水库大坝坝体及坝基渗透稳定探究

□徐生凌

随着我国水利枢纽工程建设的进程不断提升，水利设施建设技术也得到快速发展，但目前我国所使用的水利设施部分建设年代久远，且受限于当时的施工技术及条件，水库坝体建设标准普遍较低、坝基处理方式不科学，投入使用后随着时间的推移，大部分的水库大坝均存在不同程度的病险，其中渗透破坏是最为常见的病险危害之一。水库大坝坝体以及坝基渗漏往往由于水利工程中地质问题所导致，因此在勘察过程应注意水库大坝所在区域的水文条件，针对水坝中发生的渗透情况进行及时的评价，并制定出合理的防护措施。但在实际工程案例中发现，若是采用的防渗措施不当不仅会造成大坝渗漏的情况无法解决，并且无法保障水库的正常状态，严重时还会造成大坝发生重大的安全事故。对此，现将根据水库大坝实际的工程地质、水文资料为基础，对当前水库水位以及加高库水位状态下的坝体及其与坝基结合处渗透的稳定性进行分析，并提出合适的防护措施。

1.工程概况

某水库是一座以农业灌溉为主，兼顾防洪、生态供水等作用的综合的中型平原型水库，该水库建设于上世纪60年代，此后经历过续建、扩建以及病险区域的除险加固；该水利工程包括溢洪道、泄洪洞、输水洞以及泄洪闸；大坝坝顶高程为423.5m，最大坝高为90.5m，坝顶宽度为10m，坝长为10500m，水库最大库容4000 万m3。大坝为单种土质坝，由于工程建造时坝体所使用的填充材料较多，根据钻孔调查显示坝体是由砂土、粉质黏土和土壤土，坝基岩性依次为第四系全新统冲洪积细砂、砾砂、粉质黏土、淤泥质土透镜体，厚度较大，50m 勘察钻孔未揭穿，地质的性质较差，易发生渗透变形，加之大坝建造时施工队伍较多、施工工艺相对落后，导致水库大坝局部排水渠溢出点渗漏较为严重。因此将对当前水库以及加高后库水位状态下坝基是否存在渗透、变形进行分析，并对坝体与坝基结合处渗透变形可能性进行深度探究。

2.坝体渗透及稳定性分析

表1 坝基渗透破坏类型判断标准

表2 各坝段坝基水平真实水力比降均值计算结果

表3 溢出段的真实水力比降均值计算结果

2.1 渗透变形类型分析

大坝坝基主要是由细砂、砾砂、粉质黏土、淤泥质土透镜体构成，根据对地质构成成分的详细分析显示，其细砂比重均值约为2.7，空隙率平均约为34.9%，不均匀系数均值约为3.0，依照《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287-2016）（以下简称“勘察规范”）中基土渗透变形类型及其判别方法，对于无黏性土的不均匀系数Cu≤5时的渗透变形判定为流土。

2.2 临界水力比降及允许水力比降的选择计算

按照勘查规范中对于基土渗透变形的判定，流土的临界水力比降计算方式为：

式中：

Jcr—基土的临界水力比降；

Gs—土粒的相对密度；

n—基土的孔隙率，采用小数表示。

通过计算可得到细砂临界水力比降的均值Jcr=1.1。按照勘察规范中基土的临界水力比降除以1.5～2.0 的安全系数作为无黏性土的允许比降，结合该水库渗透稳定对于水库大坝建筑产生的重要影响，故将细砂的安全系数取值为2.0，经过计算后细砂发生流图变形情况下的允许水力比降值为0.6，根据实际情况最终决定允许水力比降取值为0.5。

3.坝基渗透稳定性分析

3.1 渗透变形类型分析

通过对细砂的性质进行试验分析后得到，其不均匀系数Cu在2.2～3.7 之间，按照勘察规范中关于基土渗透变形类型及其判别方法可知，细砂属于流土，坝基渗透破坏类型判断标准如表1所示。

3.2 临界水力比降及允许水力比降的选择计算

由公式（1）可知，细砂的临界水力比降的均值Jcr=1.1、中砂的临界水力比降的均值Jcr=1.1，同样按照前文的方法将细砂安全系数取值为2.0，经过计算后细砂发生流土变形后的允许水力比降值为0.6，根据实际情况最终决定允许水力比降取值为0.5。

3.3 渗透变形可能性计算

按照同类工程中坝后溢出段的真实水力比降高于坝基段水平真实水力比降，本研究中将侧重于坝后溢出段的流土型破坏的研究，具体方式为：在大坝不同坝段处选择五条典型横剖面，实施对当前水库以及加高后库水位状态下坝基是否存在渗透、变形进行计算分析。该水库坝基段为单层结构形式，通过采用探坑法确认溢出段地基的构建形式为双层结构。

