大西海子水庫滲漏原因分析

吳圓圓

（新疆塔里木河流域工程建設(shè)處，新疆 庫爾勒 841000）

位于新疆尉犁縣塔里木河下游的大西海子水庫滲漏嚴(yán)重，需對(duì)其滲漏原因進(jìn)行地質(zhì)分析。

1 概況

1972年建成投入運(yùn)行的大西海子水庫由一庫和二庫組成[1]，目前一庫已廢棄，水庫功能調(diào)整為專門用于塔里木河下游生態(tài)供水。水庫（二庫）水工建筑物包括大壩、二庫老泄洪閘、二庫新放水閘、二庫放水閘（龍口處）、進(jìn)庫引水工程等。其中，大壩包括北壩（樁號(hào)K0+000—K5+506）、東壩（樁號(hào)K5+506—K10+417）、南壩（樁號(hào)K10+417—K17+711）、西壩（樁號(hào)K17+711—K32+263），壩型為均質(zhì)土壩，水庫正常蓄水位849.25 m，總庫容9870萬m3[2]。

2 工作方法

為了查明大西海子水庫滲漏原因，按照《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，結(jié)合工程實(shí)際，采用工程地質(zhì)測(cè)繪、坑探、鉆探、現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度及注水試驗(yàn)、鉆孔抽水試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)等方法對(duì)工程場(chǎng)區(qū)進(jìn)行勘察，勘探點(diǎn)間距控制在200～300 m，鉆孔深度15～25 m。對(duì)壩體填筑質(zhì)量檢測(cè)采用坑探與鉆探相間布置的方式，并在鉆孔中進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)，確定壩體密實(shí)度；在探井中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)及天然密度試驗(yàn)，查明填筑土滲透系數(shù)及相對(duì)密度。

3 庫區(qū)工程地質(zhì)條件分析

3.1 地勢(shì)地貌

大西海子水庫位于塔克拉瑪干沙漠東緣的平原區(qū)[3]，總體地勢(shì)由西北向東南微傾斜，海拔高程840～870 m。受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，塔里木河河道南北擺動(dòng)明顯，寬度約4 km，庫區(qū)面積約58 km2。由于緊鄰塔克拉瑪干沙漠區(qū)，水庫周圍尤其是庫區(qū)南部分布著大量的起伏沙丘，表部有流動(dòng)現(xiàn)象，沙丘比高2～30 m不等，庫盤內(nèi)局部分布的沙丘多為固定沙丘，蘆葦、紅柳等植被生長(zhǎng)較茂密。所以，大西海子水庫是利用塔里木河下游密集古河床網(wǎng)所構(gòu)成的湖沼洼地修建的湖泊型水庫。

水庫在河床、漫灘及自然洼地內(nèi)修筑壩體圍建而成，部分庫岸依托天然沙丘、沙梁進(jìn)行攔水。庫區(qū)形態(tài)不規(guī)則。由于庫區(qū)內(nèi)古河道分布密集，各河網(wǎng)間沙丘、沙梁交錯(cuò)展布，因此壩體多呈斷續(xù)分布，尤其以南壩表現(xiàn)較為明顯。

3.2 地層巖性

庫區(qū)出露的地層為第四系沖洪積物及風(fēng)積物，各地層巖性分述如下。

（1）第四系全新統(tǒng)風(fēng)積（Qaol4）粉土質(zhì)砂、粉細(xì)砂。主要分布于庫區(qū)西側(cè)、南側(cè)及東北側(cè)，少量分布于庫盤內(nèi)，是組成沙丘、沙梁的主要巖性，呈黃色，結(jié)構(gòu)松散～稍密，上部土體干燥，向下含水量增大，水位以下飽和。根據(jù)室內(nèi)滲透試驗(yàn)及野外注水試驗(yàn)，滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)多在10-3、10-4cm/s，具有中等透水性。

