李家梁水庫大壩滲漏原因與穩(wěn)定性分析

劉 軍,席旺富

(榆林市榆陽區(qū)中營盤水庫服務(wù)中心，陜西 榆林 719000)

李家梁水庫于2006年10月蓄水運(yùn)行以來，壩后多處出現(xiàn)不同程度的集中滲流問題。2014年4月—2017年5月，先后進(jìn)行了3～4次不同規(guī)模的壩后滲漏處理，但效果不明顯，始終未解決大壩滲漏問題。為了確保水庫安全運(yùn)行，需對滲漏原因進(jìn)行深入分析。

1 概 況

李家梁水庫位于榆林市西北約40 km的孟家灣鄉(xiāng)曹家梁附近圪求河上，是一座以城鎮(zhèn)供水為主，兼顧灌溉、防洪、養(yǎng)殖的中型水利工程[1]。水庫樞紐主要由大壩、放水塔、引水泄洪洞等建筑物組成。水庫正常蓄水位1167.6 m，死水位1157.3 m，總庫容2340萬m3。水庫大壩為均質(zhì)砂壩，壩頂高程1170 m，最大壩高25 m，壩頂長874 m，上、下游壩面坡坡比分別為1∶3.5和1∶3.0。沿砂壩上游面斜鋪復(fù)合土工膜，河庫及兩岸也鋪設(shè)復(fù)合土工膜，長100 m。

2 滲漏現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，較明顯的滲水點(diǎn)多達(dá)32處，其中，右壩肩下游側(cè)坡3處，左壩肩下游側(cè)坡5處，左壩肩縱向排水溝9處，壩后坡腳排水渠15處。有明顯挾砂的點(diǎn)主要位于左岸，分布在壩后排水渠靠近左岸與縱向排水渠相接部位，說明此區(qū)域不但已發(fā)生庫水滲漏，同時(shí)還存在滲透穩(wěn)定問題；兩岸壩后側(cè)坡滲水逸出點(diǎn)主要以滲流為主，未發(fā)現(xiàn)明顯的明流；壩后排水渠中的排水棱體中大多為明流流出，或渠底冒水等形式流出。

由于絕大部分滲流點(diǎn)均位于渠底或池塘邊，單點(diǎn)流量較難量測，對壩后排水渠流量進(jìn)行簡易的量測，得知滲漏水量約為95 L/s，加上兩岸半坡處的滲漏量，近100 L/s,滲入魚塘的滲漏量無法估算。

3 滲漏特征分析

從滲漏點(diǎn)的分布位置，可以將壩區(qū)滲漏點(diǎn)分為兩類，一類位于壩后反濾體下游排水渠中，主要為壩體和壩基部位的滲漏，一類位于近壩岸坡坡腳，主要為繞壩滲漏點(diǎn)。

左、右岸壩后邊坡主要為滲出狀態(tài)，無明流出現(xiàn)，壩后橫向排水渠和左岸縱向排水渠中主要為從反濾棱體塊石縫隙中呈滲流狀態(tài)，渠底有多處表現(xiàn)為冒水，在左岸坡腳局部有挾砂現(xiàn)象，左岸縱向排水渠和橫向排水渠靠左岸部分漏水點(diǎn)呈窩狀密集式分布。

排水渠中匯集的滲漏水，一部分是經(jīng)過排水棱體及其土工布過濾后流出，呈無壓狀態(tài)，未見挾砂。另一部分是從渠底出水點(diǎn)向上冒出，有的出水口有砂土似沸騰狀，表現(xiàn)有一定的壓力，且局部有挾砂現(xiàn)象。兩岸岸坡的滲漏水量較小，未見明顯的挾砂現(xiàn)象。

之前在排水渠樁號0+293m～0+328m段，渠底挾砂冒水明顯，后進(jìn)行壩后坡腳培厚和重修反濾等處理措施后，在本次勘察中該段未明顯發(fā)現(xiàn)挾砂現(xiàn)象，樁號0+340m～0+430m段渠底只堆積少量砂，偶見少量細(xì)砂堆積，冒水挾砂現(xiàn)象亦較少，可見經(jīng)過處理，挾砂現(xiàn)象有了明顯的改善，但漏水量并未明顯減少。

4 滲漏原因分析

4.1 蓄水后壩址區(qū)水文地質(zhì)特征

由于壩址區(qū)位于陜北風(fēng)沙區(qū)，風(fēng)積成因的砂層在壩址區(qū)廣泛分布，分布厚度大于100 m，故地下水為孔隙式潛水，水庫在蓄水以前，兩岸地下水位高程在1145～1148 m，兩岸水位均高于河床水位，兩岸地下水向河谷排泄。通過勘察發(fā)現(xiàn)，建庫后，兩岸壩肩及壩后側(cè)坡的地下水均低于庫水位，因此，壩址區(qū)蓄水后是庫水補(bǔ)給地下水。

