張興鋒 張 成

（甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院 甘肅張掖 734000）

1 工程概況

小海子水庫位于河西走廊的張掖市高臺縣南華鎮(zhèn)小海子村南，距縣城約15km，是一座注入式中型平原洼地水庫，水庫通過引黑河水調蓄。水庫分隔為上中下三庫。中壩始建于1958年，長5.5km，形成了目前的中庫；1987年在中庫上游興建了目前的上庫；2002年在水庫除險加固過程中，新建了4.836km長的下壩，形成了下庫。

新建的下壩壩型為均質土壩，壩頂高程1370.5m，壩頂寬5.0m，最大壩高8.67m。水庫設計總庫容1048.1萬m3，正常蓄水位1368.1m。

水庫潰口位于新建成的下壩中間部位，樁號2＋681.0～2＋722.5m 處；決口處壩高約8.1m，潰口寬度約41.5m，決口時最大流量約90m3／s；壩基上部為厚度3m左右的磚紅色或土黃色粉質粘土層，下部為粉細砂層。

潰壩發(fā)生后，圍繞查明潰壩原因和決口修復及完善工程初步設計，進行了大量細致的地質勘探、測繪、取樣試驗和分析研究等工作，尤其是對潰口及周邊區(qū)域的雙層或三層地層結構進行了詳細的實驗和研究。完成實物工作量主要為：①鉆孔15個，探坑20個，探槽2個長180m；②地質縱橫剖面測繪18條計5.6km；③取樣試驗共65組；④物探勘查剖面7條計16.9km。

2 區(qū)域地質概況

小海子水庫地處祁連山前沖洪積傾斜平原前緣與細土平原的過渡帶上，地形平緩，地勢開闊。地層巖性在地表為第四系全新統(tǒng)湖沼相堆積或風積層——部分為灰褐色粉細砂、部分為土黃色淤積質砂壤土，一般厚度0.5～2.5m；下部為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，總厚度22.5～24.5m，其中在中、下庫西部及西北部分為上下兩層即上層為磚紅色或土黃色粉質粘土或粘土，厚度4.1～2.2m （西厚東?。?；下層為灰黃色或青灰色粉細砂、細砂及中粗砂的韻律結構沉積，厚度約20～22m。在中下庫東部地層逐漸演變?yōu)檎惩翆优c砂層的互層結構，單層厚0.8～1.2m。深部25m以下則為第四系中上更新統(tǒng)巨厚層的砂卵礫石層。

水庫所處地質地貌單元決定了地下水的賦存形式為平原松散巖類孔隙水，地下水總的流向自東南向西北，依地下水的埋藏條件可分為潛水和承壓水兩類：潛水帶為表層第四系全新統(tǒng)湖沼相堆積的粉細砂或淤積質砂壤土，潛水位埋深0～1.5m不等，主要補給來源為水庫蓄水、三清渠引水及周邊耕地灌溉；承壓水有多個含水層，上層第一個承壓含水層頂板即為埋深0.5～2.5m厚度4.1～2.2m 的磚紅色或土黃色粉質粘土或粘土層，含水層即為下部的砂層，承壓水頭高于隔水頂板0.5～1.0m，水質較差。該層承壓水是近幾年由于區(qū)域地下水位普遍上升而形成的。

不良物理地質現(xiàn)象主要為各級排陰溝如小海子村老排陰溝、新排陰溝、敦仁村老排陰溝、新排陰溝；原友聯(lián) （中庫）泄水渠、新 （下庫）泄水渠；原三清南干渠和北干渠；廢舊井和枯樹根、坑等。其中一部分排陰溝和泄水渠段切割較深，已切穿第一個承壓含水層頂板即磚紅色粉質粘土或粘土層，其余部分排陰溝和泄水渠段 （包括原三清南干渠和北干渠）切割較淺，但也使得粉質粘土或粘土隔水層的厚度變?。粡U舊井和個別枯樹根、坑與下部砂層連通。

3 潰壩段地質條件

潰壩后形成壩基下沖坑，上游側斷面顯示：地表覆蓋層厚1.0m左右 （高程1364.4～1363.4m），主要由湖沼相的淤積質粉砂土組成，結構中密、味臭，含植物根系及腐植物；粉質粘土層呈土黃～磚紅色，厚度2.2m （高程1363.4～1361.2m），粉質粘土結構密實，塑性好，染手、連續(xù)分布均勻；粉質粘土層下部有一層灰～灰白色輕粉質壤土，厚度0.7m （高程1361.2～1360.5m），結構中密；再下部即為青灰色細砂層 （高程1360.5m以下），厚度＞5m （鉆孔揭露最大厚度5.4m未見底），該層結構中密，完全被地下水飽和。

