中有多段開挖不徹底沒有達到設計要求。兩側壩肩清基不到位，心墻基槽開挖至強風化帶。河床段破碎帶施工中沒有得到及時的科學有效的處理。左側壩端有繞滲現象，施工時破碎帶沒處理好，施工時壩體與山體連接處沒處理好;壩體中部有滲漏現象，主要是地質條件不好，施工質量差是造成滲漏的原因。

3.3 大壩滲流及穩定分析

大壩工程現狀為黏土心墻壩，大壩長340 m，壩頂高程56.4 m，壩頂寬5 m。最大壩高13.5 m。迎水坡比為1∶2.75，背水坡比為1∶2.25。心墻頂高程55.4 m，心墻底高程36.9 m。

迎水壩坡為干砌石護坡;背水壩坡為自然坡，沒有防護，壩后有排水設施。壩頂設有漿砌石防浪墻，墻高1.0 m，厚度0.5 m;壩頂為柏油路面。大壩已經安全運行近30 a，壩體未發現大的沉降，壩體上下游壩坡不存在滑移現象。大壩斷面如圖1 所示。

圖1 青松水庫大壩斷面圖

3.3.1 壩體滲流穩定分析

主要包括2個方面:

3.3.1.1 大壩填筑材料分析

土料檢測成果表、大壩填筑材料計算指標表及大壩心墻黏土粒組和粒徑級配表分別見表1 ～表3。

表1 土料檢測成果表

表2 大壩填筑材料計算指標表

表3 大壩心墻黏土粒組和粒徑級配表

3.3.1.2 滲透穩定分析

滲透變形型式判別采用《水利水電工程地質勘察與技術規范》(GB50487—2008)中的附錄G 的方法判別。土的不均勻系數計算公式為:

式中:Cu為土的不均勻系數;d60為小于該粒徑的含量占總土重60%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。

細顆粒含量的確定符合分為級配不連續的土和級配連續的土兩類。其中，顆粒大小分布曲線上至少有1個以上粒組的顆粒含量≤3%的土，稱為級配不連續的土。

以上述粒組在顆粒大小分布曲線上形成的平緩段的最大粒徑和最小粒徑的平均值或最小粒徑作為粗、細顆粒的區分粒徑d，相應于該粒徑的顆粒含量為細顆粒含量P;級配連續的土:粗粒、細粒的區分粒徑為:

式中:d70，d10為小于該粒徑的含量占土重的顆粒粒徑，mm。大壩壩殼料粒組和粒徑級配表如表4所示。

表4 大壩壩殼料粒組和粒徑級配

由于壩殼料為連續級配土，其不均勻系數Cu﹥5，根據《水利水電工程地質勘察與技術規范》(GB50487 －2008)中的附錄G 的方法判別規范要求:不均勻系數＜5 的土可判為流土;對于不均勻系數＞5 的土可采用下列辨別方法如下:

當P ≥35%為流土;當25%≤P ＜35%為過渡型取決于土的密度、粒級和形狀;當P ＜25%時為管涌。

根據大壩壩殼料粒組和粒徑級配計算指標確定砂礫料細粒含量:df=3.85，對應細粒含量pc=21.9，Pc﹤25%，因此土的滲透變形為管涌。

因此壩體砂礫料發生滲透變形類型為管涌。

壩殼料管涌臨界水力坡降計算公式為:

黏土心墻流土臨界水力坡降計算公式為:

允許比降計算公式為:

式中:Jcr為土的臨界水力比降;Gs為土的顆粒密度與水的密度之比;K 為安全系數，根據工程重要性選取1.5。

滲透穩定計算成果見表5。

表5 滲透穩定計算成果表

3.3.2 壩體滲流及壩坡穩定分析基本資料

3.3.2.1 計算標準

擋水建筑物級別為4 級，設計洪水標準為30 a一遇，校核洪水標準為300 a一遇。

1)壩體滲流計算模型:大壩心墻筑在巖石上，巖石認為不透水，下游壩腳有棱體排水，不考慮心墻上游壩體部分對滲流影響，計算模型為大壩在有限透水地基上，心墻筑至不透水層，下游有排水設備［2］。

