三里庄水库西副坝0+560～0+780坝基渗透变形评价

■付大庆王彦军张涛

（1潍坊市水利建筑设计研究院山东潍坊261205；2山东正元建设工程有限责任公司山东济南250101）

三里庄水库西副坝0+560～0+780坝基渗透变形评价

■付大庆1王彦军2张涛2

（1潍坊市水利建筑设计研究院山东潍坊261205；2山东正元建设工程有限责任公司山东济南250101）

本文对坝基粉质黏土与砾粗砂在两种工况下的渗透变形进行分析，得出坝基粉质黏土渗透破坏类型为流土型，砾粗砂渗透破坏类型为管涌型或过渡型。在现有坝后地形地貌的前提下，坝趾出逸坡降均小于允许水力比降，坝基土层不会发生渗透破坏。

三里庄水库 坝基 渗透变形

0　引言

三里庄水库位于诸城市南外环处，总库容6912万m3，兴利库容2334万m3，控制流域面积240km2，是一座集防洪、供水、灌溉等多功能于一体的重点中型水库。1999年8月12日该水库遭受历史罕见特大暴雨袭击，日降雨量达640mm，占年平均降雨量750mm 的85.3%。水库出现重大险情，西副坝坍塌、滑坡29处，长738m；裂缝31处859延米；管涌区两片。同年9月进行除险加固，2005年8月通过主体工程验收。1999年9月30日，山东水利学会科学技术咨询服务中心对《诸城市三里庄水库除险加固工程可行性研究报告》进行评估，认为“西副坝坝基属双层结构，现有地质资料不足以说明实际发生的渗透变形、坝坡失稳的原因和坝基地震液化的可能性。应在收集有关地质资料的基础上进一步分析论证。西副坝加固方案应在补充地质勘探资料后进行优化。”2009年2月20日～3月11日，国家审计署审计除险加固工程，发现初步设计阶段没有进行补充地质勘探，评估意见在《诸城市三里庄水库除险加固工程初步设计报告》中没有得到落实，该工程重点隐患没有得到彻底消除。

本文分两种工况对坝基渗透变形进行分析评价。

1　坝基地质概况

通过加固，西副坝坝顶宽15m，路肩绿化带宽4m，防浪墙高0.95m，上下游坡比1∶2.5，坝后草皮护坡，坝前干砌块石护坡，水体污染较轻。坝前渔塘数个，是由修建非常溢洪道开挖导流沟废弃而成，单个东西长±85m，南北宽±40m。自南向北分布于整个坝前，只在0+780处附近因1999年出现管涌险情而填平植满杨树。

坝基分布两层土，下伏泥岩。层①粉质黏土：黄褐色～深黄褐色，饱和，可塑，塑性指数14.8，黏粒含量平均17.4%，粉粒含量平均82.6%，渗透系数1.3×10～5cm/s，弱透水，近微透水，中等压缩性。该层分布连续，层厚稳定，厚达9.10m～12.20m，平均厚度±10m，层底高程58.54m～60.61m，为坝基良好的相对隔水层。层②砾粗砂：浅黄褐色，饱和，标贯击数平均34击，呈密实状态。在竖向上砂粒分布不均，上部呈中细砂状，中部呈中粗砂状，下部呈砾砂、砾石状，砾石大者直径达60mm，呈偏平状。可取成柱状岩心，含±5%的黏粒。该层分布连续，层厚稳定，厚达2.30m～3.80m，平均厚度±3m，层底高程55.04m～57.51m。渗透系数3.9×10～2cm/s，强透水等级。

2　坝基渗透变形

坝基属双层结构，表层为黏性土，层厚±10m，其下为砂土，层厚3m余，下伏泥岩。渗透变形分两种工况判析。

2.18·12特大暴雨管涌分析

1999年8·12特大暴雨，库水位超过历史最高水位，达到72.02m，超过警戒水位0.13m。12日10时～11时，在桩号0+780和0+560处坝后出现两片管涌区，至14日12时30分管涌有所发展，15日7时西副坝出现纵横向裂缝，局部坝段有滑坡迹象。若坝前无渔塘，坝基连续，表层黏性土厚达±10m，则只能发生层①粉质黏土的流土破坏。而管涌确已发生，唯一可能的原因是坝基表层土被破坏，库水与层②砾粗砂承压水连通，故在坝后的某些薄弱处发生管涌。坝前渔塘是由上世纪60年代初修建非常溢洪道开挖的导流沟废弃而成，深3.36m，其时开挖深度3.8m～4.8m，经过近50余年的淤积，量测承压水头等于5.7m，则渔塘底粉质黏土最小厚度，即：