鉆孔勘探表明，初見水位大都在粘土層或輕粉質壤土的底板附近，但穩(wěn)定水位不同程度地高于粘土層或輕粉質壤土底板0.5m，即承壓水水頭高度為0.5m。

潰壩段及其下游側正處在原友聯(lián)泄水渠、原小海子村舊排水溝和2004年新挖的排水溝的交匯處（樁號為2＋700），距離后壩腳僅10余m，鉆孔證實該處的天然粘土層缺失。

經(jīng)對坑內抽水后發(fā)現(xiàn)，上游側決口斷面下部有漏水空洞4處，高程在1361.1～1360.22m之間，位置處在粉質粘土層以下，灰～灰白色輕粉質壤土與細砂層的接觸部位。自西向東：1＃洞對應樁號2＋699.1，洞底高程1361.10m，直徑30cm，呈次圓狀，向外涌水，涌水占滿漏水空洞三分之一部位；3＃洞 對 應 樁 號 2＋701.5，洞 底 高 程1360.50m，直徑10cm，呈橢圓狀，向外涌水，涌水占滿整個空洞；4＃洞對應樁號2＋705.4，洞底高程1360.50m，直徑15cm，呈次圓狀，向外涌水，涌水占滿整個空洞；2＃洞對應樁號2＋719.1，洞底高程1360.22m，直徑40cm，呈次圓狀，向外涌水，涌水占滿漏水空洞三分之一部位，洞前有流水帶出的土顆粒。通過后來抽水坍塌后觀察，3＃、4?？斩词窍嗷ミB通的。

4 壩基滲透破壞性狀

該壩基下主要由三層物質組成：①淺磚紅色粉質粘土，厚度2.2～2.6m；②灰～灰白色輕粉質壤土，厚度0.6～0.8m；③青灰色細砂，厚度＞10m。

4.1 土 （砂）的滲透變形類型的判別

第①層：土的不均勻系數(shù)Cu＝d60／d10的平均值為14.4＞5；粗細粒的區(qū)分粒徑d f＝0.0077mm，相應的細粒顆粒含量Pc＝42%。按規(guī)范規(guī)定：對于不均勻系數(shù)大于5的不連續(xù)級配土，Pc≥35%可判別為流土型。

第②層：土的不均勻系數(shù)Cu＝d60／d10的平均值為8.77＞5；粗細粒的區(qū)分粒徑d f＝0.013mm相應的細粒顆粒含量Pc＝28%。按規(guī)范規(guī)定：對于不均勻系數(shù)大于5的不連續(xù)級配土，25%≤Pc＜35%可判別為過渡型。

第③層：細砂的不均勻系數(shù)Cu＝d60／d10的平均值為2.44＜5；粗細粒的區(qū)分粒徑d f＝0.08～0.12mm，相應的細粒顆粒含量Pc＝24%；孔隙率n＝34.6%，〔1／4（1－n）〕×100＝32%。按規(guī)范規(guī)定：Pc＜ 〔1／4（1－n）〕×100可判別為管涌型。

規(guī)范還規(guī)定：對雙層結構的地基，當兩層土的不均勻系數(shù)均等于或小于10，且符合下式規(guī)定的條件時，不會發(fā)生接觸沖刷。

D60／d10≤10 （M.0.2－8）

上述第②層和第③層土的不均勻系數(shù)均小于10，但D60／d10＝0.0781／0.0039＝20＞10，不符合 （M.0.2－8）式，則第②層和第③層土之間將會發(fā)生接觸沖刷。

如果第②層土缺失，第①層土與第③層土直接接觸，則不僅不符合兩層土的不均勻系數(shù)均等于或小于10，且D10／d10＝0.0781／0.002＝39＞10，也不符合 （M.0.2－8）式，則第①層土與第③層土之間也將會發(fā)生接觸沖刷。

第①層土與第②層土的D60／d10＝0.0039／0.002＝1.95＜10，不會發(fā)生接觸沖刷。

通過室內原狀土的滲透試驗測定：第①層淺磚紅色粉質粘土層的平均滲透系數(shù)K①＝1.16×10－4cm／s；第②層灰～灰白色輕粉質壤土的平均滲透系數(shù)K②＝2.14×10－4cm／s；第③層青灰色細砂的平均滲透系數(shù)K③＝1.81×10－3cm／s。

