天长山水库大坝坝基渗透设计

曹晨华，刘佳亮

(牡丹江市水务科学研究院，黑龙江 牡丹江 157000)

1 工程概况

天长山水库位于绥芬河市以北4.5 km处，主要拦截北大河及录磊齐胖子沟来水，控制流域面积为23.3 km2。天长山水库始建于1976年，至1988年完成配套工程并投入使用。工程任务是以供水为主兼顾防洪等综合利用的小(1)型水库。

2 坝基现状

根据勘察、分析，天长山水库坝基渗漏层(带)主要有两个:①建库时没有清除的平均厚度为2 m的第四系全新统冲积、洪积堆积含细粒土砂，为中等透水层;②坝基基岩上部强风化带透水带，平均厚度4.5 m左右，为中等透水。

根据地质勘察报告描述及现场调查测绘结果，坝前近坝趾处没有明显渗漏点(带)，地面有少量积水和阴湿。

3 坝基渗透复核计算

根据渗漏层位分布及渗漏特性，对含细粒土砂地层和基岩强风化带的渗漏量分别计算:

3.1 含细粒土砂地层渗漏量

3.1.1 采用的计算公式

(公式源于《中小型水利水电工程地质》P127)

式中:K为渗透系数，m/d;B为渗漏段长度，m;M为渗透层平均厚度，m;H为上下游水头差，m;2b为防渗体宽度/m。

3.1.2 参数的选定

1)K采用《天长山水库工程地质勘察报告》(初步设计)成果，取5.3 m/d。

2)H=509.35(兴利水位)-494.00(下游水位)=15.35 m。

M取平均厚度取含细粒土砂:M=2.0 m。

2b取上游水平铺盖有效长度23.5 m+坝底宽(76.03)×1/2-心墙底宽(18.6)×1/2=52.2 m。

坝底宽、心墙宽取自1985年施工坝体设计剖面图。

水平铺盖有效长度取用设计部门调查后数。(注:设计部门对上游水平铺盖质量情况进行调查，结果显示，从铺盖端点到迎水坡坝脚实际有效长度为23.5m。)

经计算，坝基第四系松散地层渗漏量17.44×104m3/a。

3.2 安山玢岩强风化带渗漏量

1)计算公式:同上。

2)参数的选定。

K:根据压水试验平均透水率，折算K为0.52 m/d。

H:同上，取15.35 m。

M:取强风化带平均厚度为4.5 m。

2b:同上，取52.2 m。

B:三段分别为108 m、145 m、143 m。

安山岩强风化带渗漏量9.19×104m3/a。

3.3 坝基总渗漏量

坝基含细粒土砂和强风化带渗漏量总计26.6×104m3/a。

4 坝基渗透稳定评价

4.1 渗透变形类型的判别

钻探中，取坝基土扰动样(ZK03-5)一个，进行土工试验分析。颗粒分析结果见图1。

根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)，渗透变形类型的判别见表1。

表1 坝基粗粒土渗透变形类型分析表

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图1 坝基粗粒土颗粒分析曲线图

经验类比分析取值，坝基土—含细粒土砂的孔隙率n=0.38。

综上分析，坝基土含细粒土砂的渗透变形类型为管涌。

4.2 临界水力比降计算

采用计算公式:

式中:jcr为土的临界水力比降;d5为占总土重5%的土粒粒径，mm;d20占总土重20%的土粒粒径，mm;Gs为土的颗粒密度与水的密度之比;n为土的孔隙率，取砂类土的平均值0.38。计算结果见表2。

表2 坝基土临界水力比降计算表

计算结果:临界水力比降Jcr=0.27

4.3 允许比降的确定

根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)，本次取安全系数1.8，并参考“无黏性土允许水力比降经验值表M”，确定允许水力比降取值。建议允许水力比降为J允许=0.15。

