焦振華 李鵬

國內(nèi)外垮壩失事統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)表明[1]，失事原因以滲流破壞最多，占30%～40%。已有學(xué)者對滲流破壞的理論、滲透破壞機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究，認(rèn)為滲透破壞是涉及孔隙水滲流、可動細(xì)顆粒侵蝕運(yùn)移、多孔介質(zhì)變形等眾多復(fù)雜力學(xué)行為的多相多場耦合現(xiàn)象。通過室內(nèi)試驗(yàn)對影響滲透破壞比降的相關(guān)參數(shù)及因素進(jìn)行了探討，并提出了相關(guān)計(jì)算公式，提供了滲流控制的措施及適用條件建議。

目前研究多見于室內(nèi)試驗(yàn)及機(jī)理研究，工程案例多為堤防。土石壩工程目前國內(nèi)行業(yè)規(guī)范的判別標(biāo)準(zhǔn)均認(rèn)為以垂直向上的“頂托式”破壞為主，而對“貼坡式”破壞的工程案例鮮有報(bào)道。

1 地質(zhì)概況及破壞現(xiàn)狀

1.1 邊坡地質(zhì)概況

某水庫位于陜西省北部，左壩肩主要由全新統(tǒng)風(fēng)積（Q4eol）粉細(xì)砂、上更新統(tǒng)沖湖積（Q31al+l）粉細(xì)砂及上更新統(tǒng)沖湖積（Q31al+l）粉質(zhì)壤土組成。第四系上更新統(tǒng)沖湖積（Q31al+l）粉質(zhì)壤土按高程可劃分為1 050～1064、1 025～1 050、1 005～1 010 m等3個區(qū)塊，其中1 050～1 064 m高程分布相對連續(xù)，單層厚度0.3～1 m，最大厚度7.5 m；1 025～1 050 m高程呈透鏡體狀分布，最大厚度2～3 m；1 005～1 010 m高程在壩下游相對連續(xù)，分布有1～2層，厚度2～3 m不等，向坡體內(nèi)延伸可達(dá)100～200 m不等，向坡外漫灘延伸約100 m。

地下水類型主要為沙漠孔隙潛水，分布于下部上更新統(tǒng)（Q31al+l）地層中，含水層為粉細(xì)砂，蓄水前該層主要受大氣降水補(bǔ)給，原天然流場水位情況如表1。

表1 天然流場水位分布

蓄水后水位有所上升，與前期資料對比，本次調(diào)查范圍內(nèi)（坡體以內(nèi)400 m）最高水位較蓄水前（1 016 m）升高5～7 m，基本與現(xiàn)蓄水位持平，且平均水力坡降由蓄水前的0.01～0.015提高到現(xiàn)在的0.03～0.044，局部可達(dá)0.06～0.08，如圖1所示。

圖2 蓄水前后地下水位變化對比（壩下120 m）

1.2 邊坡破壞位置及破壞形態(tài)

水庫運(yùn)行初期下游排水溝出水較明顯，《安全鑒定報(bào)告》也提出“應(yīng)查明原因，并在下游壩腳排水溝及排水溝下游側(cè)砂層頂部設(shè)置反濾”，根據(jù)安全鑒定報(bào)告建議，2014年6月進(jìn)行了貼坡反濾施工，處理范圍由壩后到移民道路內(nèi)邊坡，施工后未出現(xiàn)翻砂冒水現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及運(yùn)行過程記錄，2014年8月壩后水景觀湖開工，壩后左岸水景湖位置上的貼坡反濾被挖除，坡腳現(xiàn)狀不穩(wěn)，出現(xiàn)了滑塌現(xiàn)象，后對坡腳進(jìn)行了柳樁及鉛絲石籠護(hù)腳，坡腳穩(wěn)定但翻砂冒水再次出現(xiàn)。2019年5月現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡腳翻沙冒水仍持續(xù)存在，可見明顯涌水帶砂現(xiàn)象，位置在壩下游坡腳，如圖2所示，出露點(diǎn)數(shù)量為4～6個，且局部塌陷。

圖2 翻沙冒水位置及現(xiàn)狀水位等值線圖

2 滲透破壞形式及破壞原因分析

2.1 滲漏及滲透破壞原因

由現(xiàn)狀左壩肩岸坡等水位線曲線（如圖2所示）可知，庫區(qū)防滲線以上，水位與現(xiàn)庫水位大致持平（1 025～1 026 m），防滲線下游方向，有明顯的水頭折減（1 018～1 010 m，與距離防滲墻端點(diǎn)樁號0-146距離有關(guān)），樁號0-146外側(cè)地下水位在遠(yuǎn)離岸邊處可達(dá)1 026 m，后順壩下游邊坡消減。分析表明，下游坡腳出水主要受左壩肩繞壩滲漏影響，來源于壩體及壩基滲流影響較小。

