粘土斜墙堆石坝的渗流反演分析

2011-06-13姬志军段祥宝

大坝与安全 2011年5期

姬志军，段祥宝

（1.河南省豫北水利勘测设计院，河南安阳 455000；2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029）

1 工程概况

小南海水库位于河南省安阳市西南35 km的海河流域卫河支流洹河上，控制流域面积850 km2，总库容1.075亿m3，是一座以防洪为主、兼有工业用水、农业灌溉、发电、水产和旅游等综合效益的大型水利枢纽工程。水库枢纽主要建筑物由大坝、溢洪道、输水洞三部分组成。

大坝为粘土斜墙堆石坝，坝顶长394.5 m，坝顶高程188.1 m，坝顶宽7.0 m，最大坝高54.0 m。大坝上游为粘土斜墙，背水坡为堆石体，粘土斜墙与堆石体之间设1.0 m厚反滤过渡层，坝基采用截水槽防渗。大坝上下游护坡均为干砌石，上游坡率从顶向下为1∶2、1∶2.5、1∶2.75、1∶3.5、1∶4和1∶2共六级；下游坡率从上到下分别为1∶1.5、1∶1.5、1∶1.5、1∶2.0和1∶2.0共五级。

小南海水库始建于1958年5月，1960年大坝以小断面合拢蓄水。由于标准及质量问题，建成后曾多次加固配套。1961～1964年对水库进行了大坝下游补坡加戗、上游东坝头漏水砾岩粘土铺盖封闭、大坝斜墙裂缝灌浆等续建加固工程。1976～1981年进行了降低溢洪道底高、大坝戴帽加高至184.8 m高程的保坝工程。由于水库的先天不足，1982年洪水造成京广铁路中断17 h、安阳市城区进水，损失惨重，影响极大。1986年水电部将该水库列入全国43座重点病险水库之内。1989年10月～1994年6月水库除险加固时，将大坝加高至188.1 m高程，并进行了两坝头基础帷幕灌浆防渗处理，除险加固后水库防洪标准为重现期100年设计，重现期2 000年校核。

由于小南海水库初期建设潜在问题很多，且历史上的除险加固工程限于当时条件，属于低标准建设，所以水库尚存在诸多问题。特别是1989～1994年除险加固工程，初设阶段确定的大坝粘土斜墙内混凝土防渗墙因资金紧张等原因未实施，给大坝安全运行埋下隐患。

通过对小南海水库粘土斜墙堆石坝进行渗流分析和计算，找出大坝渗流安全方面存在的问题，为水库下一轮的除险加固提供支持和决策依据。

2 与渗流相关的设计及施工情况

2.1 坝体防渗处理

小南海水库大坝防渗体由上游粘土斜墙及坝前截水槽组成。

大坝上游为粘土斜墙防渗体，斜墙填筑土料大部分为重粉质壤土，少部分为代替料（采用风化的闪长岩和弃土）。根据大坝原设计图，粘土斜墙与堆石体之间设反滤层。粘土斜墙后设三层反滤，总厚1.0 m。第一层为中粗砂，厚0.3 m；第二层为砾石，厚0.3 m；第三层为碎石，厚0.4 m。斜墙后的堆石体，高程137 m以下采用分层砌筑，以上为两端进占抛填。根据历史上1975年和1987年两次钻孔检查资料看，不但粘土斜墙后部反滤层没有形成，而且反滤层与堆石体之间也未设过渡带，施工时铺设的一层低质量反滤层也在堆石体变形过程中被错断，部分反滤料已散落于堆石体孔隙之中。

2.2 坝基防渗处理

据施工资料记载：1958年5月施工时，坝基处沿河方向长约78 m清至基岩，在坝轴线上游16 m做混凝土齿墙一道，高1.2 m，厚0.2 m，底板宽1.0 m。河槽左侧因施工导流未施工，仅做了河右岸长70 m，基槽用粘土回填，填筑质量差，干容重1.3～1.8 t/m3。由于填筑质量不高，1960年在原填粘土部分又开挖了两道截水槽，第一道中心距坝轴线42.5 m，底宽20 m，边坡1∶2；第二道距坝轴线71.5 m，底宽10 m，边坡1∶1.5。1989年除险加固工程施工图阶段在坝轴线上游45 m处的地质勘探证实，左岸河床施工导流段砂卵石层已被清除，坝体与下部基岩结合尚可。两道截水槽在回填粘土时由于排水困难和赶进度，局部位置使用了白灰掺土回填，质量不高。

