三里莊水庫西副壩0+560～0+780壩基滲透變形評價

■付大慶王彥軍張濤

（1濰坊市水利建筑設計研究院山東濰坊261205；2山東正元建設工程有限責任公司山東濟南250101）

三里莊水庫西副壩0+560～0+780壩基滲透變形評價

■付大慶1王彥軍2張濤2

（1濰坊市水利建筑設計研究院山東濰坊261205；2山東正元建設工程有限責任公司山東濟南250101）

本文對壩基粉質黏土與礫粗砂在兩種工況下的滲透變形進行分析，得出壩基粉質黏土滲透破壞類型為流土型，礫粗砂滲透破壞類型為管涌型或過渡型。在現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，壩基土層不會發生滲透破壞。

三里莊水庫 壩基 滲透變形

0　引言

三里莊水庫位于諸城市南外環處，總庫容6912萬m3，興利庫容2334萬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中型水庫。1999年8月12日該水庫遭受歷史罕見特大暴雨襲擊，日降雨量達640mm，占年平均降雨量750mm 的85.3%。水庫出現重大險情，西副壩坍塌、滑坡29處，長738m；裂縫31處859延米；管涌區兩片。同年9月進行除險加固，2005年8月通過主體工程驗收。1999年9月30日，山東水利學會科學技術咨詢服務中心對《諸城市三里莊水庫除險加固工程可行性研究報告》進行評估，認為“西副壩壩基屬雙層結構，現有地質資料不足以說明實際發生的滲透變形、壩坡失穩的原因和壩基地震液化的可能性。應在收集有關地質資料的基礎上進一步分析論證。西副壩加固方案應在補充地質勘探資料后進行優化。”2009年2月20日～3月11日，國家審計署審計除險加固工程，發現初步設計階段沒有進行補充地質勘探，評估意見在《諸城市三里莊水庫除險加固工程初步設計報告》中沒有得到落實，該工程重點隱患沒有得到徹底消除。

本文分兩種工況對壩基滲透變形進行分析評價。

1　壩基地質概況

通過加固，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，壩后草皮護坡，壩前干砌塊石護坡，水體污染較輕。壩前漁塘數個，是由修建非常溢洪道開挖導流溝廢棄而成，單個東西長±85m，南北寬±40m。自南向北分布于整個壩前，只在0+780處附近因1999年出現管涌險情而填平植滿楊樹。

壩基分布兩層土，下伏泥巖。層①粉質黏土：黃褐色～深黃褐色，飽和，可塑，塑性指數14.8，黏粒含量平均17.4%，粉粒含量平均82.6%，滲透系數1.3×10～5cm/s，弱透水，近微透水，中等壓縮性。該層分布連續，層厚穩定，厚達9.10m～12.20m，平均厚度±10m，層底高程58.54m～60.61m，為壩基良好的相對隔水層。層②礫粗砂：淺黃褐色，飽和，標貫擊數平均34擊，呈密實狀態。在豎向上砂粒分布不均，上部呈中細砂狀，中部呈中粗砂狀，下部呈礫砂、礫石狀，礫石大者直徑達60mm，呈偏平狀。可取成柱狀巖心，含±5%的黏粒。該層分布連續，層厚穩定，厚達2.30m～3.80m，平均厚度±3m，層底高程55.04m～57.51m。滲透系數3.9×10～2cm/s，強透水等級。

2　壩基滲透變形

壩基屬雙層結構，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，庫水位超過歷史最高水位，達到72.02m，超過警戒水位0.13m。12日10時～11時，在樁號0+780和0+560處壩后出現兩片管涌區，至14日12時30分管涌有所發展，15日7時西副壩出現縱橫向裂縫，局部壩段有滑坡跡象。若壩前無漁塘，壩基連續，表層黏性土厚達±10m，則只能發生層①粉質黏土的流土破壞。而管涌確已發生，唯一可能的原因是壩基表層土被破壞，庫水與層②礫粗砂承壓水連通，故在壩后的某些薄弱處發生管涌。壩前漁塘是由上世紀60年代初修建非常溢洪道開挖的導流溝廢棄而成，深3.36m，其時開挖深度3.8m～4.8m，經過近50余年的淤積，量測承壓水頭等于5.7m，則漁塘底粉質黏土最小厚度，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—漁塘開挖深度/m；Pw—承壓水頭/kPa。

漁塘底粉質黏土飽和容重19.2kN/m3，計算得最小厚度須3.3m。ZK6處砂層埋深11.2m，則當時開挖導流溝時最小厚度等于3.95m，二者相差僅半m余，在當時施工及其后若干年的時間的某個時刻，將此0.65m的安全厚度破壞，由此成為8?12管涌的始作俑者。

針對西副壩邊界條件，按以下兩種工況進行壩基滲透變形分析評價。

2.2工況一：壩前漁塘保持現狀

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

（1）類型判別。層②級配連續，粗細粒的區分粒徑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。

通過計算(表1)，壩基層②滲透破壞類型為管涌型或過渡型。

表1　壩前漁塘保持現狀壩基層②礫粗砂滲透類型判

（2）臨界水力比降。管涌型臨界水力比降據式：

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。

通過計算(表2)，平均臨界水力比降等于0.77。

表2　壩前漁塘保持現狀壩基礫粗砂臨界水力比降

（3）允許水力比降。三里莊水庫為諸城市的頭頂水庫，地理位置特別重要。安全系數取2.0，計算得允許水力比降等于0.39。在壩前漁塘保持現狀的情況下，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(假設承壓水頭達近10m)。壩后表層黏性土厚達± 10m，上覆壓力達近200kPa，因此，不可能發生管涌。既使壩后開挖基坑，通過實測承壓水頭，只要保證基坑底的厚度大于規范的最小安全厚度值，同樣也不會發生管涌或突涌。

2.3工況二：壩前漁塘填平

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

（1）類型判別。壩基表層粉質黏土的滲透變形破壞類型是流土。

（2）臨界水力比降。流土型臨界水力比降據式：

計算結果見表3。

表3　壩前漁塘填平壩基粉質黏土臨界水力比降

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

（4）出逸坡降。據《水工設計手冊》第三冊，“不透水地基上均質土壩的滲流中的‘無表面排水的均質土壩’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，壩基表層粉質黏土不會發生流土破壞。

3　結論

分兩種工況對壩基粉質黏土與礫粗砂進行滲透變形分析，粉質黏土滲透破壞類型為流土型，礫粗砂滲透破壞類型為管涌型或過渡型。在現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，壩基土層不會發生滲透破壞。

TV62[文獻碼]B

1000～405X（2016）～4～222～1

付大慶（1974～），男，碩士，高級工程師，研究方向為地質、巖土、土 (水)工結構。