坪溪水庫大壩填土滲透穩(wěn)定性分析

坪溪水庫大壩填土滲透穩(wěn)定性分析

1水庫工程概況平溪水庫正常蓄水水位為361m，相應(yīng)蓄水水位為1090萬3m。水庫于1977年10月動工興建,1981年3月竣工,工程等別為3等。主壩為均質(zhì)土壩,壩頂長度269m,壩頂高程366.5m,最大壩高55m,壩頂寬8m。2壩體結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育特征壩基全部為燕山三期粗粒黑云母花崗巖,以全風化巖為主(呈礫質(zhì)土或含粘質(zhì)土砂礫,稍濕-濕,硬塑-堅硬),局部為強風化巖(巖芯呈塊狀和短柱狀,夾有全風化薄層和弱風化巖,裂隙發(fā)育,完整性很差,RQD=0～8%,巖質(zhì)軟弱)。壩基中部原為一條形山,山頂高程333.09m,條形山兩側(cè)各有一條小河,兩條小河在壩基中下部匯合成一條河。右岸為一較雄厚條形山,山頂高程432.3m;左岸山體雄厚,山頂高程500m以上。壩基構(gòu)造較發(fā)育。右壩肩裂隙發(fā)育,產(chǎn)狀為N20～35°W/SW∠50～55°、SN/E∠75～80°和N80°E/SE∠80°三組裂隙,每組2～3條/m,巖體完整性差;在左壩肩亦有三組裂隙,產(chǎn)狀為N30°W/NE∠60°、N50°E/NW∠70°和EW/S∠45～55°,每組1～2條/m。3飽和快剪試驗土壩填筑土料均就地取材,在壩址附近1km范圍內(nèi)取表層土,大部分由全風化粗粒黑云母花崗巖組成(呈粘土質(zhì)砂礫和粉土質(zhì)砂礫),夾有少量坡積層和全風化粉砂巖。填筑用水墜法和碾壓法完成(先用碾壓法在壩體底部及表層形成一個包圍體,在包圍體內(nèi)用水墜法分層、分塊填筑,厚度隨位置不同變化較大,一般壩中間厚,四周薄;壩體表層和底部均由碾壓法填筑壩)。①-1上部碾壓法壩填土:取樣做固結(jié)不排水剪和按水電常規(guī)做飽和快剪試驗,其物理力學性質(zhì)指標為:天然含水量W=23.8%,密度ρ=1.83g/cm3,干密度ρd=1.48g/cm3,孔隙比e=0.776;壓縮系數(shù)av=0.40MPa-1,為中-高壓縮性土。飽和快剪(修正值,砂土樣試驗成果其物理指標用平均值,力學指標用修正值,下同):摩擦力Cq=8.5kPa,摩擦角φq=27.6°;固結(jié)不排水抗剪強度:Ccu=10.0kPa,φcu=20.5°;Ccu′=14.0kPa,φcu′=26.3°;滲透系數(shù)k20(最大)=8.74×10-4cm/s,k20(平均)=4.09×10-4cm/s。做標準貫入試驗平均值N=14擊,小值平均值N=8擊。①-2中部水墜法壩填土:水墜法壩填土均在壩體的中間部,被碾壓法填土包圍,取樣做固結(jié)不排水剪和水電常規(guī)做飽和快剪試驗,其物理力學性質(zhì)指標為:W=21.4%,ρ=1.93g/cm3,ρd=1.59g/cm3,e=0.659,av=0.26MPa-1,為中-低壓縮性土。飽和快剪:Cq=28.1kPa,φq=26.5°;固結(jié)不排水抗剪強度:Ccu=14.9kPa,φcu=21.4°;Ccu′=12.4kPa,φcu′=27.8°;k20(最大)=9.84×10-4cm/s,k20大值平均值=7.85×10-4cm/s,k20(平均)=4.59×10-4cm/s。標準貫入試驗平均值N=19.0擊,擊數(shù)為6～50擊,一般為10～25擊,小值平均值N=14.5擊。①-3下部碾壓法壩填土:取樣做固結(jié)不排水剪主按水電常規(guī)做飽和快剪試驗,其物理力學性質(zhì)指標為:W=22.6%,ρ=1.98g/cm3,ρd=1.61g/cm3,e=0.635,av=0.27MPa-1,為中壓縮性土。