2.3 1989～1994年除险加固工程防渗处理

大坝偏上游加高3.2 m，坝顶高程增至188.1 m。为解决原粘土斜墙施工质量差和缺失反滤层影响坝体渗流安全问题，除险加固时增加原粘土斜墙的防渗厚度。施工时先清除了上游坡原粘土斜墙干容重小于1.6 t/m3的低质量代替料，在163 m高程以上回填粘性土，设计干容重1.7 t/m3，土料采用下游溢洪道备用土区土料和上游上河土区土料。坝体与两坝头山坡连接处，按设计要求进行了正常清基处理。另外，对两坝头进行了帷幕灌浆处理：左坝头从大坝桩号0+090向西布置了两排防渗帷幕与溢洪道帷幕相接，排距1.5 m、孔距2.0 m，计112孔，孔深26～46 m。右坝头从大坝桩号0+280向东至桩号0+350，按排距1.5 m、孔距2.0 m布置两排防渗帷幕，自桩号0+350折向下游与大坝下游183.0 m高程戗台中线相交止，按孔距2.0 m布置一排灌浆孔，计105孔，孔深13～28 m。

3 渗流计算

由于大坝目前渗流观测资料较少，分析中仅应用历史监测资料。为推算高水位下坝体的渗流状态，并补充和验证观测资料分析成果，同时采用渗流确定性模型结合有限单元法对大坝渗流场进行反演计算分析。

3.1 计算断面和计算工况

根据大坝隐患情况和实测资料分析，大坝斜墙内存在明显渗漏带，最大断面为危险断面，同时左右坝肩监测资料显示，该部位存在基础接触渗流隐患，防渗帷幕处理质量极差，斜墙中也存在渗漏带。由于两个断面具有相似性，为便于反演分析，选取0+200断面作为本次渗流安全复核的典型断面。首先根据现场试验结果、观测结果和土工试验成果对典型断面在高水位170 m下的稳定渗流场进行反演分析，然后根据反演成果进行正常蓄水位173 m下的渗流安全评价，并确定较为合适的确定性数学模型，利用该数学模型进行设计水位179.88 m和校核水位187.8 m下的稳定渗流场预报计算。渗流计算采用南京水科院二维渗流有限元数值模拟计算程序UNSST2，计算方法和详细推导参见文献[1]。

3.2 计算参数选取

本次数值模拟计算中土层渗透参数主要依据2006年钻孔取样试验结果以及历史多次钻孔试验结果，见表1。

3.3 0+200断面渗流安全分析

3.3.1 现状渗流性态反演计算

应用二维渗流有限元计算程序UNSST2计算正常高水位170 m下的稳定渗流场，此断面下游坡脚出渗，选取坝后地面137.5 m作为下游边界。有限元计算网格计剖分结点1 414个，单元2 728个。计算剖分网格见图1。

表1 大坝材料主要物理力学指标表Table 1:Main physical mechanical indexes of the dam material

现状反演计算主要根据目前的大坝渗流性态和测压管实测水位，计算成果见表2、图2和图3。

图1 小南海水库0＋200断面计算剖分网格示意图Fig.1 Computational grids of 0+200 cross section of Xiaonan-hai reservoir dam

（1）实测高水位170 m的渗流场反演计算

工况1：实测高水位170 m下，大坝0+200和0+270两断面下游坡183 m和152 m平台布设的测压管多年平均分别为138.80 m和137.53 m。对此进行了反演模拟，见图2。若斜墙底部截水槽与斜墙下部渗透性一致，则截水槽和斜墙防渗效果明显，消杀95%水头，大坝斜墙坝后砂卵石中浸润线很低，此时斜墙承受的最大渗流坡降为1.116，截水槽底部与基岩的接触坡降为1.443。下游坡183 m和152 m平台布设的测压管A、B的模拟值分别为138.45 m和137.55 m。

表2 渗流计算结果Table 2:Results of seepage calculation

图2 0+200断面正常高水位170 m下渗流场分布(工况1)Fig.2 Distribution of seepage field of 0+200 cross section with normal high water level 170 m(working condition 1)

图3 0+200断面正常蓄水位173m下渗流场分布（工况5，截水槽失效）Fig.3 Distribution of seepage field of 0+200 cross section with normal storage water level 173 m(working condition 5:cutoff trench-es failed)

（2）正常蓄水位173 m的渗流场反馈计算

①反馈结果

工况2：实测高水位173 m下，大坝0+200和0+270两断面下游坡183 m和152 m平台布设的测压管多年平均分别为138.80～141.12 m和137.53～137.90 m。对此进行了反演模拟，若斜墙底部截水槽与斜墙下部渗透性一致，则截水槽和斜墙防渗效果明显，消杀95%水头，大坝斜墙坝后砂卵石中浸润线很低，此时斜墙承受的最大渗流坡降为1.281，斜墙后坡最大出逸坡降为2.074，截水槽底部与基岩的接触坡降为1.613。下游坡183 m和152 m平台布设的测压管A、B的模拟值分别为138.50 m和137.58 m。

工况3：斜墙底部截水槽渗透性为斜墙下部渗透性的10倍，则下游坡183 m和152 m平台布设的测压管A、B的模拟值分别为139.02 m和137.62 m，截水槽和斜墙防渗效果明显，消杀95%水头。

