小海子水库坝基接触冲刷破坏研究

张兴锋 张 成

（甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院 甘肃张掖 734000）

1 工程概况

小海子水库位于河西走廊的张掖市高台县南华镇小海子村南，距县城约15km，是一座注入式中型平原洼地水库，水库通过引黑河水调蓄。水库分隔为上中下三库。中坝始建于1958年，长5.5km，形成了目前的中库；1987年在中库上游兴建了目前的上库；2002年在水库除险加固过程中，新建了4.836km长的下坝，形成了下库。

新建的下坝坝型为均质土坝，坝顶高程1370.5m，坝顶宽5.0m，最大坝高8.67m。水库设计总库容1048.1万m3，正常蓄水位1368.1m。

水库溃口位于新建成的下坝中间部位，桩号2＋681.0～2＋722.5m 处；决口处坝高约8.1m，溃口宽度约41.5m，决口时最大流量约90m3／s；坝基上部为厚度3m左右的砖红色或土黄色粉质粘土层，下部为粉细砂层。

溃坝发生后，围绕查明溃坝原因和决口修复及完善工程初步设计，进行了大量细致的地质勘探、测绘、取样试验和分析研究等工作，尤其是对溃口及周边区域的双层或三层地层结构进行了详细的实验和研究。完成实物工作量主要为：①钻孔15个，探坑20个，探槽2个长180m；②地质纵横剖面测绘18条计5.6km；③取样试验共65组；④物探勘查剖面7条计16.9km。

2 区域地质概况

小海子水库地处祁连山前冲洪积倾斜平原前缘与细土平原的过渡带上，地形平缓，地势开阔。地层岩性在地表为第四系全新统湖沼相堆积或风积层——部分为灰褐色粉细砂、部分为土黄色淤积质砂壤土，一般厚度0.5～2.5m；下部为第四系全新统冲洪积层，总厚度22.5～24.5m，其中在中、下库西部及西北部分为上下两层即上层为砖红色或土黄色粉质粘土或粘土，厚度4.1～2.2m （西厚东薄）；下层为灰黄色或青灰色粉细砂、细砂及中粗砂的韵律结构沉积，厚度约20～22m。在中下库东部地层逐渐演变为粘土层与砂层的互层结构，单层厚0.8～1.2m。深部25m以下则为第四系中上更新统巨厚层的砂卵砾石层。

水库所处地质地貌单元决定了地下水的赋存形式为平原松散岩类孔隙水，地下水总的流向自东南向西北，依地下水的埋藏条件可分为潜水和承压水两类：潜水带为表层第四系全新统湖沼相堆积的粉细砂或淤积质砂壤土，潜水位埋深0～1.5m不等，主要补给来源为水库蓄水、三清渠引水及周边耕地灌溉；承压水有多个含水层，上层第一个承压含水层顶板即为埋深0.5～2.5m厚度4.1～2.2m 的砖红色或土黄色粉质粘土或粘土层，含水层即为下部的砂层，承压水头高于隔水顶板0.5～1.0m，水质较差。该层承压水是近几年由于区域地下水位普遍上升而形成的。

不良物理地质现象主要为各级排阴沟如小海子村老排阴沟、新排阴沟、敦仁村老排阴沟、新排阴沟；原友联 （中库）泄水渠、新 （下库）泄水渠；原三清南干渠和北干渠；废旧井和枯树根、坑等。其中一部分排阴沟和泄水渠段切割较深，已切穿第一个承压含水层顶板即砖红色粉质粘土或粘土层，其余部分排阴沟和泄水渠段 （包括原三清南干渠和北干渠）切割较浅，但也使得粉质粘土或粘土隔水层的厚度变薄；废旧井和个别枯树根、坑与下部砂层连通。