4.1.1 壩體

李家梁水庫大壩為水墜砂填筑[2]，筑壩材料均為圪求河兩岸風(fēng)積砂層，根據(jù)勘察資料顯示，以細(xì)砂為主，少量為中砂，砂質(zhì)均勻性較差。已建大壩上游坡面采用復(fù)合土工膜防滲，下游坡腳設(shè)計(jì)有反濾及排水體結(jié)構(gòu)。水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位1167.6 m，但未達(dá)此高程運(yùn)行。在2013年壩后滲漏調(diào)查的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)水位高程為1163.4 m時(shí)的壩體浸潤線均已高于壩體原設(shè)計(jì)正常蓄水位時(shí)的計(jì)算浸潤線。現(xiàn)狀浸潤線在反濾體前呈明顯凸起狀，反濾體有一定的阻水性。故進(jìn)行了重修反濾層，并進(jìn)行壩后坡腳培厚和壓實(shí)處理。

通過勘探，實(shí)測浸潤線跟設(shè)計(jì)浸潤線基本重合，跟2013年調(diào)查結(jié)果對比，壩體的浸潤線有所下降，壩體水位無明顯的凸起或雍高現(xiàn)象，由此看來，上次的重修反濾層和壩后坡腳培厚、壓實(shí)等的處理措施，對降低壩體浸潤線有明顯的效果。通過多個(gè)橫斷面計(jì)算，鉆孔中實(shí)測的水力坡度為0.287。

4.1.2 兩岸壩肩及壩后側(cè)坡

大壩兩側(cè)岸坡經(jīng)地表調(diào)查，在近岸均有溢出點(diǎn)，左岸溢出點(diǎn)高程1150.0～1151.0 m，排水渠中也有滲出，高程為1145.8～1146.0 m，右岸逸出點(diǎn)靠近上游距離壩肩70.0 m高程1159.0 m處和距離壩肩160.0 m高程1157.0 m處，均有地下水逸出點(diǎn)。結(jié)合兩岸勘探鉆孔和坑槽水位，兩岸均未揭露地下分水嶺，兩岸壩肩和壩后側(cè)坡水位均低于庫水位，壩肩和壩后兩岸側(cè)坡形成一定的水力比降，水力坡度為0.344，均為庫水補(bǔ)給地下水。

試驗(yàn)結(jié)果的允許水力坡降為0.21～0.25，壩體和壩基的水力坡度均大于允許水力坡降，壩址區(qū)兩岸地下水均低于正常蓄水位，且壩址區(qū)兩岸不存在地下分水嶺，這將為壩基和壩肩滲漏提供必要的水動力條件。

4.2 滲漏途徑及滲漏方式

4.2.1 滲漏途徑

壩址區(qū)的滲漏途徑主要有壩體、河床壩基和兩岸壩肩的繞壩滲漏，通過勘察，壩體填筑料均來自兩岸風(fēng)積砂，粘粒含量極少，按規(guī)范定名屬中細(xì)砂，施工采用水沖填砂土，未經(jīng)人工夯實(shí)，中等密實(shí)。河床壩基和兩岸壩肩分布的巖層主要為：沖積(Q4al)細(xì)砂層，厚10～20 m，干密度ρd=1.44 g/cm3，滲透系數(shù)K=6.17×10-3cm/s，屬中等透水層，中等密實(shí)；風(fēng)積(Q3-4eol)中細(xì)砂層，厚度30～40 m，河床壩基和兩岸壩肩均有分布，分布深度10～50 m，干密度ρd=1.47 g/cm3，滲透系數(shù)KH=5.20×103cm/s，屬中等透水層，中等密實(shí)；兩岸壩肩的Q4eol細(xì)砂層，厚10～15 m，主要分布于兩岸壩肩，干密度ρd=1.39 g/m3，滲透系數(shù)K=1.2×10-2cm/s，屬中等透水層，屬松散～稍密。

組成壩體土和河床及兩岸壩肩分布的巖層均為無黏粒含量或含極少量黏粒的細(xì)砂層，均屬于中等透水巖層，且透水層貫通上、下游，透水層分布高程低于正常蓄水位，為蓄水后的滲漏創(chuàng)造了基本條件。

4.2.2 滲漏方式

為進(jìn)一步查明滲漏方式，在兩岸壩肩和壩體及壩基部位，布設(shè)3條電磁法剖面、2條高密度電法剖面和一條偽隨機(jī)流場剖面。

(1)瞬變電磁探測成果分析。用TEM1測線和TEM2測線對滲漏區(qū)進(jìn)行測漏，根據(jù)現(xiàn)場滲漏情況及相關(guān)勘探資料，圈定的滲漏區(qū)域達(dá)27處，位于高程1145～1155 m之間。

(2)高密度電法探測成果分析。用GMD1測線測定，由視電阻率剖面圖分析，壩體和壩基及兩岸壩肩中均存在滲漏，在樁號240 m～660 m范圍內(nèi)相對較密集。結(jié)合現(xiàn)場滲漏調(diào)查情況及相關(guān)勘探資料，圈定了滲漏的區(qū)域19處。

