土石坝除险加固工程渗流分析

王海波 ，陈吉森

（1.南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037；2. 水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

渗流是影响土石坝安全运行的 1 个重要因素，发生的众多工程安全问题中有很大一部分是由于渗流引起的，所以正确地进行渗流分析是解决好岩土工程设计的一项重要工作。

2001 年以来，随着国家对病险水库除险加固的重视，国家和各级地方政府陆续投入大量资金，对病险水库进行大规模的除险加固。各水利科研部门、施工单位对大坝防渗能力薄弱的问题也进行了深入研究，并推出许多处理方法和施工工艺，如粘土套井回填、大坝土工膜防渗处理、劈裂灌浆防渗、混凝土防渗墙等以降低大坝的浸润线和出逸坡降，从而保证大坝的渗透稳定。

2003 年以来，浙江省全面贯彻落实“千库保安”工作部署，积极推进水库除险加固和标准化建设。设计中，多数水库采用了防渗墙加固方案。设计时，一般要求防渗墙入岩（或深入相对不透水层）深度为 0.5～1.0 m，但在施工过程中，往往对入岩面判定不清，施工记录比较模糊，这就可能造成防渗墙入岩深度不足甚至有可能根本未入岩，由此使防渗墙底部与岩基（或相对不透水层）之间，仍留有 1 层渗流薄弱环节，从而违背了设计的初衷。本文依托浙江省通济桥水库除险加固工程，根据数值计算结合监测系统测值进行分析，以检验设计施工效果。

1 工程概况

通济桥水库位于钱塘江支流浦阳江上游，坝址以上流域面积 104.5 km2，主流长 17.7 km。水库正常蓄水位 108.60 m（985 国家高程基准，下同），总库容 8097 万 m3，电站装机容量 1.76 MW，设计年发电量为 400 万 kW·h，是 1 座以防洪、灌溉为主，结合发电等综合利用的重要中型水利工程。

原大坝为粘土心墙砂壳坝，除险加固前，存在的主要问题是大坝心墙不满足规范要求，需进行防渗处理。针对工程特点，采取在坝顶防浪墙下游距坝轴线 1.0 m 处设置 1 道厚 0.8 m 的塑性混凝土防渗墙，防渗墙入岩深度为 0.5 m，防渗墙 2 岸设岸墙，防渗墙及岸墙以上设 C20 混凝土头墙。防渗墙头墙与坝顶防浪墙连接，对防渗墙、2 岸岸墙及坝头基础进行帷幕灌浆处理，形成封闭的防渗系统。

2 计算原理及模型

为了检验设计方案在防渗方面的合理性，根据工程设计及勘察资料，建立三维有限元模型进行模拟计算。

2.1 基本方程

在符合达西定律的各向异性的连续介质中的三维空间稳定渗流，应满足下列渗流的基本微分方程：

式中：Kx，Ky，Kz分别为渗流介质在 x，y，z 方向的渗透系数；O 为单位边界表面的流出或流出量；y 为计算点的纵坐标高度；H 为水头函数。

2.2 边界条件

式中：Γ1为上下游及渗出面边界之和；Γ2为不透水边界；n 为 Γ2的外法线方向；Kn为 n 方向的渗透系数；t 为时间。

对于无压渗流的自由面边界除应满足式 (3) 外，还需满足：H = y 。

2.3 计算模型及参数

由施工设计阶段提供的大坝地质资料，结合施工设计中拦河坝断面的相关尺寸选取了K0 + 100～K0 + 250 区域，运用 GEO-Studio 软件建立三维数值计算模型，计算工况为正常蓄水位时的稳定渗流情况。各土层材料的渗透性系数如表1 所示，计算网格图如图 1 所示。

表1 土层材料渗透性系数 cm/s

图1 计算网格图

3 计算结果分析

通过 GEO-Studio 的 SLOPE-3D 模块计算得到混凝土防渗墙施工后坝体的理论渗流场水头分布，分布云图如图 2 所示，模型切面渗流场水头、水压力等值线图如图 3 所示。