3 溃坝段地质条件

溃坝后形成坝基下冲坑，上游侧断面显示：地表覆盖层厚1.0m左右 （高程1364.4～1363.4m），主要由湖沼相的淤积质粉砂土组成，结构中密、味臭，含植物根系及腐植物；粉质粘土层呈土黄～砖红色，厚度2.2m （高程1363.4～1361.2m），粉质粘土结构密实，塑性好，染手、连续分布均匀；粉质粘土层下部有一层灰～灰白色轻粉质壤土，厚度0.7m （高程1361.2～1360.5m），结构中密；再下部即为青灰色细砂层 （高程1360.5m以下），厚度＞5m （钻孔揭露最大厚度5.4m未见底），该层结构中密，完全被地下水饱和。

钻孔勘探表明，初见水位大都在粘土层或轻粉质壤土的底板附近，但稳定水位不同程度地高于粘土层或轻粉质壤土底板0.5m，即承压水水头高度为0.5m。

溃坝段及其下游侧正处在原友联泄水渠、原小海子村旧排水沟和2004年新挖的排水沟的交汇处（桩号为2＋700），距离后坝脚仅10余m，钻孔证实该处的天然粘土层缺失。

经对坑内抽水后发现，上游侧决口断面下部有漏水空洞4处，高程在1361.1～1360.22m之间，位置处在粉质粘土层以下，灰～灰白色轻粉质壤土与细砂层的接触部位。自西向东：1＃洞对应桩号2＋699.1，洞底高程1361.10m，直径30cm，呈次圆状，向外涌水，涌水占满漏水空洞三分之一部位；3＃洞 对 应 桩 号 2＋701.5，洞 底 高 程1360.50m，直径10cm，呈椭圆状，向外涌水，涌水占满整个空洞；4＃洞对应桩号2＋705.4，洞底高程1360.50m，直径15cm，呈次圆状，向外涌水，涌水占满整个空洞；2＃洞对应桩号2＋719.1，洞底高程1360.22m，直径40cm，呈次圆状，向外涌水，涌水占满漏水空洞三分之一部位，洞前有流水带出的土颗粒。通过后来抽水坍塌后观察，3＃、4＃空洞是相互连通的。

4 坝基渗透破坏性状

该坝基下主要由三层物质组成：①浅砖红色粉质粘土，厚度2.2～2.6m；②灰～灰白色轻粉质壤土，厚度0.6～0.8m；③青灰色细砂，厚度＞10m。

4.1 土 （砂）的渗透变形类型的判别

第①层：土的不均匀系数Cu＝d60／d10的平均值为14.4＞5；粗细粒的区分粒径d f＝0.0077mm，相应的细粒颗粒含量Pc＝42%。按规范规定：对于不均匀系数大于5的不连续级配土，Pc≥35%可判别为流土型。

第②层：土的不均匀系数Cu＝d60／d10的平均值为8.77＞5；粗细粒的区分粒径d f＝0.013mm相应的细粒颗粒含量Pc＝28%。按规范规定：对于不均匀系数大于5的不连续级配土，25%≤Pc＜35%可判别为过渡型。

第③层：细砂的不均匀系数Cu＝d60／d10的平均值为2.44＜5；粗细粒的区分粒径d f＝0.08～0.12mm，相应的细粒颗粒含量Pc＝24%；孔隙率n＝34.6%，〔1／4（1－n）〕×100＝32%。按规范规定：Pc＜ 〔1／4（1－n）〕×100可判别为管涌型。

规范还规定：对双层结构的地基，当两层土的不均匀系数均等于或小于10，且符合下式规定的条件时，不会发生接触冲刷。

D60／d10≤10 （M.0.2－8）

上述第②层和第③层土的不均匀系数均小于10，但D60／d10＝0.0781／0.0039＝20＞10，不符合 （M.0.2－8）式，则第②层和第③层土之间将会发生接触冲刷。

如果第②层土缺失，第①层土与第③层土直接接触，则不仅不符合两层土的不均匀系数均等于或小于10，且D10／d10＝0.0781／0.002＝39＞10，也不符合 （M.0.2－8）式，则第①层土与第③层土之间也将会发生接触冲刷。