由等水位線圖可見，下部發(fā)生繞壩滲流導(dǎo)致原地下水位抬升，坡體水力比降增大，在自由出滲坡面、水下淹沒出滲坡面等部位產(chǎn)生流土及接觸沖刷等滲透破壞，是左壩肩翻砂冒水現(xiàn)象的主要原因，隨著蓄水位抬高，下游坡腳出水及滲透破壞現(xiàn)象會有加劇趨勢。

2.2 滲透破壞形式分析

2.2.1 壩坡土體顆粒組成

經(jīng)取樣試驗(yàn)，隨高程降低，土體顆粒組成有略變粗的趨勢，但變化不大，可按照一層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。有效粒徑D10=0.059 mm，中間粒徑D30=0.078 mm，平均粒徑D50=0.12 mm，界限粒徑D60=0.16 mm，不均勻系數(shù)Cu=2.71，曲率系數(shù)Cc=1.51；壩坡粉質(zhì)壤土層有效粒徑d10=0.002 8 mm，界限粒徑d60=0.019 mm，不均勻系數(shù)Cu=6.79，曲率系數(shù)Cc=1.58。

2.2.2 壩坡土體滲透指標(biāo)

對壩坡粉質(zhì)壤土現(xiàn)場取原狀樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，滲透系數(shù)為6×10-6cm/s，粉細(xì)砂層滲透系數(shù)見表2，現(xiàn)場注水、抽水試驗(yàn)成果均為10-2cm/s量級，室內(nèi)顆分結(jié)果計(jì)算、滲透試驗(yàn)成果均為10-3cm/s量級，考慮到室內(nèi)試驗(yàn)制樣過程不能完全反應(yīng)現(xiàn)場樣品狀態(tài)，建議滲透系數(shù)按照野外試驗(yàn)成果綜合取值，為1.5×10-2cm/s。

表2 多種方法確定砂層滲透系數(shù) cm/s

2.2.3 滲透破壞參數(shù)

已有工程滲透破壞形式有3種，即向上滲流流土、坡面出滲流土、接觸沖刷破壞，其中向上滲流流土破壞主要適用于均勻砂層被滲流沖動隆起破壞，允許滲透比降通過規(guī)范法計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)類比、室內(nèi)試驗(yàn)等方法確定；各種破壞形式下的滲透破壞參數(shù)見表3。

根據(jù)斯羅波田土坡試驗(yàn)成果，出滲點(diǎn)處土的臨界坡降為0.6～1.3，本次工作結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)定，建議粉質(zhì)壤土允許坡降取0.30。

表3 粉細(xì)砂滲透破壞參數(shù)取值

2.2.4 滲透破壞形式及滲透破壞可能性分析

根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄G規(guī)定，砂層、粉質(zhì)壤土層Cu均小于等于5，且D10/d10＞10，分析認(rèn)為，滲透破壞形式為砂層流土及砂層與砂壤土層之間的接觸沖刷。

根據(jù)等水位線圖分析，現(xiàn)狀蓄水條件下，受繞壩滲漏影響，壩后水位有所上升，坡體內(nèi)水位變化幅度較小，坡體130 m范圍內(nèi)（1 054 m平臺以下）水位變化較大，局部水力坡降可達(dá)0.06～0.08。

實(shí)際水力坡降小于允許比降J允許=0.25，不會發(fā)生向上滲流流土破壞；據(jù)2019年7月現(xiàn)場實(shí)測資料可知，現(xiàn)狀蓄水條件下壩下游排水棱體后貼坡部位存在3處出逸點(diǎn)，高出水面0.2～0.5 m，滲流量較小，其余出逸點(diǎn)均位于水面以下；實(shí)際水力坡降大于坡面出滲允許破壞坡降J允許=0.06，在坡面出滲部位具備發(fā)生坡面出滲流土破壞的條件；實(shí)際水力坡降大于接觸沖刷破壞比降J允許=0.05，不滿足允許比降，在砂層與粉質(zhì)壤土層接觸部位有發(fā)生接觸破壞的條件。

受下部粉質(zhì)壤土相對不透水阻隔，出現(xiàn)目前翻沙冒水現(xiàn)象，且水位進(jìn)一步上升至正常蓄水位時破壞范圍還會進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 結(jié)論與建議

（1）水庫蓄水后水位抬高導(dǎo)致的地下水滲透比降增大是產(chǎn)生坡腳滲透破壞的主要原因。

（2）滲透破壞參數(shù)的選取要考慮向上滲流流土、坡面出滲流土、接觸沖刷等多種工況。

（3）建議采取措施延長滲徑，進(jìn)一步降低水力比降，同時采取反濾措施，防止發(fā)生滲透破壞，進(jìn)而防止邊坡失穩(wěn)。