4.4 渗流稳定计算

1)设计洪水位510.78 m渗透比降计算;坝基渗透比降:i=H/B=0.155 ＞ [i] =0.15

2)校核洪水位511.62 m渗透比降计算;坝基渗透比降:i=H/B=0.164 ＞ [i] =0.15

在设计水位510.78 m、校核洪水位511.62 m时，坝基渗透不稳定。

结论:坝体为黏土心墙坝，水库在设计洪水位及校核洪水位运行时，坝基渗透不稳定。

5 铺盖延长设计

针对天长山水库的具体情况，本次设计中采取整体延长坝前铺盖长度的方式处理坝基渗透。

5.1 铺盖的计算

5.1.1 需要增加的铺盖长度计算

铺盖的长度设计主要参考坝工丛书《土坝设计》(水利电力出版社)上册第四章第四节，有关在透水地基上有铺盖的土坝渗流的水力学解法中有铺盖及心墙的土坝的论述内容。

有铺盖及心墙的土坝断面采用0+358断面。

整体渗流采用公式∶

根据地质报告成果可知:

经计算现有铺盖长度Ln现有=51.95 m，需增加铺盖长度Ln-Ln现有=10.89 m，本次设计，应增加新铺盖长度取15 m。

5.1.2 增加铺盖长度后的渗透验算

设计增加15 m铺盖后，铺盖形式为组合铺盖，设计厚度为1 m(冻土块基本沉实后的厚度)。

已知条件:

由Xr= [(H1-hT)/(i0)允许]-Ls=68.93m，得出hT=2.23 m。

由有效渗径与水头损失三角形计算图3可得，与原有铺盖接头处，铺盖的上下游水头差△h=2.6 m。

5.1.3 铺盖的厚度计算

铺盖的厚度设计主要参考坝工丛书《土坝设计》(水利电力出版社)下册第七章第四节中有关铺盖的论述内容和《黏土铺盖》(水利电力出版社)第6页表1-4中水中冻土块以融实的建议i=3。

式中:△H为铺盖计算断面上下游水头差，△H=2.6 m;i为铺盖材料的允许水力坡降，i=3。

故ζ≥2.6/3=0.9，则ζ取1.0 m，满足设计要求。

因为粉质黏土冻土块铺盖需预加沉陷量，依据书中龙凤山水库的实测资料(堆筑厚4.65 m，6个月后基本沉实，厚度变为3.15 m)，铺盖的最终厚度ζ=1×(4.65/3.15)=1.47，ζ取为1.5 m。即桩号0+121至桩号0+400之间，铺盖的厚度为1.5 m。

输水洞位于桩号0+164处，由于天长山水库担负着为绥芬河市供水的职能，为确保水质，所以在桩号0+155～0+175，铺盖的厚度需降低。

输水洞底高程为499.6 m。

输水洞铺盖的厚度ζ=499.0-498.23=0.77 m，

此段铺盖的最终厚度ζ=0.77×(4.65/3.15)=1.14 m。

5.2 铺盖材料性质

本次设计中，铺盖材料采用黏粒含量为24.8% ～46%、塑性指数为14.6～28.0的黏土冻土块。

5.3 铺盖范围

图2 土坝原断面图

图3 除险设计后土坝断面图

本次设计中，为了工程安全考虑，扩大铺盖延长的范围，新增铺盖范围为自桩号0+045～0+497，全长452 m。

5.4 铺盖的施工方法

由于天长山水库承担为绥芬河市供水的任务，不能将水库放空进行施工，因此铺盖的施工采用冬季冰上施工的方法，将黏土冻土块运至坝前设计铺盖位置按要求铺设好，待次年春暖开库后，自然沉降形成。

6 结论

本文通过工程实例来计算小型水库除险加固设计中坝基渗透稳定处理的方法。我省小型水库大多存在坝基渗漏问题，设计中大都采用坝体灌浆、混凝土截渗墙、下游坝脚加盖重等方法。但上述方法存在施工复杂、造价高、治标不治本等情况。延长坝前铺盖可从根本上解决上述问题，对于同类型小型水库有积极的借鉴意义。

[1] 牡丹江市水务局.绥芬河市天长山水库大坝安全鉴定报告书[R].牡丹江:牡丹江市水务局，2008.

[2] 牡丹江市水利勘测设计研究院.绥芬河市天长山水库大坝安全分析评价报告[R].牡丹江:牡丹江市水利勘测设计研究院，2009.

[3] 牡丹江市水利勘测设计研究院.绥芬河市天长山水库除险加固工程初步设计报告[R].牡丹江:牡丹江市水利勘测设计研究院，2011.

[4] 徐尚壁.黏土铺盖[M].北京:水利电力出版社，1988.