陕北某水库坝肩渗透破坏原因分析

焦振华 李鹏

国内外垮坝失事统计资料数据表明[1]，失事原因以渗流破坏最多，占30%～40%。已有学者对渗流破坏的理论、渗透破坏机理进行了详细研究，认为渗透破坏是涉及孔隙水渗流、可动细颗粒侵蚀运移、多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相多场耦合现象。通过室内试验对影响渗透破坏比降的相关参数及因素进行了探讨，并提出了相关计算公式，提供了渗流控制的措施及适用条件建议。

目前研究多见于室内试验及机理研究，工程案例多为堤防。土石坝工程目前国内行业规范的判别标准均认为以垂直向上的“顶托式”破坏为主，而对“贴坡式”破坏的工程案例鲜有报道。

1 地质概况及破坏现状

1.1 边坡地质概况

某水库位于陕西省北部，左坝肩主要由全新统风积（Q4eol）粉细砂、上更新统冲湖积（Q31al+l）粉细砂及上更新统冲湖积（Q31al+l）粉质壤土组成。第四系上更新统冲湖积（Q31al+l）粉质壤土按高程可划分为1 050～1064、1 025～1 050、1 005～1 010 m等3个区块，其中1 050～1 064 m高程分布相对连续，单层厚度0.3～1 m，最大厚度7.5 m；1 025～1 050 m高程呈透镜体状分布，最大厚度2～3 m；1 005～1 010 m高程在坝下游相对连续，分布有1～2层，厚度2～3 m不等，向坡体内延伸可达100～200 m不等，向坡外漫滩延伸约100 m。

地下水类型主要为沙漠孔隙潜水，分布于下部上更新统（Q31al+l）地层中，含水层为粉细砂，蓄水前该层主要受大气降水补给，原天然流场水位情况如表1。

表1 天然流场水位分布

蓄水后水位有所上升，与前期资料对比，本次调查范围内（坡体以内400 m）最高水位较蓄水前（1 016 m）升高5～7 m，基本与现蓄水位持平，且平均水力坡降由蓄水前的0.01～0.015提高到现在的0.03～0.044，局部可达0.06～0.08，如图1所示。

图2 蓄水前后地下水位变化对比（坝下120 m）

1.2 边坡破坏位置及破坏形态

水库运行初期下游排水沟出水较明显，《安全鉴定报告》也提出“应查明原因，并在下游坝脚排水沟及排水沟下游侧砂层顶部设置反滤”，根据安全鉴定报告建议，2014年6月进行了贴坡反滤施工，处理范围由坝后到移民道路内边坡，施工后未出现翻砂冒水现象，根据现场调查及运行过程记录，2014年8月坝后水景观湖开工，坝后左岸水景湖位置上的贴坡反滤被挖除，坡脚现状不稳，出现了滑塌现象，后对坡脚进行了柳桩及铅丝石笼护脚，坡脚稳定但翻砂冒水再次出现。2019年5月现场调查发现，坡脚翻沙冒水仍持续存在，可见明显涌水带砂现象，位置在坝下游坡脚，如图2所示，出露点数量为4～6个，且局部塌陷。

图2 翻沙冒水位置及现状水位等值线图

2 渗透破坏形式及破坏原因分析

2.1 渗漏及渗透破坏原因

由现状左坝肩岸坡等水位线曲线（如图2所示）可知，库区防渗线以上，水位与现库水位大致持平（1 025～1 026 m），防渗线下游方向，有明显的水头折减（1 018～1 010 m，与距离防渗墙端点桩号0-146距离有关），桩号0-146外侧地下水位在远离岸边处可达1 026 m，后顺坝下游边坡消减。分析表明，下游坡脚出水主要受左坝肩绕坝渗漏影响，来源于坝体及坝基渗流影响较小。

由等水位线图可见，下部发生绕坝渗流导致原地下水位抬升，坡体水力比降增大，在自由出渗坡面、水下淹没出渗坡面等部位产生流土及接触冲刷等渗透破坏，是左坝肩翻砂冒水现象的主要原因，随着蓄水位抬高，下游坡脚出水及渗透破坏现象会有加剧趋势。

2.2 渗透破坏形式分析

2.2.1 坝坡土体颗粒组成

经取样试验，随高程降低，土体颗粒组成有略变粗的趋势，但变化不大，可按照一层进行统计分析。有效粒径D10=0.059 mm，中间粒径D30=0.078 mm，平均粒径D50=0.12 mm，界限粒径D60=0.16 mm，不均匀系数Cu=2.71，曲率系数Cc=1.51；坝坡粉质壤土层有效粒径d10=0.002 8 mm，界限粒径d60=0.019 mm，不均匀系数Cu=6.79，曲率系数Cc=1.58。

2.2.2 坝坡土体渗透指标

对坝坡粉质壤土现场取原状样进行室内试验，渗透系数为6×10-6cm/s，粉细砂层渗透系数见表2，现场注水、抽水试验成果均为10-2cm/s量级，室内颗分结果计算、渗透试验成果均为10-3cm/s量级，考虑到室内试验制样过程不能完全反应现场样品状态，建议渗透系数按照野外试验成果综合取值，为1.5×10-2cm/s。

表2 多种方法确定砂层渗透系数 cm/s

2.2.3 渗透破坏参数

已有工程渗透破坏形式有3种，即向上渗流流土、坡面出渗流土、接触冲刷破坏，其中向上渗流流土破坏主要适用于均匀砂层被渗流冲动隆起破坏，允许渗透比降通过规范法计算、经验类比、室内试验等方法确定；各种破坏形式下的渗透破坏参数见表3。

根据斯罗波田土坡试验成果，出渗点处土的临界坡降为0.6～1.3，本次工作结合相关规范规定，建议粉质壤土允许坡降取0.30。

表3 粉细砂渗透破坏参数取值

2.2.4 渗透破坏形式及渗透破坏可能性分析

根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》附录G规定，砂层、粉质壤土层Cu均小于等于5，且D10/d10＞10，分析认为，渗透破坏形式为砂层流土及砂层与砂壤土层之间的接触冲刷。

根据等水位线图分析，现状蓄水条件下，受绕坝渗漏影响，坝后水位有所上升，坡体内水位变化幅度较小，坡体130 m范围内（1 054 m平台以下）水位变化较大，局部水力坡降可达0.06～0.08。

实际水力坡降小于允许比降J允许=0.25，不会发生向上渗流流土破坏；据2019年7月现场实测资料可知，现状蓄水条件下坝下游排水棱体后贴坡部位存在3处出逸点，高出水面0.2～0.5 m，渗流量较小，其余出逸点均位于水面以下；实际水力坡降大于坡面出渗允许破坏坡降J允许=0.06，在坡面出渗部位具备发生坡面出渗流土破坏的条件；实际水力坡降大于接触冲刷破坏比降J允许=0.05，不满足允许比降，在砂层与粉质壤土层接触部位有发生接触破坏的条件。

受下部粉质壤土相对不透水阻隔，出现目前翻沙冒水现象，且水位进一步上升至正常蓄水位时破坏范围还会进一步扩大。

3 结论与建议

（1）水库蓄水后水位抬高导致的地下水渗透比降增大是产生坡脚渗透破坏的主要原因。

（2）渗透破坏参数的选取要考虑向上渗流流土、坡面出渗流土、接触冲刷等多种工况。

（3）建议采取措施延长渗径，进一步降低水力比降，同时采取反滤措施，防止发生渗透破坏，进而防止边坡失稳。