坝基段水平真实水力比降均值的计算方式为：

溢出段的真实水力比降均值的计算方式为：

式中：

H1、H2—坝 上、下 游 水 位（单 位：m）；

2b—渗径长度（单位：m）；

T1、T2—上、下 层 土 层 的 厚 度（单位：m）；

K1、K2—上、下层土层渗透系数（单位：cm/s）。

通过公式（2）、公式（3）计算出各坝段坝基水平真实水力比降均值、溢出段的真实水力比降均值计算所得结果如表2、表3 所示。

根据上述的计算结果显示，大坝坝基在当前水位下的实际水力比降值为0.006～0.080，根据计算显示在加高后421.8m 水 位 后 其 比 降 为0.002～0.080，其值远低于坝基细砂层允许水力比降值0.5，因此，可以证明在目前水位情况下以及在加高库水位状态下水坝坝基将不会发生流土型破坏；按照公式（3）计算斜墙坝段（桩号0+035～1+120）溢出段当前实际水力比降均值结果为0.52，高于允许水力比降值0.5，因此，溢出段在当前水位状态下将会发生流土型破坏，而在加高库水位状态下溢出段水力比降结果为0.63，高允许水力比降值0.5，因此，也会发生流土型破坏；通过计算，桩号1+120～5+000 各坝段在当前水位及加高库水位状态下的实际水力比降值为0.58～1.15，远高于允许水力比降值0.5，因此，当前水位及加高421.8m 库水位状态下均会发生流土型破坏，并且在进行实际的勘查后发现，此坝段坝后局部排水渠的溢出段已发生不同程度的流土型破坏；桩号5+000～6+600 坝段在当前水位及加高库水位状态下溢出段的实际水力比降值为0.02～0.04，结果在允许的范围内，因此，该段将不会发生流土型破坏。

通过上述分析可知，造成大坝渗透稳定性的主要原因是由坝基渗漏所导致。大坝坝基水平段在目前水位情况下以及在加高库水位状态下，其细砂层不具有流土型破坏的可能性，大坝中极易产生流土型破坏的区域为坝后溢出上升段的细砂层。分析原因，是由于当水库水位升高后溢出上升段受到的流土型破坏程度将急剧增加，并且在发展过程中将逐渐向坝基延伸。

4.坝体及坝基接触区域渗透稳定性分析

由于大坝坝体底部为粉质黏土、砂壤土为主，而坝基顶部区域主要为细砂，其中三种岩性的渗透系数分别为5.06×10-6cm/s、3.95×10-5cm/s、3.25×10-4cm/s，由于此区域岩性的渗透系数具有较大的差距，将会造成接触面出现渗透破坏，并且坝基段的渗流方向为水平向，但是接触流是由垂直渗流所产生，因此，此区域的破坏主要为接触冲刷类型。根据勘察规范中规定，接触冲刷的方法判别方式：双层结构地基条件下，各层土的不均匀系数均≤10，并符合D10/d10≤10（D10、d10分别表示较粗、较细土的颗粒直径，且小于该颗粒直径土重占总土重的10%），将不会产生接触冲刷。根据分析研究可知，粉质黏土、砂壤土以及细砂的不均匀系数以及d10 均 值 分 别 为27.75mm、66.87mm、3.56mm、 0.0022mm、 0.0016mm、0.091mm，经 计 算，D10/d10=41.35mm、56.87mm，所得结果均大于10，由此可见坝体及坝基接触区域将会发生冲刷破坏。

5.渗透破坏处理措施

针对流土型破坏对水库大坝的破坏可通过以下方式：降低大坝上下游的水头差；增加渗流的路径；渗流处采用透水材料覆盖压重，形成平衡渗流力；渗透区域实施加固处理。结合案例工程的实际情况，为了避免溢出段的流土破坏向坝基发育，可通过在坝后挖掘排水沟、同时铺设透水性土料构建反滤层3 层，各层的厚度为20cm～40cm，以此防止溢出段的流土型破坏。

6.结语

针对某水库大坝坝基及坝后溢出段渗透稳定性进行详细分析，结果显示，由于大坝坝体与坝基的岩性具有较大的渗透系数，易产生接触冲刷，且坝基水平段具有的水力比降低于坝后溢出段数值，因此各坝基段的渗透变形情况将由溢出段是否会产生渗透变形所影响。对于流土型破坏处理措施应以防治坝后溢出段渗透破坏为主，避免其向坝基发展，并给予合适的防护措施。□