飽和快剪:Cq=35.6kPa,φq=29.6°;固結(jié)不排水抗剪強度:Ccu=13.0kPa,φcu=24.3°;Ccu′=12.0kPa,φcu′=29.9°;k20(最大)=2.52×10-4cm/s,k20(平均)=1.96×10-4cm/s。標準貫入試驗平均值N=21.2擊,小值平均值N=19.0擊。4室內(nèi)份試法-1層根據(jù)勘探資料,壩填土主要為粘質(zhì)土砂或粉質(zhì)土砂。而①-2層中經(jīng)常可以碰到砂礫聚集的情況出現(xiàn),粘性土含量較少,芯樣呈砂礫狀,取樣較困難,本層取到的原狀土樣多為粘質(zhì)土砂礫,并且粘性土含量稍高,與實際情況有出入。取樣做室內(nèi)顆分試驗:①-1層大于0.075mm含量為52.4%～68.4%,平均值64.4%;①-2層大于0.075mm含量為52.6%～76.8%,平均值64.8%;①-3層大于0.075mm含量為55.6%～61.8%,平均值58.7%(壩填土室內(nèi)顆分試驗成果表見表2)。根據(jù)顆分成果,填筑土為粘質(zhì)土砂或粉質(zhì)土砂,級配較均勻,小于0.075mm的細粒土含量多大于35%～40%,根據(jù)現(xiàn)場鉆探情況,除水墜法填筑時局部層段產(chǎn)生砂礫聚集情況外,其它各處細粒土均勻分布,充填在粗粒土間,有粘性,防滲性能較好(圖1)。5計算土粒粒徑符合gs-1、2和0.根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-99)土的滲透變形判別方法,先判別土的滲透變形類型,最后確定臨界水力比降和允許水力比降。根據(jù)顆分曲線,壩填土抵細粒的區(qū)分粒徑df≌0.27mm,對應(yīng)的細顆粒含量Pc≌48%。根據(jù)公式Pc≥或<[1/4(1-n)]×100n—土的孔隙率%,填土n=1/(1+e)=0.592判別填筑土為管涌型、過渡型和流土型。Pc(≌48%)<[1/4(1-n)]×100=61.3%,屬管涌型。管涌型臨界水力比降Jcr=[2.2(Gs-1)(1-n)2]×d5/d20Gs—土顆粒密度與水密度之比,d5、d20—分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑mm。Gs=2.63,n=0.592,d5=4mm,d20=2mm。計算所得Jcr=1.19。取安全系數(shù)為2,則允許水力比降J允許=0.59。6鉆孔滲透系數(shù)調(diào)查和分析壩填筑土料均就地取材,在壩址附近1km范圍內(nèi)取表層土,土料絕大部分為燕山期粗粒黑云母花崗巖風化土(呈粘土質(zhì)砂礫和粉土質(zhì)砂礫)。大壩施工過程中,用水墜法和碾壓法完成,完成方法:先用碾壓法在壩體底部及表層形成一個包圍體,在包圍體內(nèi)用水墜法分層、分塊填筑。根據(jù)安全鑒定和本次勘察主壩取土樣統(tǒng)計,上部碾壓法填土干密度平均值為1.48g/cm,呈松散—稍密狀;中部水墜法填土干密度為1.59g/cm,呈稍密狀;下部碾壓法填土干密度平均值為1.61g/cm,呈稍密—中密狀。水墜法填筑土會出現(xiàn)粗粒料、粘性土料相對集中現(xiàn)象,易產(chǎn)生層狀滲漏,在本次勘察過程中,個別鉆孔出現(xiàn)無迥水、透水性大的現(xiàn)象就多由這種原因造成(鉆孔無迥水段見表3)。鉆孔資料表明:漏水點為含粘性土砂礫,粘性土含量少,以砂礫為主,透水性較大,而鉆孔無迥水說明在漏水位置有滲漏通道。在水庫運行期間,在背水坡標高336.5～338.5m在1984年發(fā)現(xiàn)滲漏,最大滲流量426L/h,后經(jīng)在漏水處灌漿處理,至1997年該高程仍然有滲漏現(xiàn)象。