2)計算特征水位:見表6。

表6 水庫特征水位表

3)壩體滲流計算工況:a)上游正常蓄水位與下游相應的最低水位;b)上游設計洪水位與下游相應的水位;c)上游校核洪水位與下游相應的水位;d)庫水位降落時上游壩坡穩定最不利的情況。

4)壩坡穩定計算工況:a)穩定滲流期的上下游壩坡;b)水庫水位降落期的上游壩坡。

上游邊坡:正常蓄水位穩定滲流期(52.90 m);設計洪水位穩定滲流期(53.91 m);校核洪水位穩定滲流期(54.39 m);校核洪水位降至防洪限制水位(54.39 ～52.90 m)

下游邊坡:正常蓄水位穩定滲流期(52.90 m);設計洪水位穩定滲流期(53.91 m);校核洪水位(54.39 m)。

5)計算采用程序包括2個方面:

a)滲流計算程序采用水利部推廣應用的《水利水電工程土石壩設計軟件》中《土石壩二向穩定及不穩定滲流計算程序》。

二維滲流方程:

式中:Kx，ky為x 向和y 向的滲流系數;H 為滲流場中某一點的滲壓水頭，m。

b)壩體邊坡穩定滑弧計算采用水利部推廣應用的《水利水電工程土石壩設計軟件》中的《土石壩邊坡穩定分析(STAB)》。計算方法采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法:

式中:W 為土條重量;u 為作用于土條底面的孔隙壓力;a 為條塊重力線與通過次條塊底面中點的半徑之間的夾角;b 為土條寬度;c'φ' 為土條底面的有效應力抗剪強度指標。

壩體邊坡直線滑坡計算采用計算公式為:

式中:φ 為卵石混合土天然休止角;a 為壩坡水平夾角。

壩體邊坡穩定計算成果見表7。

6)滲流分析:依據規范《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)規定，對4 級壩采用公式法計算確定各種滲流因素。滲流計算成果表見表8。

3.4 滲流安全綜合評價

綜合分析青松水庫滲流、滲透穩定不滿足現行規范要求。壩體在0 +040 ～0 +260 范圍內，高程14.99 m以下范圍內的壩體及黏土心墻存在滲漏問題。由于建壩時壩肩和壩基未清除徹底，也未做任何處理，致使的風化巖層都存在滲漏問題。

4 防滲處理措施

青松水庫采用壓力灌漿法對大壩黏土心墻和壩基進行防治處理。防滲帷幕線位于大壩黏土心墻軸線上，壩基和壩體長度為227 m，壩肩長度為20 m，灌漿孔布置一排，壩肩先灌，后灌壩基和壩體，壩基和壩體孔距1.5 m，壩肩平均灌漿深度為10 m，孔距2.0 m，壩基平均深度為基巖以下4 m。

壩基和壩肩采用水泥漿，壩體采用黏土槳，均分3 序進行，由于暫沒有灌漿試驗資料，灌漿壓力由試驗確定［3］。采用孔口封閉自上而下分段循環式灌漿法進行灌漿。孔口管鉆孔孔徑110 mm，孔口管管徑108 mm，巖石內鉆孔孔徑≥65 mm。正式灌漿施工之前，利用先導孔鉆孔資料驗證地勘成果，并對防滲帷幕設計進行補充修正。

為確保灌漿質量，要求水泥使用42.5 號普通硅酸鹽水泥，黏土采用優質黏土。各段灌漿壓力以孔口為準。帷幕灌漿屏漿壓力≥1.0 MPa。為確保灌漿效果。利用先導孔進行灌漿試驗，可對灌漿參數進行必要調整。