(3)偽隨機(jī)流場探測成果分析。瞬變電磁和高密度法用以檢測堤壩缺陷，偽隨機(jī)流場法用以解決滲漏入水問題。滲漏點(diǎn)主要集中在測線的 242～264 m和290～320 m范圍內(nèi)，其中290～320 m最為嚴(yán)重。

通過壩基和壩體電磁法剖面、高密度電法剖面和一條偽隨機(jī)流場剖面探深成果來看，跟勘探和現(xiàn)場測繪調(diào)查的結(jié)果基本相吻合，滲漏富水帶或滲漏部位分布高程為1135～1155 m，從滲漏分布高程來看，壩體和壩基中均有滲漏，沿壩軸線進(jìn)行的三種探測，均測出壩體、壩基和兩岸壩肩有滲漏，且滲漏點(diǎn)分布較廣泛，由偽隨機(jī)流場法探測成果來看，壩前有多處滲入點(diǎn)，總體靠近左岸壩體、壩基和滲漏點(diǎn)均較右岸密集，滲漏富水區(qū)規(guī)模也相對較大，但勘探和物探探測中均未揭露較大的集中滲漏通道，庫水的滲漏主要是通過砂層中的孔隙聯(lián)絡(luò)通道，以孔隙型滲漏為主，滲漏方式為壩體、壩基和兩岸壩肩的繞滲多種型式并存。

5 滲透穩(wěn)定分析評價(jià)

組成壩體土的主要粒組為0.25～0.075 mm顆粒(46.8%～55.7%)，其次為0.5～0.25 mm顆粒(30.6%～45.1%)，小于0.075 mm顆粒含量平均為5.7%。組成壩基土的主要粒組為0.25～0.075 mm(48.3%～82.8%)，其次為0.5～0.25 mm顆粒(3.2%～26.4%)，小于0.075 m顆粒含量平均為13.7%。從顆粒組成來看，壩體土和壩基土均為級配不良且不連續(xù)的細(xì)砂或粉細(xì)砂，各樣品曲線形狀特征相似，有明顯的凸凹現(xiàn)象，說明粒徑均一，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)[3]附錄G規(guī)定中G.0.5條“無黏性土不均勻系數(shù)Cu不大于5時(shí)，滲透變形類型可判為流土”判別，壩體和壩基細(xì)砂～粉細(xì)砂滲透變形均屬流土型破壞，故壩體土允許水力比為0.22，壩基中Q4eol粉和Q4al細(xì)砂為0.21，Q3-4eol細(xì)砂為0.24，Q3l細(xì)砂～粉細(xì)砂為0.25。

2013年的勘察報(bào)告中提到背水坡壩下漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，部分滲水挾砂，渠底產(chǎn)生冒砂現(xiàn)象，水庫已經(jīng)發(fā)生了流土破壞。2015年對壩后坡腳進(jìn)行培厚處理，同時(shí)重修了反濾和排水設(shè)施，本次勘察中發(fā)現(xiàn)，排水渠中冒砂、挾砂現(xiàn)象較少，只有局部存在冒砂、挾砂現(xiàn)象，但在壩體0+430 m左右的地方產(chǎn)生寬度1 m左右，長度近2 m的連續(xù)陷落坑，深度為0.5～0.8 m，勘察期間已經(jīng)進(jìn)行了修復(fù)。這說明，雖然壩區(qū)滲漏以孔隙型為主，但填筑壩體土和壩基均有一定的滲水性，當(dāng)?shù)虊螕跛螅谏嫌嗡畨鹤饔孟拢徊糠炙畯膲误w經(jīng)過，壩體內(nèi)浸潤線以下的填筑料處于含水飽和狀態(tài)，出逸點(diǎn)以下壩體因水分飽和，滲水集中呈細(xì)流滲出并挾帶部分壩體土，如不進(jìn)行有效處理，長時(shí)間的滲漏仍然會產(chǎn)生類似的滲透破壞。若水庫水位蓄至正常高水位，壩體中的浸潤線將更高，滲漏部位渠底沸狀冒水現(xiàn)象將更為嚴(yán)重，壩基與壩體都有可能會發(fā)生滲漏破壞。

6 結(jié) 語

通過分析討論可知，李家梁水庫大壩的滲漏是由壩體本身的填筑材料、施工工藝、和壩基巖性以及兩岸壩肩地下不封閉的庫盆條件等多種因素影響所致，滲漏型式以孔隙型滲漏為主。雖然在施工期在壩前做了土工膜防滲，但壩體和壩基均為中等壓縮性土，筑壩后會產(chǎn)生一定的沉降變形，且土工膜上部為混凝土蓋板，在沉降變形中極易導(dǎo)致土工膜破壞，從而使防滲失效，本文可為水庫防滲處理提供參考。