希尼尔水库坝基渗透稳定校核分析

2015-06-05徐继红

水电站设计 2015年2期

关键词：尼尔坝基水力

徐继红

（新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆库尔勒 841000）

希尼尔水库坝基渗透稳定校核分析

徐继红

（新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆库尔勒 841000）

渗透破坏是平原区水库大坝发生破坏的主要形式，渗透稳定问题是平原水库存在的主要问题。本文以新疆希尼尔水库为例，对水库坝基渗透稳定问题进行校核分析，并提出了相应处理措施，以期为平原水库运行管理和除险加固设计提供参考。

坝基；渗流；渗透稳定；安全；临界水力坡降

0 前言

渗透破坏是平原区水库大坝发生破坏的主要形式，渗透稳定问题既是平原区水库存在的主要问题之一，又是大坝稳定评价的一个重要方面。从工程建设的实践出发，对水库渗透稳定的研究论证，应结合水利工程勘测设计和建设的不同阶段，由浅入深，提出不同的要求。水库渗透稳定性评价，应该由前期定性的意见，即确定渗透破坏形式（管涌、流土或过渡型），逐步深化至采用定量的表达形式，科学的提出允许比降，便于设计和运行管理人员在实际工作中使用。

本文在前人研究的基础上，以新疆希尼尔水库为例，结合水库近年来的实际运行情况，对水库坝基渗透稳定进行分析，得到了一些有价值的结论，以期为平原水库运行管理和除险加固设计提供参考。

1 工程概况

希尼尔水库位于新疆库尔勒市西尼尔镇境内，是世界银行贷款项目塔里木盆地灌溉与环保（二期）工程子项目之一，同时也是塔里木河近期综合治理工程中开－孔河流域维护塔里木河生态向下游输水的重要调蓄工程，地理坐标介于86°13′～86°18′E，41°33′～41°38′N之间。水库从孔雀河第一分水枢纽引水，经库塔干渠总干渠输水，为注入式中型平原水库。水库设计库容为0.98×108m3，相应设计水位913.6 m，水面面积16.74 km2，坝顶高程916.5 m；死库容0.1×108m3，死水位905.8 m。

希尼尔水库工程包括：主坝、副坝、引水闸、引水渠、放水闸、分水闸、放水渠及附属设施等。坝体为砂砾石均质坝，坝顶宽6 m，上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶2；坝体防渗采取斜铺复合膜（两布一膜）结构，其中膜厚0.75 mm，无纺布规格为200 g／m2；坝基防渗，根据地质、水文情况的不同，分别采取PE塑膜、塑性混凝土防渗墙、水泥土防渗墙三种不同形式的防渗方式。大坝上游护坡设计为混凝土板（C30F300W 8）护坡，板厚15～22 cm。设计坝顶长7.65 km，最大坝高20 m，坝基最大防渗深度15.5 m。工程于2000年5月正式开工建设，2003年3月通过蓄水阶段验收开始蓄水，2008年10月通过竣工验收。

2 坝基地质条件

2.1 主坝地质条件

主坝段（2＋436～7＋100）地形平坦开阔，主要为第三系小台地和第四系洼地组成。第三系小台地位于主坝2＋436～3＋300和3＋700～4＋100之间，地形有些起伏，地表20 cm厚为第四系洪积及残积砂砾石层，其下为第三系砂岩，砂砾岩及泥岩，强风化层厚4～8 m，地下11 m以上的砂岩透水率为9.26～16.93 Lu，属中等透水地层。在4.5～5.5 m和11～16 m之间有两层泥岩不连续分布，属弱透水地层。第四系洼地有两段，分别位于3＋300～3＋700和4＋100～7＋100之间，地形平坦开阔，两洼地上部多为第四系冲洪积亚砂土夹亚粘土，局部为风积砂，厚1.3～4.2 m，结构疏松，其下均为第三系砂岩泥岩互层，该段强风化层厚5～8 m，在西侧洼地3＋550～3＋650和东侧洼地5＋400～6＋050之间16 m以上无泥岩分布，透水性较强，其它坝段在埋深5～15 m之间均有不同层厚的泥岩，粉砂质泥岩，泥质粉砂岩分布，较密实，可作为相对隔水层。

主坝段地下水位较高，特别是在第四系洼地坝段，地下水位埋深一般在0.7～1.7 m之间，局部溢出地表。另外，在14 m深度以下有承压水分布，特别是19 m以下承压水具有一定的水头和压力，防渗时不要破坏其隔水顶板，以免承压水出露破坏坝基稳定。

2.2 副坝地质条件

（1）西副坝地质条件（7＋100～7＋650）。西副坝主要为第三系地层构成的台地。上部有0.5～2.0 m厚的第四系洪积砂砾石，其下为第三系含砾中粗砂岩，中细砂岩，局部夹泥岩。强风化层厚4～6 m，5 m以上属强透水带，5～20 m属中等透水带，无理想隔水底板。地下水埋深8.6～13.5 m，由北向南水位逐渐降低，无承压性质，属第三系地层潜水。