上述第②層和第③層土的K大∕K?。?.5＞2則第②層和第③層土之間將會發(fā)生接觸沖刷。

如果第②層土缺失，第①層土與第③層土直接接觸的K大∕K?。?0.2＞2則第①層土與第③層土之間也將會發(fā)生接觸沖刷。

第①層土與第②層土的K大∕K小＝1.8＜2則不會發(fā)生接觸沖刷。

4.2 臨界水力比降的確定

第①層：淺磚紅色粉質粘土為流土型，則采用下式計算

第②層：灰～灰白色輕粉質壤土為過渡型，則采用下式計算

第③層：青灰色細砂為管涌型，則采用下式計算

4.3 允許水力比降的確定

上述各層土的臨界水力比降除以2.0的安全系數(shù)，即為各層土的允許水力比降。即J允許①＝0.55；J允許②＝0.21；J允許③＝0.19。

4.4 接觸沖刷臨界水力比降與允許水力比降的確定

對接觸沖刷臨界水力比降的確定，規(guī)范中沒有計算公式?，F(xiàn)以 《土石壩滲流控制理論基礎及工程經(jīng)驗教訓》（劉杰著）推薦的 ‘依斯托美娜’曲線查得。

依斯托美娜在進行了大量試驗研究后，給出了接觸沖刷臨界水力比降J k.kp與相鄰土層的有效粒徑D10、d10和較細土層的摩擦系數(shù)tg￠之間的關系。允許水力比降J k.p＝J k.kp／1.5，可查曲線求得。

對第②層和第③層土之間的接觸沖刷：

查曲線圖得：J k.kp＝0.18則Jk.p＝0.12。

若第①層和第③層土直接接觸的接觸沖刷：

查曲線圖得 ：J k.kp，＝0.12則J k.p＝0.08。

經(jīng)對其中之一的1﹟漏水空洞用挖掘機大開挖追蹤勘探，發(fā)現(xiàn)向南部上游延伸時有許多分支漏水空洞，分支中又有許多分支，呈樹枝狀面狀展布，出水點高程基本一致，選偏東和偏西兩個方向的漏水空洞繼續(xù)追蹤，情況基本相似，東側追蹤至東南部導流渠附近，已繞過原廢舊井或枯樹坑等，漏水空洞直徑由起始的30cm變小為10cm，高程抬高50cm，到前壩腳的直線距離為80m，追蹤斜長已達100m，但空洞冒水并沒有消失，也未見任何與地面連通的跡象，基本沿土層與砂層的接觸面 （或帶）延伸；西側向西南部延伸，已越過導流渠20m以外，到前壩腳的直線距離為70m，追蹤斜長已達90m，冒水洞直徑5～8cm，高程抬高40cm，空洞冒水也沒有消失，仍未見任何與地面連通的跡象，也是基本沿土層與砂層的接觸面 （或帶）延伸。另外，還觀察到各個漏水通道內的出水均有壓力，似泉涌翻滾上冒，基槽內水深超過0.5m才消失，意味著此時有約0.5m的承壓水頭，經(jīng)取樣化學分析試驗對比，該地下承壓水水質與中庫水質截然不同，說明與中庫蓄水并無直接聯(lián)系，屬區(qū)域性地下承壓水，地下承壓水水質較差，對普通混凝土有硫酸鹽強腐蝕。

上述開挖情況證實了接觸沖刷破壞確切無疑，由壩后下游的滲流出口最先開始，逐漸向上游擴展，目前的范圍已發(fā)展到壩前100m以外，空洞較大者已轉變?yōu)楣苡炕蛄魍疗茐?，特別在下庫蓄水以后，壩前原泄水渠是集中滲漏帶，廢舊井是滲漏天窗，枯樹根、坑是防滲薄弱帶等，都能使庫水越流補給地下水，并與地下承壓水共同作用，實際水力坡降增大，滲流破壞加劇。

5 潰壩原因分析

從壩后排水溝粉質粘土 （或粘土）相對隔水層被破壞，地下承壓水有了滲流出口開始，到水庫蓄水之后，壩基便存在滲流破壞問題。

根據(jù)以上滲透變形判別和滲透破壞臨界水力比降的確定結果：壩基下第①層淺磚紅色粉質粘土層的破壞形式為流土型，其臨界水力比降Jcr①＝1.1，允許水力比降J允許①＝0.55；

