黄壁庄水库副坝冒泡翻滚原因分析

田 鑫

（河北省水利规划设计研究院有限公司，石家庄 050021）

1 黄壁庄水库副坝概况

黄壁庄水库副坝桩号1+060～5+600段位于滹沱河右岸二级阶地，覆盖层厚度一般为32～49m，最厚处达70m，为多层结构，自上到下主要由壤土微弱透水层（厚4～6m），中、粗砂中等透水层（厚12～16m）和卵石强透水层（厚10～20m）组成，其中卵石层的顶部存在极强透水带。 下伏基岩大理岩和硅质灰岩岩溶发育段为岩溶极强透水带。 砂层在坝前124～227m处出露， 与库水接触并和下部的卵石层及岩溶极强透水带均有水力联系，水文地质条件复杂，存在坝基渗漏及渗透变形问题，在渗透水流的作用下，砂层的砂易进入级配不良的卵石层而流失，产生渗透变形，是水库运行中坝前铺盖裂缝、塌陷，坝后减压井和排水沟涌砂的主要原因。为此，除险加固采用垂直防渗处理，后期工程运行表明防渗效果明显。

2 副坝前水面冒泡情况

黄壁庄水库于2016年7月18日12：00开始降雨，21日8：00基本结束，7月21日8：00， 库水位上升至121.18m。 水库工程技术人员在副坝巡查时，发现坝前水面出现较大范围的冒泡翻滚现象， 具体分布为沿坝轴线长约500m（5+000-5+500），距水边约30m起呈点状或平行于坝轴线的条带状。起初较平缓，随着时间延长，翻花现象越来越活跃，从水边一直延伸到坝前约200m，水边的几个翻花点能听到呼噜声响，冒泡处有明显气感。

对应冒泡翻滚区副坝大致有2个监测断面，分别位于5+200、5+368附近。黄壁庄水库库水位每天监测1次，渗压计每半个月观测1次、汛期每天1次。这次库水位快速上升期间，库水位每1h监测1次。 渗流压力为每2h监测1次。 7月15—21日期间：5+368断面墙前测点处水位变幅分别约达7.80，6.90，4.70m， 墙后测点处水位变幅约0.5m；4+498断面墙前测点处水位变幅较大， 为7.75m； 墙后测点处水位变幅较小，仅0.3m。 可见防渗墙前、后测点渗压水位（总水头）差异明显， 墙体削减水头效果明显， 防渗墙防渗性能较好。

3 副坝前工程地质条件

3.1 工程地质勘察

副坝5+000～5+500范围钻孔布置如下：坝前铺盖3个断面，分别为副坝5+000、5+360、5+450，每个断面3个钻孔，相应位于坝轴线上游70，120，180m处，孔深钻探穿过壤土层至下部中细砂层。 钻孔位置如图1。

图1 钻孔布置图

3.2 副坝岩土物理力学性质

水库副坝坝前区域在勘探深度范围内， 揭露的主要地层岩性自上而下为：人工堆积（Q4s）素填土，主要为坝前铺盖素填土，岩性为壤土和黏土，揭露厚度1.5～2.8m；第四系全新统冲洪积（Q4alp）壤土，全区均有揭露， 揭露厚度0.9～4.8m； 第四系上更新统冲洪积（Q3alp）黏土、壤土、砂壤土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂和卵石，全区均有揭露，最大揭露厚度26.1m。

为取得各地层岩性物理力学参数， 确定其工程特性，现场对各土层进行了原位测试试验，并取样进行室内常规试验。根据试验成果，水库副坝坝前区域按土体结构及岩性对试验数据分别进行了统计，统计前先对异常值予以舍弃，然后提出范围值、平均值和组数，最后根据有关规程规范，并结合经验值提出各层物理力学参数建议值［1］。 对水库副坝坝前区域上部地层注水试验成果如表1，土层的主要物理力学参数统计及建议值如表2。

表1 场区土层注水试验成果

续表1

表2 副坝前各土层主要物理力学参数建议值

4 冒泡翻滚原因分析

根据现场注水试验和室内试验成果， 副坝前黏性土层具弱透水性；Q4alp壤土层具中等透水性；Q3alp砂土层具弱～中等透水性，砂壤土层具弱～中等透水性，中部黏性土层具微～弱透水性，下部砂土层具中等透水性。 一般黏性土具微～弱透水性，副坝前黏性土具中等～弱透水性， 说明该黏性土层中存在较多的裂隙，贮存于黏性土裂隙中的空气体积较多［2］。

经现场查看及补充勘察认为，桩号5+000～5+500范围坝前地形较为平缓，高程在116.50～117.00m，位置相对较高。 汛前库水位多在112.50m以下，上部存在非饱和含气地层。地层上部设置有黏土铺盖，结合坝体防渗墙和均质坝的弱透水性， 在库水位快速上升后， 气体逸出受阻， 伴随高水位地层水体侵入渗透，土体中的孔隙气体被逐渐压缩，形成气泡，最终冲破外部土水压力束缚，沿铺盖薄弱位置逐步逸出，形成 冒泡翻滚现象。 坝脚线附近的线性分布，应为铺盖的薄弱环节所致［3］。

左侧其他坝段坝前地形低于112.00m高程，不具备含气地层条件。右坝肩地形虽较高，其地层上下透水性差异较小，不致产生长时间地层气体受阻条件，不易形成大面积冒泡翻滚现象。

5 结语

在2016 年7 月份降雨之前， 库水位维持在112.5m附近， 低于副坝桩号5+000-5+500的坝前约200m范围内的铺盖表面高程， 使得该区域的坝前铺盖在7月份降雨之前存在大量含气干土。 7月18—21日，黄壁庄水库区域持续降雨，其中7月19—21日库水位从112.76m升至121.18m，快速上涨了8.42m。 水位的快速上涨，使得大量气体存留在铺盖中，由于水体渗入，气体逐渐被水体压缩。 随着水体继续渗入，铺盖内气体体积不断缩小而压强不断增大。 当铺盖内气体压强大于铺盖界面某处的压强时， 气团便会上升至水体表面，并从铺盖表面薄弱位置逸出，伴随气体逸出通道界面的形成， 坝前水面出现大量冒泡翻滚现象。在水体不断入渗作用下，随着铺盖中的气体逐渐排尽，冒泡现象也逐渐减弱［4］。