式中：γm—含水层以上土的饱和重度/(kN/m3)；h—隔水层厚度/m；t—渔塘开挖深度/m；Pw—承压水头/kPa。

渔塘底粉质黏土饱和容重19.2kN/m3，计算得最小厚度须3.3m。ZK6处砂层埋深11.2m，则当时开挖导流沟时最小厚度等于3.95m，二者相差仅半m余，在当时施工及其后若干年的时间的某个时刻，将此0.65m的安全厚度破坏，由此成为8?12管涌的始作俑者。

针对西副坝边界条件，按以下两种工况进行坝基渗透变形分析评价。

2.2工况一：坝前渔塘保持现状

边界条件：①库水与砂层承压水连通(事实上已连通)，主要在层②内渗流；②坝后表层黏性土被破坏，且安全厚度大于规范允许值。

（1）类型判别。层②级配连续，粗细粒的区分粒径df：

式中：d70—小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径/mm；d10—小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径/mm。

通过计算(表1)，坝基层②渗透破坏类型为管涌型或过渡型。

表1　坝前渔塘保持现状坝基层②砾粗砂渗透类型判

（2）临界水力比降。管涌型临界水力比降据式：

式中：Jcr—临界水力比降；Gs—土粒比重；n—土的孔隙率/%；d5、d20—分别占总土重5%和20%的粒径。

通过计算(表2)，平均临界水力比降等于0.77。

表2　坝前渔塘保持现状坝基砾粗砂临界水力比降

（3）允许水力比降。三里庄水库为诸城市的头顶水库，地理位置特别重要。安全系数取2.0，计算得允许水力比降等于0.39。在坝前渔塘保持现状的情况下，砾粗砂允许水力比降等于0.39，乘以水的容重10 kN/m3，则向上的渗流力仅3.9 kPa，考虑承压水头，则渗流力也只有100 kPa(假设承压水头达近10m)。坝后表层黏性土厚达± 10m，上覆压力达近200kPa，因此，不可能发生管涌。既使坝后开挖基坑，通过实测承压水头，只要保证基坑底的厚度大于规范的最小安全厚度值，同样也不会发生管涌或突涌。

2.3工况二：坝前渔塘填平

边界条件：①库水只在厚这±10m的渗透系数极小的表层黏性土渗流；②坝后表层黏性土未破坏。

（1）类型判别。坝基表层粉质黏土的渗透变形破坏类型是流土。

（2）临界水力比降。流土型临界水力比降据式：

计算结果见表3。

表3　坝前渔塘填平坝基粉质黏土临界水力比降

（3）允许水力比降。平均临界水力比降等于0.98，安全系数取2.0，允许水力比降等于0.49。

（4）出逸坡降。据《水工设计手册》第三册，“不透水地基上均质土坝的渗流中的‘无表面排水的均质土坝’坝趾出逸坡降”公式：

式中：J—出逸坡降；m—坝坡坡率。

副坝下游坡比1∶2.5，出逸坡降等于0.40，小于允许水力比降0.49，因此，坝基表层粉质黏土不会发生流土破坏。

3　结论

分两种工况对坝基粉质黏土与砾粗砂进行渗透变形分析，粉质黏土渗透破坏类型为流土型，砾粗砂渗透破坏类型为管涌型或过渡型。在现有坝后地形地貌的前提下，坝趾出逸坡降均小于允许水力比降，坝基土层不会发生渗透破坏。

TV62[文献码]B

1000～405X（2016）～4～222～1

付大庆（1974～），男，硕士，高级工程师，研究方向为地质、岩土、土 (水)工结构。