（2）东副坝地质条件（0＋000～2＋436）。东副坝位于第三系地层平台上，地形平坦开阔，无任何植被。表部有0.4 m左右厚的砂砾石，其下均为第三系泥岩夹砂岩，强风化层厚4～5 m，在地面1～3 m深度以下分布一层厚度较大（约3 m）且连续较好的第三系泥岩层，透水性微弱或不透水，可作为相对不透水层。

该坝段地下水位埋深较大，一般都大于10 m。

2.3 水库渗透破坏现状

水库在运行过程中，主要存在如下渗透破坏现象：

（1）高坝段及坝后临空面较深处，坝后有流土现象，坝后地下水出露形成积水洼地，局部积水洼地中有上升泉，随库水位变化，泉眼处有析出物及砂沸现象。

（2）坝后库外截排中有多处上升泉，泉眼处有析出物及砂沸现象。

3 坝基渗透稳定分析

3.1 渗透破坏发生机制

土体的渗透稳定性决定于渗透水流对土体的作用力与土体的阻抗力之间的变化过程。渗流对土体的作用力大小取决于渗流场的水力坡降，即渗透比降，它是引起渗透破坏的主动力。土体对渗透水流的阻抗能力即抗渗强度，用抗渗比降表征，它是引起渗透破坏的决定因素，其大小决定于土的颗粒组成及结构特征。当渗透比降大于土体的抗渗比降时，土体将发生渗透破坏。可见，渗透破坏是一个变化发展的过程，其产生和发展取决于水动力条件和土的颗粒组成及结构特征［1、2］。

3.2 渗透破坏类型判别

土的颗粒组成不同，可能产生渗透破坏的类型及所需的渗透比降也会不同。细粒成分含量小，渗透破坏类型多表现为管涌；细粒成分含量高，渗透破坏类型多表现为流土。只有较多的粗颗粒构成骨架，形成较大的孔隙，才易于产生渗透破坏。但当细粒含量较多时，粗颗粒不能构成骨架，孔隙大小取决于细颗粒，不易产生渗透破坏，而且土的抗渗比降随细粒含量的增加而增大。土中粘粒含量将会增加土的内聚力，从而增加土的渗透强度。固结密实的土不仅孔隙率降低，而且粒间的嵌合力有所加强，所以抗渗比降显著高于颗粒成分相近但未经固结压密的土。渗透破坏类型的判别按土的颗粒组成进行，首先将土区分为粘性土和无粘性土，无粘性土又依据不均匀系数分为均匀土和不均匀土，不均匀土又细分为级配不连续型和级配连续型两个亚类。对于粘性土和均匀土的渗透破坏类型判别只有流土一种型式。对于不均匀系数大于5的不均匀土的渗透破坏类型的判别主要依据是土中细料的含量。其理论依据是当细料含量小于某一值时，由于填不满粗料孔隙，而处于不受制约的状态，细料很容易被渗流带走，渗透破坏形式为管涌。当细料填满粗料孔隙时，粗细料成为一个整体，因而在渗流作用下以整体形式破坏，渗透破坏形式为流土。

对不连续级配的土，级配曲线中至少有一个以上的粒径级的颗粒含量小于或等于3%的平缓段，粗细粒径的区分粒径d，以平缓段粒径的最小粒径区分，相应于此粒径的含量为细粒含量。对连续级配的土，区分粗粒和细粒粒径的界限粒径：

式中 df——为区分粗细粒的界限粒径，mm；

d70——为小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径，mm；

d10——为小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径，mm。

根据《希尼尔水库工程地质报告》（以下简称《地质报告》）中提出的坝基岩土颗粒分析成果：d70为小于0.6 mm的颗粒粒径；d10为小于0.15 mm的颗粒粒径；则以df为0.3 mm的颗粒粒径作为区分粗细粒的界限粒径，细粒含量Pc（小于0.3 mm）颗粒粒径占总土重的24%。

对不均匀系数大于5的不均匀土一般采用细粒含量（Pc）进行渗透破坏类型的判别：Pc≥35%时，渗透破坏形式为流土；25%≤Pc≤35%时，渗透破坏形式为流土和管涌的过渡型；Pc＜25%时，渗透破坏形式为管涌。由于Pc＜1／（4×n）×100＝38.27%，故水库坝基应发生管涌型渗透破坏而不是流砂（土）型渗透破坏。

产生管涌型或过流型破坏宜采用下式计算临界水力坡度：

式中 d5、d20——为分别占总土量的5%和20%的土粒粒径（mm）；

ds——为2.63。通过《希尼尔水库工程地质报告》中的坝基岩土颗粒分析成果：d5取0.12 mm；d20取0.28 mm，得出Ic＝0.66，安全系数取3，计算得出允许水力坡降值I允＝0.22。《地质报告》中提出的第三系砂岩的平均不均匀系数Cu为2.59，根据无粘性土产生渗流破坏的允许水力坡度经验值（见表1［3］），可以看出本文计算值和经验取值基本相近。

3.3 坝基渗透破坏分析

根据水库坝基测压管最高水位来计算各段坝基的水力坡度（见表2）：