图2 渗流场水头分布云图

图3 模型切面渗流场水头、水压力等值线图

大坝除险加固前，拦河坝心墙粘土属高分散性土，填筑质量差，渗透系数低于规范要求，尤其是0 + 110～0 + 240 坝段高程 92～108 m 范围，粘土心墙渗透系数远低于规范要求，部分测压管水位与库水位同步性好，没有明显滞后时间，且管内水位与库水位十分接近，近年来测压管的时效分量呈上升趋势，可能存在渗透变形；坝基粘土截水槽底宽仅为 4 m，槽底最大接触渗透比降达 8.5，远超过其允许值，加之截水墙土料属分散性土，坝基砂砾石为管涌土，接触面无反虑层保护，难以保证渗流稳定。

经模拟计算后，从计算结果可以看出采用防渗墙除险加固措施后，理论上坝体浸润线有明显下降，大坝安全性得到提高，坝体渗漏问题得以解决，加固后单宽渗流量理论值为 4.25 cm3/s，且计算结果表明不会产生接触冲刷等渗流破坏问题。

4 原型观测结果分析

大坝除险加固时，布置 1 套 DG-2005 型智能分布式大坝安全监测系统，分别在坝 0+075，0+145 及0+235 设置了 3 个渗流原型观测断面。每个断面分别在坝轴线上游 0+010.0，0+002.5 m，坝轴线下游侧0+002.5，0+010.0，0+032.5 m 及下游 1 级马道 0+064.5 m 这 6 个位置共埋设了 11 只渗压计，用以观测坝体的渗流情况，布置剖面示意图如图 4 所示。

图4 坝体渗流观测仪器布置剖面示意图

2007年1 月至 2009年 3 月，利 用 MCU-2M 型智能采集模块对工程施工期及运行期进行了自动观测，其中某日坝体实测浸润线如图 5 所示，坝体渗流观测资料整理结果如图 6 所示。

图5 某日坝体实测浸润线示意图

图6 坝体防渗墙上、下游测点与库水位时间序列曲线

从图 5 可以看出，实测浸润线与理论计算值有所差别，主要反映在：墙后实测总水头比理论值高出约 10 m，防渗墙对坝体水头削弱程度与设计预想有较大出入；观测断面处，防渗墙下游侧土体，特别是坝体填筑砂壤土起到了一定的防渗作用，浸润线形态比模型计算结果陡一些；坝脚逸出点高程实测为 78.3 m 左右，比模型计算值高出 2.0 m 左右。

从图 6 各曲线可以看出：防渗墙上游侧各测点水头（如G1-4）与库水位的相关性较好，而下游侧应测位置的测点的水头与库水位的相关性相对较弱，各测点之间的水头差在 14～15 m 之间，说明防渗墙起到一定的防渗作用，但是墙上下游各对应位置测点的水头历时曲线显示出它们之间的相关性相当高，特别是如 G2-5 与 G2-8 这 2 点，水头升降步调一致，且无滞后性，说明 2 点之间具有较好的连通通道，即防渗墙底部可能存在薄弱环节。日后对这些测点应加强观测，防止产生接触渗流破坏。

5 观测结果反演计算

根据某日实测浸润线，采用同样的计算模型，计算边界条件为：上游固定水头边界，下游侧各测点埋设位置水头已知，假定混凝土防渗墙与坝基存在一薄弱层，厚度为 10 cm，则可根据定解条件反算得到该薄弱层的渗透性系数 K。

计算得到的大坝水头及渗透比降分布如图 7 所示。薄弱层的 K 值为 3.2×10-5cm/s，接触带最大渗透比降为 0.57。

图7 反演计算得到的大坝水头分布图

6 结语

通过现场原型观测数据与三维理论数值模型计算结果对比分析，得出除险加固后，防渗墙起到了一定的防渗作用，但可能由于部分槽段所处的基岩较破碎或槽段中局部成渣较多但没得到有效处理，导致防渗墙防渗效果有一定程度地削弱，大坝实测浸润线比设计预想要高。

实际上在防渗墙施工过程中，一般采用冲击钻进等方式造孔，对基岩面不容易判定，极易造成防渗墙入岩深度不足甚至有可能根本未入岩，从而在防渗墙底部与岩基之间留有渗流薄弱夹层。因此，防渗墙施工中，要保证墙体的连续与完整，特别要处理好墙体与墙体之间的搭接及墙体与坝基的衔接。同时要提高现场施工地质人员对基岩面的判定经验。

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