（2）第四系全新統(tǒng)沖洪積（Qaol4）粉土質(zhì)砂、含細(xì)粒土砂。廣泛分布于庫壩區(qū)內(nèi)，為庫壩區(qū)出露的主要地層，呈灰白～土黃色，結(jié)構(gòu)松散～稍密，含水量變化較大，干～飽和，局部夾有薄層低液限黏土、粉土夾層或透鏡體。

（3）第四系全新統(tǒng)湖積（Ql4）低液限粉土、粉土質(zhì)砂。分布于庫區(qū)內(nèi)，出露不連續(xù)，低液限粉土與粉土質(zhì)砂交互沉積，最大厚度約1.0 m，土體呈黃色，松散～稍密，含水量差異較大，稍濕～飽和，局部夾有薄層低液限黏土及灰黑色淤泥質(zhì)黏土、砂土透鏡體。

（4）第四系全新統(tǒng)人工堆積體（Qs

4）。是水庫大壩壩體人工填筑層，巖性主要為粉細(xì)砂、粉土質(zhì)砂，局部為低液限粉土、黏土等。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

庫區(qū)處于塔里木河下游、塔克拉瑪干沙漠東緣，出露的地層主要為大厚度的第四系松散堆積物。據(jù)調(diào)查，庫區(qū)附近無大的活動(dòng)性斷裂發(fā)育，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

3.4 水文地質(zhì)條件

3.4.1 地下水類型

庫區(qū)地下水類型單一，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要為第四系孔隙潛水，埋深隨地勢(shì)差異而變化較大，在地勢(shì)低洼處直接出露于地表，含水層巖性為第四系細(xì)砂、粉土質(zhì)砂等透水性較強(qiáng)、富水性較好的第四系松散堆積物。地下水主要由上游河水及少量降水補(bǔ)給，徑流方向基本與地表水水流方向一致，即由北西向東南方向流動(dòng)，其排泄方式為蒸發(fā)及人工渠排泄。

3.4.2 水化學(xué)成分

（1）庫區(qū)地下水。為第四系孔隙潛水，水化學(xué)成分為SO42-、CI-、Ca2+、Na+，pH為7.73～8.06，屬弱堿性水。

（2）管理站生活用水。根據(jù)水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，水化學(xué)成分為CI-、K+、Na+，礦化度為3.02 g/L，屬中礦化度水。

3.4.3 環(huán)境水腐蝕性評(píng)價(jià)

經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)，庫水中SO42-含量為199.8～345.4mg/L，Mg2+含量為2.95～80.5 mg/L，CL-含量為131.9～197.6 mg/L；第四系潛水中SO42-含量為403.6 ～2039.4 mg/L，Mg2+含量為2.8～406.9 mg/L，CL-含量為257.9～1872.7 mg/L。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》判定，地表水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性；第四系潛水對(duì)混凝土具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中腐蝕性。

3.4.4 水庫各壩段地下水分布特征及變化

大西海子水庫是利用塔里木河下游的湖沼洼地修建的湖泊型水庫。水庫北、西、南側(cè)部分地段分布著移動(dòng)、半固定沙丘。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘探，水庫修建壩體處均位于現(xiàn)代河床及古河床網(wǎng)中，地勢(shì)較低，地下水均有出露，壩后地下水埋深0～2.2 m，壩頂水位埋深3.0～6.5 m，水位變幅在0.11～1.7 m，地下水埋深隨庫水位升高而變淺。水庫除險(xiǎn)加固安全鑒定階段（2015 月12 月—2016年1 月）及初設(shè)階段（勘探時(shí)間2020年9—10 月）各壩段地下水位埋深及水位變幅統(tǒng)計(jì)，詳見表1。

表1 水庫各壩段地下水位埋深及水位變幅統(tǒng)計(jì)

3.5 庫區(qū)滲漏分析

（1）庫岸穩(wěn)定。水庫西南及北側(cè)天然岸坡主要為天然風(fēng)積固定、半固定沙丘，自然坡度多在5°～20°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在庫區(qū)西南壩段部分沙丘岸坡較陡，坡度40°～55°，坡高約20 m，沙丘土體為干燥～稍濕，呈松散狀，具有流動(dòng)現(xiàn)象。沙丘坡腳受風(fēng)浪淘蝕，岸坡已發(fā)生滑移塌岸，存在庫岸再造問題。

