陈庄水库坝基渗透变形特征

高 峰

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原 030024）

陈庄水库位于山西省大同县瓜园乡陈庄村西，属于海河流域永定河水系桑干河二级支流--尼河（坊城河）中游，为小（1）型水库，工程任务主要是防洪并兼顾农田灌溉。尼河（坊城河）发源于采凉山南麓，干流长30 km，在马家南坡注入桑干河，流域面积343 km2，坝址以上控制流域面积98 km2，多年平均径流量为1 090×104m3.

陈庄水库建成于1974年，坝体在修建时未经碾压，经多年运行，年久失修。现状条件下，坝体局部存在小范围坍塌；由于上游坝坡较陡，加之雨水入渗，致使坝体形成部分滑坡，滑坡体厚度1～2 m，坝基砂层存在渗漏，右坝肩存在绕坝渗漏等一系列工程地质问题，水库安全存在较大隐患。坝基的渗漏、渗透变形影响坝体的稳定，以下针对该问题进行分析研究。

1 地质概述

坝址区位于尼河（坊城河）中游，该处河流流向为S5°W，河谷呈开阔“U”形谷展布，底宽150～200 m，两岸为较陡峻的土坡，左岸陡于右岸，两岸岸坡高度12～35 m.

坝基上部地层岩性为全新统洪冲积（Q4pal）级配不良（良好）砂、含细粒土砂层，结构多呈松散～稍密，其砾石含量为0～31.7%，平均值为5.3%，砂粒含量为53.8%～98.3%，平均值为73.5%，粉粒含量为1.7%～28.5%，平均值为14.8%，黏粒含量为0～17.7%，平均值为6.4%，主要矿物成分为长石、石英、云母及一些暗色矿物，其渗透系数为1.70×10-3～5.50×10-3cm/s，平均值为2.98×10-3cm/s，大值平均值为5.50×10-3cm/s，具中等透水性，该层标准贯入试验实击数为4～14击，平均9.7击，杆长修正击数为3.1～10.4击，平均7.7击。该层厚度0.8～4.7m.坝基下部为下更新统湖积（Q1l）灰、褐灰色低液限黏土层，其水平渗透系数为1.33×10-7～2.43×10-6cm/s，平均值为1.08×10-6cm/s，具极微～微透水性，属相对隔水层。

2 坝基渗透性分析

土的渗透变形特征应根据土的颗粒组成、密度和结构状态等因素综合分析确定。其判别包括以下内容：①判别土的渗透类型，②确定流土、管涌的临界水力比降，③确定土的允许水力比降。

坝基上部全新统地层中存在中等透水性的级配不良（良好）砂、含细粒土砂层，为主要渗漏层位，在水库大坝上下游水位差产生的渗压作用下，该层将发生渗透变形。可根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）对坝基土的渗透变形特征进行分析评价。

2.1 渗透变形类型

扰动土样的区分粒径为：

式中：d—土样的区分粒径；

d70、d10—小于该粒径的含量占总土重70%或10%的颗粒粒径，mm.

无黏性土渗透变形类型的判别：对于不均匀系数小于等于5的土可判为流土，对于不均匀系数大于5的土可采用下列判别方法：

a、流土：P≥35%

b、过渡型取决于土的密度、粒级和形状：25%≤P＜35%

c、管涌：P＜25%

其中P为相应于区分粒径（细粒）含量。

根据坝基6组砂层扰动样筛分试验资料（见表1），其不均匀系数Cu为4.8～174.0，平均值62.9，其中Cu值小于5的1组土可判为流土，Cu值大于5的5组土再根据细粒含量P值进行判别，由表1可看出，Cu值大于5的土的P值处于26.8%～36.8%之间，有2组P值大于35%，有3组介于25%与35%之间，据此判别粉土质砂的渗透变形类型为过渡型。

表1 坝基Q4p a l砂层界限系数统计表

2.2 临界水力比降的确定

全新统砂层产生的渗透变形类型主要是过渡型。选用下式计算级配不良砂层的临界水力比降。

式中：Jcr—土的临界水力比降；

Gs—土的比重，取值2.67；

n—土的孔隙率（%），取值；

d5、d20—分别为小于该粒径的含量占总土重的5%和20%的颗粒粒径，mm.

据坝基砂层土工试验资料，其干密度为1.70～1.88 g/cm3，平均值为 1.79 g/cm3，比重为 2.67，据公式 e=（GS·ρw/ρd）-1（式中e为孔隙比，Gs为砂的比重，ρw为水的密度，取1 g/cm3，ρd为砂的干密度（计算时取小值 1.70 g/cm3））计算，孔隙比e为0.571，按孔隙比计算的孔隙率为36.35%，据表1，d5平均粒径为0.057 mm，d20平均粒径为0.135 mm，管涌型砂层的临界水力比降为0.63.

2.3 允许水力比降的确定

宜以土的临界水力比降除以1.5～2.0的安全系数后作为土的允许水力比降，考虑到工程的重要程度，安全系数取2.0，因此，坝基砂层产生管涌变形的允许水力比降为0.31.

3 结语

陈庄水库坝基全新统砂层存在渗透变形问题，渗透变形类型为过渡型。渗漏及渗透变形将影响大坝坝体稳定，建议对坝基进行防渗处理。