第②層灰～灰白色輕粉質壤土的破壞形式為過渡型，其臨界水力比降Jcr②＝0.42，允許水力比降J允許②＝0.21；

第③層青灰色細砂的破壞形式為管涌型，其臨界水力比降Jcr③＝0.39，允許水力比降J允許③＝0.19；

第②層和第③層土之間存在接觸沖刷，其接觸沖刷的臨界水力比降J k.kp＝0.18，允許水力比降J k.p＝0.12；

如果第②層土缺失，第①層和第③層土直接接觸也存在接觸沖刷問題，其接觸沖 刷的臨界水力比降J k.kp，＝0.12，允許水力比降J k.p＝0.08。

由此可見，接觸沖刷的臨界水力比降很小，比它們各自介質本身的臨界水力比降小得多。因此，當壩后排水溝粉質粘土 （或粘土）相對隔水層被破壞，地下承壓含水層有了滲流出口開始，首先產(chǎn)生接觸沖刷破壞，并逐漸向上游發(fā)展，這種接觸沖刷破壞的過程是較緩慢的，它必需有一定的細粒土流失的時間和積聚場所或排泄渠道，而新舊排水溝交匯后又相交于輸水渠道排水，且縱坡較大，其細粒土排泄很暢。隨著水庫蓄水位的抬高，待實際水力坡降達到大于細砂層和輕粉質壤土或粉質粘土層的臨界水力比降后，這種接觸沖刷破壞將很快轉換成管涌型和流土型 （或過渡型）破壞，而這種型式的破壞將是急速的，它會很快造成壩基被掏空，壩前壩后形成滲漏通道，導致壩體沉降、坍塌，最終釀成決口垮壩。這就是小海子水庫發(fā)生大壩潰決的地質因素；而區(qū)域性地下承壓水 （承壓水頭約0.5m）及其庫水越流補給地下水則是大壩潰決的水力因素。

6 結論

（1）經(jīng)進一步的地質勘探及大量試驗證明，小海子水庫確系壩基下輕粉質壤土或粉質粘土與下部砂層間的接觸沖刷破壞所致，接觸沖刷的臨界水力比降很小，比它們各自介質本身的臨界水力比降小得多，所以在區(qū)域承壓水的作用下首先產(chǎn)生接觸沖刷，如果沒有滲流出口，這種接觸沖刷是無害或其危害是潛在的，在壩后新開挖的排水溝及相交于輸水渠排水提供了滲流出口和細顆粒堆積與排泄的條件，再加上在排水溝內抽水灌溉，更進一步加劇了細顆粒的運移，使得接觸沖刷變?yōu)橛泻Φ臐B流破壞，進一步發(fā)展轉變?yōu)樯皩拥墓苡科茐暮屯翆拥牧魍疗茐?，隨著細顆粒的逐步帶走，在壩底及壩前鋪蓋下部形成了空洞，在壩底下最大，向上游延伸逐漸變小，這在開挖追蹤漏水通道時已經(jīng)揭示清楚，這種破壞隨著時間的推移，最終導致了大壩的潰決。這是國內罕見的在特殊水文地質條件下所導致的壩基接觸沖刷破壞，在以后工程設計中對多層不同介質接觸沖刷應引起足夠重視。

（2）從現(xiàn)場勘查來看，已經(jīng)發(fā)生接觸沖刷破壞的范圍比潰口段要大得多，庫區(qū)上游在100m以外，沿壩軸線在樁號2＋500～3＋200之間。①決口段要采取垂直防滲和水平鋪蓋防滲的雙重措施。垂直防滲解決接觸沖刷，水平鋪蓋防滲解決滲漏通道、滲漏天窗等并有效降低實際水力坡降；其他范圍須在前壩腳設置垂直水泥擺噴樁，主要解決接觸沖刷問題。②滲流出口要慎重而精細的處理，包括新泄水渠要延長處理、舊排陰溝及舊泄水渠要挖除淤泥重新夯實回填處理、新舊排水溝樁號2＋630～3＋700段的處理等。

1 《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274－2001）

2 《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB50287－99）

3 劉杰 .《土石壩滲流控制理論基礎及工程經(jīng)驗教訓》

4 張興鋒 .《高臺縣小海子水庫決口修復方案初步設計報告》