（2）水庫滲漏。水庫處于河流沖洪積平原下游，主要為古河床網(wǎng)所構(gòu)成的湖沼洼地。根據(jù)勘探揭露，庫區(qū)地層巖性主要為第四系沖洪積物及風(fēng)積物組成，其中沖洪積物巖性以粉土質(zhì)砂、粉細(xì)砂為主，滲透系數(shù)為2.2×10-3～9.6×10-3cm/s，具有中等透水性，在局部地段表層0～4.0 m 范圍內(nèi)有薄層低液限粉土、低液限黏土夾層或透鏡體，多與粉砂交互沉積，層厚在0.2～1.2 m，滲透系數(shù)為1.83×10-4～5.78×10-5cm/s，具有中弱透水性；第四系風(fēng)積物巖性為粉砂、細(xì)砂，滲透系數(shù)為2.7×10-3～5.34×10-3cm/s，具有中等透水性。

由勘探及土工試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，庫盤地層巖性主要由透水性較大的粉、細(xì)砂組成，至于部分表層分布的低液限粉土、黏土由于分布范圍不大、厚度較小且出露不連續(xù)，對(duì)庫區(qū)防滲作用不大。

4 岸坡和壩體工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

4.1 工程地質(zhì)條件

大西海子水庫部分庫岸依托天然沙丘、沙梁進(jìn)行筑壩攔水，壩體多呈斷續(xù)分布，尤以西側(cè)及北側(cè)最為明顯。其中，南側(cè)分布連續(xù)，呈帶狀、沙梁狀延伸，最大坡高約20 m，坡度多在5°～20°，部分地段坡度較陡，可達(dá)40°～55°；西側(cè)、北側(cè)沙丘基本上呈斷續(xù)片狀分布，多低矮平緩，坡度不大，地勢(shì)呈波狀起伏。庫岸沙丘多以半固定沙丘為主，固定性差，表部流動(dòng)現(xiàn)象較突出。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，水庫大壩壩基及壩體均未進(jìn)行防滲處理，滲流出口無反濾排水保護(hù)，防滲體系不完善；大壩植被茂盛、鼠洞密布，壩體及壩基普遍滲漏嚴(yán)重，下游壩坡出逸點(diǎn)高，壩后呈沼澤化。各壩段長(zhǎng)度及坡高統(tǒng)計(jì)，詳見表2。根據(jù)勘探揭露，巖性為第四系風(fēng)積級(jí)配不良砂（粉細(xì)砂），土黃色，表層干燥，向下含水量增高，稍濕～濕，結(jié)構(gòu)為松散～稍密狀。粉細(xì)砂天然密度1.45～1.58 g/cm3，含水量1.0%～23.6%，黏聚力0，內(nèi)摩擦角23°～32°，滲透系數(shù)5.17×10-3～8.32×10-3cm/s，具有中等透水性。

表2 各段岸坡滲漏量計(jì)算結(jié)果

4.2 岸坡滲漏估算

壩體天然沙丘巖性為級(jí)配不良砂，不均勻系數(shù)為1.7～2.0，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄G判定，其滲透變形類型為流土型。

臨界水力比降計(jì)算公式為：

式中：Jcr為臨界水力比降；GS為顆粒比重，取2.66～2.68；n為孔隙率，取0.45～0.48。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，級(jí)配不良砂臨界水力比降Jcr為0.86～0.92；地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)顯示，允許水力比降J允許為0.43～0.46（偏大）。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》第G.0.7 第2 條款，對(duì)于不均勻系數(shù)＜3.0 的無黏性土，建議其允許水力比降為0.15～0.18。

庫岸和壩體為天然沙丘，巖性為級(jí)配不良砂，滲透系數(shù)為5.17×10-3～8.32×10-3cm/s，平均滲透系數(shù)為6.6×10-3cm/s，具有中等透水性。滲漏量計(jì)算公式為：