工况4：斜墙底部截水槽渗透性为斜墙下部渗透性的100倍，则下游坡183 m和152 m平台布设的测压管A、B的模拟值分别为141.58 m和137.80 m，截水槽和斜墙防渗仍具有明显效果，消杀85%水头，但渗流量加大。

②截水槽缺失段的危险性

工况5：实际大坝断面有一部分斜墙底部截水槽缺失，考虑为砂卵石地基，则下游坡183 m和152 m平台布设的测压管A、B的模拟值分别为148.09 m和138.8 m，斜墙消杀65%水头。见图3。该工况下渗漏量大大增加，斜墙后砂卵石地基渗透坡降达到0.1以上，超出一般允许坡降0.1。该工况下斜墙底部直接与砂卵石接触，之间无反滤措施，斜墙坝料细粒容易流入砂砾石内发生接触渗流，而此时接触渗流坡降为0.237，超出一般砂卵石允许坡降0.1。因此应对无截水槽或截水槽存在安全隐患的坝段采取防渗处理措施除险加固。

5.坚持公平公正执法。坚决保护民营企业公平公正平等地参与市场竞争，享受同等法律待遇。全面推行行政裁量权基准制度，细化、量化行政处罚标准，坚决摒除随意检查、多重检查、重复处罚等执法歧视行为。大力推行行政执法公示、执法全过程记录、重大执法决定法制审核“三项制度”，切实增强行政执法工作的法治化、规范化、透明化。全面推行“双随机、一公开”监管，推动阳光执法，坚决避免人情监管、选择执法、执法不公、暗箱操作等现象。

③反馈结果分析

由模拟结果还可知，斜墙后坡出逸坡降一般在1.8～2.1，已经接近和超出斜墙细料的允许值，必须进行有效反滤保护。而根据筑坝过程分析和钻探结果，斜墙与堆石之间的反滤层质量不合格，甚至局部缺失，不能起到反滤作用，长期渗流作用下渗流对斜墙后部的冲蚀是十分危险的，将会形成斜墙坝料内的渗漏通道，并有可能造成坝体塌陷而导致溃坝。

④反滤失效的渗流危害

针对该坝斜墙坝料，一般在下游134～145 m高程墙后细料容易发生渗流流失，形成局部渗漏通道。斜墙土料在较大的渗流坡降下将顺通道向下渗流，继续向上扩展。由于通道更向上扩展，斜墙承受的最大坡降将更大，而且斜墙坝料的平均渗透坡降都已超过允许值，将会发生更大的渗透破坏。渗漏通道继续发展，斜墙内土体淘空，如若发现较晚，水位较高，将会引起大坝溃决。

⑤底部截水槽的渗流安全

该坝斜墙底部截水槽深入到下游堆石内，厚度约3 m。计算结果表明，截水槽与基岩接触坡降最大为1.9～2.2，垂直坡降为1.6～1.9。截水槽与砂卵石和堆石之间缺少反滤保护，长期渗流作用下容易发生渗透变形而导致渗流破坏。

图4 0+200断面设计水位下渗流自由面及等势线分布（工况6）Fig.4 Seepage free surface and distribution of equipotential lines of 0+200 cross section with designed water level(working condi-tion 6)

图5 0+200断面校核水位下渗流自由面及等势线分布（工况7）Fig.5 Seepage free surface and distribution of equipotential lines of 0+200 cross section with check water level(working condition 7)

据此分析，主坝段老河槽断面的渗流隐患主要有：（1）坝基地质条件差，存在砂卵石层，基岩表层风化层抗渗能力差，现坝体坝基接触抗渗能力不够；（2）坝体填筑质量差，土料差异性大，与一般情况及规范要求相去甚远，上部斜墙防渗体内可能存在水平裂缝或架空等，下部截水槽填筑质量不佳；（3）截水槽和斜墙土料与下游堆石之间反滤缺失或不合格，易形成细料不断流失，长期发展容易形成集中渗流，可能导致裂缝和局部通道产生，高水位下出渗坡降已超过允许指标；（4）大坝坝基防渗处理效果不佳，钻探和监测结果表明，主坝段无帷幕灌浆，左右局部坝段帷幕灌浆效果较差，因此大坝坝基存在渗漏隐患，坝体与坝基的结合面存在渗流接触冲刷，正常高水位下渗流坡降已接近或超过允许指标，漏水严重。

3.3.2 高水位渗流性态正演计算

对设计水位和校核水位下渗流场进行了预报计算。结果见图4、图5和表2。设计工况6和校核工况7下坝体后坡出渗坡降、坝底与基岩接触坡降均超出允许值，如果有反滤保护，两工况下该断面渗流稳定性能满足要求。但是现状下斜墙以及截水槽下游的反滤本身存在较多安全隐患，计算表明更高水位下大坝的渗流稳定性不够，反映大坝在未来高水位下的渗流状态可能要比目前状况大大恶化，而且有垮坝的危险。