第①层土与第②层土的D60／d10＝0.0039／0.002＝1.95＜10，不会发生接触冲刷。

通过室内原状土的渗透试验测定：第①层浅砖红色粉质粘土层的平均渗透系数K①＝1.16×10－4cm／s；第②层灰～灰白色轻粉质壤土的平均渗透系数K②＝2.14×10－4cm／s；第③层青灰色细砂的平均渗透系数K③＝1.81×10－3cm／s。

上述第②层和第③层土的K大∕K小＝8.5＞2则第②层和第③层土之间将会发生接触冲刷。

如果第②层土缺失，第①层土与第③层土直接接触的K大∕K小＝10.2＞2则第①层土与第③层土之间也将会发生接触冲刷。

第①层土与第②层土的K大∕K小＝1.8＜2则不会发生接触冲刷。

4.2 临界水力比降的确定

第①层：浅砖红色粉质粘土为流土型，则采用下式计算

第②层：灰～灰白色轻粉质壤土为过渡型，则采用下式计算

第③层：青灰色细砂为管涌型，则采用下式计算

4.3 允许水力比降的确定

上述各层土的临界水力比降除以2.0的安全系数，即为各层土的允许水力比降。即J允许①＝0.55；J允许②＝0.21；J允许③＝0.19。

4.4 接触冲刷临界水力比降与允许水力比降的确定

对接触冲刷临界水力比降的确定，规范中没有计算公式。现以 《土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训》（刘杰著）推荐的 ‘依斯托美娜’曲线查得。

依斯托美娜在进行了大量试验研究后，给出了接触冲刷临界水力比降J k.kp与相邻土层的有效粒径D10、d10和较细土层的摩擦系数tg￠之间的关系。允许水力比降J k.p＝J k.kp／1.5，可查曲线求得。

对第②层和第③层土之间的接触冲刷：

查曲线图得：J k.kp＝0.18则Jk.p＝0.12。

若第①层和第③层土直接接触的接触冲刷：

查曲线图得 ：J k.kp，＝0.12则J k.p＝0.08。

经对其中之一的1﹟漏水空洞用挖掘机大开挖追踪勘探，发现向南部上游延伸时有许多分支漏水空洞，分支中又有许多分支，呈树枝状面状展布，出水点高程基本一致，选偏东和偏西两个方向的漏水空洞继续追踪，情况基本相似，东侧追踪至东南部导流渠附近，已绕过原废旧井或枯树坑等，漏水空洞直径由起始的30cm变小为10cm，高程抬高50cm，到前坝脚的直线距离为80m，追踪斜长已达100m，但空洞冒水并没有消失，也未见任何与地面连通的迹象，基本沿土层与砂层的接触面 （或带）延伸；西侧向西南部延伸，已越过导流渠20m以外，到前坝脚的直线距离为70m，追踪斜长已达90m，冒水洞直径5～8cm，高程抬高40cm，空洞冒水也没有消失，仍未见任何与地面连通的迹象，也是基本沿土层与砂层的接触面 （或带）延伸。另外，还观察到各个漏水通道内的出水均有压力，似泉涌翻滚上冒，基槽内水深超过0.5m才消失，意味着此时有约0.5m的承压水头，经取样化学分析试验对比，该地下承压水水质与中库水质截然不同，说明与中库蓄水并无直接联系，属区域性地下承压水，地下承压水水质较差，对普通混凝土有硫酸盐强腐蚀。

上述开挖情况证实了接触冲刷破坏确切无疑，由坝后下游的渗流出口最先开始，逐渐向上游扩展，目前的范围已发展到坝前100m以外，空洞较大者已转变为管涌或流土破坏，特别在下库蓄水以后，坝前原泄水渠是集中渗漏带，废旧井是渗漏天窗，枯树根、坑是防渗薄弱带等，都能使库水越流补给地下水，并与地下承压水共同作用，实际水力坡降增大，渗流破坏加剧。

5 溃坝原因分析

从坝后排水沟粉质粘土 （或粘土）相对隔水层被破坏，地下承压水有了渗流出口开始，到水库蓄水之后，坝基便存在渗流破坏问题。

根据以上渗透变形判别和渗透破坏临界水力比降的确定结果：坝基下第①层浅砖红色粉质粘土层的破坏形式为流土型，其临界水力比降Jcr①＝1.1，允许水力比降J允许①＝0.55；