本次在漏水處布置鉆孔1個(由于漏水點正好處于引水管線上部,故布置鉆孔時向漏水點左側(cè)偏移5m),根據(jù)鉆孔資料,本段填土呈粉土質(zhì)砂礫和粘土質(zhì)砂礫,干密度ρd=1.49～1.60g/cm3,標準貫入試驗擊數(shù)N=16,8,14擊,呈稍密狀,注水試驗所取得的滲透系數(shù)k=1.23×10-4～5.37×10-4cm/s,屬中等透水性。鉆孔資料表明:漏水點為含粘性土砂礫,粘性土含量少,以砂礫為主,透水性較大,而鉆孔無迥水說明在漏水位置有滲漏通道。根據(jù)注水試驗成果,壩填土滲透系數(shù)平均值k=1.23×10-4cm/s,屬中等-弱透水性。室內(nèi)滲透試驗k20=9.84×10-4～6.28×10-7cm/s?，F(xiàn)場注水試驗與室內(nèi)滲透性試驗成果基本一致,均屬中等透水和弱透水。各層滲透系數(shù)見表1。對應(yīng)填筑方法分層,①-1上部碾壓法填筑土填土較均勻,屬中等透水性,本層滲透系數(shù)建議采用k20=4.0×10-4cm/s;①-2中部水墜法填筑土由于常見砂礫集中現(xiàn)象,滲透系數(shù)變化大,填筑均勻性較差,透水性因填土的位置不同而變化較大,也從另一方面說明水墜法填筑土的不均勻性,本層大值平均值k20=6.58×10-4cm/s,建議采用k20=8.0×10-4cm/s;①-3下部碾壓法填筑土,土質(zhì)較均勻,建議采用k20=2.0×10-4cm/s?？傮w分析,壩體填土屬中等-弱透水性。7主壩軸線壩體內(nèi)坡內(nèi)水位變化根據(jù)勘探資料,水庫蓄水位為322.79m,主壩軸線壩頂鉆孔水位ZK7、ZK8孔分別為323.82m和325.27m,壩前坡ZK11孔水位336.78m,壩后坡ZK12、ZK13鉆孔水位分別為331.51m和314.50m(圖2)。在壩體外坡右側(cè)已布置兩排測壓管,每排4個孔,其中第一排測壓管與勘探剖面相近,用相隔10天的兩次測量記錄平均值與鉆孔穩(wěn)定水位對比(見表4)。水庫水位為322.787m時,主壩軸線壩頂觀測孔I-1水位319.185m,I-2水位314.513m、I-3水位315.571m、I-4水位319.222m,壩體浸潤線平緩,在壩后坡水位上挑,主要受原地面線較高影響。測壓管水位的變化趨勢和庫水位變化基本一致,浸潤線正常。浸潤線水力坡降為J=0.1,遠遠小于允許水力坡降J允許=0.59,壩填土不會產(chǎn)生滲透破壞。8壩體及壩體的透水性(1)根據(jù)勘察和試驗成果,坪溪水庫壩填土不會產(chǎn)生滲透破壞,填土屬中等-弱透水性,工程地質(zhì)條件良好。(2)壩體滲水段滲漏的外界條件是在短時間內(nèi)降雨量較大,降雨時間必須在3天以上,鑒于這兩個外因,初步分析,這個位置滲漏主要有以下幾個原因:①壩體透水性較大,在壩體填土中有層狀出現(xiàn)的粘土質(zhì)砂礫層(每一層用水墜法填筑的表層經(jīng)常會出現(xiàn));②此滲漏點位于一山坡上,由水墜法形成的粘土質(zhì)砂礫與地表全風化和強風化巖結(jié)合較差,降雨形成的地表水沿結(jié)合面滲入,在粘土質(zhì)砂礫層中聚集,使得地下水位上升;③填土不均勻,密實度較差,出現(xiàn)砂與粘性土分離現(xiàn)象;④在水墜法填筑壩體時,在壩體中先形成一砂柱以利排水,這些砂柱互相之間不連通,為獨立體,此砂柱具強透水性。(3)壩體為均質(zhì)土壩,分別用碾壓法和水墜法填筑,填土質(zhì)量總體較均勻,但由于水墜法經(jīng)常會出現(xiàn)泥層和砂層集中現(xiàn)象,并且在水墜法填筑過程中便于排水而設(shè)置的砂柱均有較大的透水性。(4)在引水管線偏左背水坡標高336.5～338.5m在1984年發(fā)現(xiàn)滲漏,除了與填壩土滲透系數(shù)較大、砂層集中、有砂柱分布等因素外,大壩從修建運行至今,未做過系統(tǒng)的灌漿處理也是透水性重要因素。(5)水墜法填筑土壩是在特定歷史條件下進行的,特點是用人多、工作面大、速度較快,主要適合于以人力資源為主、取料主要在壩肩的土壩填