式中：Q為壩基滲漏量（m3/d）；B為計(jì)算長(zhǎng)度（m）；K為滲透系數(shù)（m/d）；H為水位差（m）；qr為計(jì)算滲漏量（m3/d）。

式（2）中參數(shù)取值及各段岸坡滲漏量計(jì)算結(jié)果，詳見表2。

4.3 壩體工程地質(zhì)條件及質(zhì)量評(píng)價(jià)

大西海子水庫各壩體土質(zhì)和填筑土土質(zhì)情況基本一樣，以南壩為例對(duì)水庫大壩滲漏情況進(jìn)行分析。南壩（樁號(hào)K11+735—K17+711）段自新放水閘南部至葫蘆瓢西側(cè)，長(zhǎng)約7.3 km，壩頂寬度3～5 m，壩體植被（蘆葦）及鼠洞發(fā)育，壩前后無護(hù)坡，壩體變形嚴(yán)重。

4.3.1 壩體土物理力學(xué)性質(zhì)

南壩段壩體填筑土巖性主要為粉土質(zhì)砂（含細(xì)粒土砂），呈灰白色，局部夾低液限粉土。根據(jù)勘探揭露，壩體土含水量自上而下增大，上部土體干燥～稍濕，浸潤(rùn)線以下土體為濕～飽和，結(jié)構(gòu)為松散～稍密狀。依據(jù)試驗(yàn)分析，粉土質(zhì)砂天然含水量為1.7%～23.6%，天然密度為1.48～1.50 g/cm3，干密度為1.43～1.46 g/cm3，滲透系數(shù)為8.2×10-4～4.6×10-3cm/s，具有中等透水性。

4.3.2 壩體土填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)

南壩段壩體填筑土巖性主要為粉土質(zhì)砂（含細(xì)粒土砂），根據(jù)土工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)，粉土質(zhì)砂天然密度為1.48～1.50 g/cm3，干密度為1.43～1.46 g/cm3，相對(duì)密度為0.41～0.60，滲透系數(shù)為8.2×10-4～4.6×10-3cm/s，具有中等透水性。壩體填筑土密實(shí)度及滲透系數(shù)均不符合要求。

4.3.3 壩體滲透變形判別

南壩段壩體填筑土巖性為粉土質(zhì)砂（含細(xì)粒土砂），滲透變形類型為流土型。臨界水力比降采用式（1）計(jì)算，式中相關(guān)參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 壩體填筑土水力比降計(jì)算結(jié)果

由表3 可知，壩體填筑粉土質(zhì)砂（含細(xì)粒土砂）臨界水力比降為0.89～0.97，允許水力比降為0.45～0.48。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》判定，粉土質(zhì)砂允許水力比降計(jì)算值偏大，建議其允許水力比降取0.15～0.18。

本次計(jì)算選擇南壩段樁號(hào)K11+200、K11+500斷面，采用公式J實(shí)際=H/L計(jì)算，各參數(shù)選取及滲流計(jì)算結(jié)果詳見表4。

表4 大壩斷面滲流計(jì)算結(jié)果

由表4可知，南壩段壩體設(shè)計(jì)滲透比降為0.19～0.23，大于壩體填筑土允許水力比降0.15～0.18，存在壩體滲透破壞問題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分壩段壩后浸潤(rùn)線出溢點(diǎn)高，建議對(duì)該壩段進(jìn)行壩體及壩基防滲加固或?qū)误w進(jìn)行滲透保護(hù)和采取排降水措施，保證壩體及壩基安全。

5 結(jié)語

通過分析探討可知，大西海子水庫地層巖性為透水性較大的粉細(xì)砂，庫岸和壩體為具有中透水性的第四系風(fēng)積級(jí)配不良砂（粉細(xì)砂），壩體滲透比降接近或大于允許比降，存在滲透破壞問題，加之未做防滲處理，導(dǎo)致了水庫庫區(qū)、壩體和庫岸均存在不同的滲漏問題，急需采取措施進(jìn)行除險(xiǎn)加固。