第②层灰～灰白色轻粉质壤土的破坏形式为过渡型，其临界水力比降Jcr②＝0.42，允许水力比降J允许②＝0.21；

第③层青灰色细砂的破坏形式为管涌型，其临界水力比降Jcr③＝0.39，允许水力比降J允许③＝0.19；

第②层和第③层土之间存在接触冲刷，其接触冲刷的临界水力比降J k.kp＝0.18，允许水力比降J k.p＝0.12；

如果第②层土缺失，第①层和第③层土直接接触也存在接触冲刷问题，其接触冲 刷的临界水力比降J k.kp，＝0.12，允许水力比降J k.p＝0.08。

由此可见，接触冲刷的临界水力比降很小，比它们各自介质本身的临界水力比降小得多。因此，当坝后排水沟粉质粘土 （或粘土）相对隔水层被破坏，地下承压含水层有了渗流出口开始，首先产生接触冲刷破坏，并逐渐向上游发展，这种接触冲刷破坏的过程是较缓慢的，它必需有一定的细粒土流失的时间和积聚场所或排泄渠道，而新旧排水沟交汇后又相交于输水渠道排水，且纵坡较大，其细粒土排泄很畅。随着水库蓄水位的抬高，待实际水力坡降达到大于细砂层和轻粉质壤土或粉质粘土层的临界水力比降后，这种接触冲刷破坏将很快转换成管涌型和流土型 （或过渡型）破坏，而这种型式的破坏将是急速的，它会很快造成坝基被掏空，坝前坝后形成渗漏通道，导致坝体沉降、坍塌，最终酿成决口垮坝。这就是小海子水库发生大坝溃决的地质因素；而区域性地下承压水 （承压水头约0.5m）及其库水越流补给地下水则是大坝溃决的水力因素。

6 结论

（1）经进一步的地质勘探及大量试验证明，小海子水库确系坝基下轻粉质壤土或粉质粘土与下部砂层间的接触冲刷破坏所致，接触冲刷的临界水力比降很小，比它们各自介质本身的临界水力比降小得多，所以在区域承压水的作用下首先产生接触冲刷，如果没有渗流出口，这种接触冲刷是无害或其危害是潜在的，在坝后新开挖的排水沟及相交于输水渠排水提供了渗流出口和细颗粒堆积与排泄的条件，再加上在排水沟内抽水灌溉，更进一步加剧了细颗粒的运移，使得接触冲刷变为有害的渗流破坏，进一步发展转变为砂层的管涌破坏和土层的流土破坏，随着细颗粒的逐步带走，在坝底及坝前铺盖下部形成了空洞，在坝底下最大，向上游延伸逐渐变小，这在开挖追踪漏水通道时已经揭示清楚，这种破坏随着时间的推移，最终导致了大坝的溃决。这是国内罕见的在特殊水文地质条件下所导致的坝基接触冲刷破坏，在以后工程设计中对多层不同介质接触冲刷应引起足够重视。

（2）从现场勘查来看，已经发生接触冲刷破坏的范围比溃口段要大得多，库区上游在100m以外，沿坝轴线在桩号2＋500～3＋200之间。①决口段要采取垂直防渗和水平铺盖防渗的双重措施。垂直防渗解决接触冲刷，水平铺盖防渗解决渗漏通道、渗漏天窗等并有效降低实际水力坡降；其他范围须在前坝脚设置垂直水泥摆喷桩，主要解决接触冲刷问题。②渗流出口要慎重而精细的处理，包括新泄水渠要延长处理、旧排阴沟及旧泄水渠要挖除淤泥重新夯实回填处理、新旧排水沟桩号2＋630～3＋700段的处理等。

1 《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）

2 《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287－99）

3 刘杰 .《土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训》

4 张兴锋 .《高台县小海子水库决口修复方案初步设计报告》