中江县建兴水库大坝渗流计算

杨成涛+刘萍+宋帮才

摘要：建兴水库为德阳市中江县5.12汶川8.0级特大地震震损水库，文章采用有限元方法对中江县建兴水库大坝进行渗流分析，以便制定合理的渗流整治方案以及提供准确依据进行稳定分析。分析结果采用灌浆方案对建兴水库大坝实施整治是合理可行的。

关键词：建兴水库；有限元法；渗流分析；灌浆方案

中图分类号：TV222文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）24-0064-02

1工程基本情况

建兴水库位于四川省德阳市中江县富兴镇会棚乡，是一座拦蓄式水库，其工程任务是以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合功能的小（1）型水利工程。中江县距震中汶川县映秀镇不到100km，水库坝址以上集雨面积18.1km2，总库容170万m3，设计灌面4000亩，设计洪水标准为30年一遇（P＝3.3%），设计洪水位596.28m，校核洪水为500年一遇（P＝0.20%），校核洪水位597.18m。水库正常蓄水位594.20m，死水位583.00m。

大坝为均质土坝，坝顶高程为597.80m，坝顶宽4.4m，最大坝高18.4m，坝顶长91.00m，基础底高程为579.40m。大坝上游坡比为1∶2.25；下游坡比为1∶2.0。工程自1960年12月建成以来，对当地的生产生活起着重大作用，同时发挥了较大的经济效益。

据现场调查，该坝施工时为抢工期，上坝土料不均，碾压不均或不密实，加之无检测手段，导致填筑质量较差。受汶川特大地震影响，坝脚及放空洞出现5处涌水点且有明显浑水流出。2008年7月，据钻孔揭露：坝体填料为黄褐色粘土夹块碎石，粘土呈可塑—硬塑状，碎石、角砾及砂约占15%～20%。压水试验表明，渗透系数K变化较大，从1.38×10-5cm/s～2.23×10-4cm/s，说明坝体均匀性较差，渗透系数平均值为1.30×10-4cm/s大于10-4cm/s，不满足规范要求。

工程于2009年进行加除险加固整治，其渗渗整治措施为：坝体充填灌浆，坝基帷幕灌浆。灌浆沿坝轴线布孔，分三序钻灌，施工时严格质量控制，灌浆防渗体渗透系数要求小于10-4cm/s，达10-5cm/s左右。经过多年运行，渗漏整治效果良好。

2大坝渗流计算方法及渗透指标

2.1计算公式

对于符合达西定律的二向均质、各向同性土体的渗流，当土体已完全固结时，其水头函数符合拉普拉斯方程式：

+=0

与之相应的边界条件为：

初始条件：

边界条件：水头边界：流量边界：

z：坐标位置高程

q：自由面下降或上升时从自由边界流入或流出渗流场的单宽流量

2.1.1计算断面。依据大坝现场安全检查情况，大坝渗流计算选取实测的老河床断面进行验算，此断面也为最大坝高断面，分析认为采取此断面进行渗流分析计算，基本可反映整个大坝的渗流性态。

2.1.2材料分区及渗透系数。断面的材料分区是以土工试验及大坝质量评价为基础，并结合现场检查和多年运行情况来确定。整治前坝土体分区主要为坝体填土及排水棱体，整治后坝土体分区主要为坝体填土、灌浆防渗体及排水棱体。

本次渗流计算，各分区渗透系数取值采用室内土工试验成果并结合工程经验选取，综合施工会议及运行期大坝质量检查而确定。各分区的渗透系数取值详见表1：

表1建兴大坝典型断面各分区渗透指标表

分区 渗透系数（cm/s） 允许坡降[J]

坝体填土 K1 2.23×10-4 0.46

排水棱体 K2 1×10-3 /

2.2荷载组合

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）及《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）的规定，土坝渗流计算应考虑水库运行中出现的不利条件，本次渗流计算中考虑了下列水位组合：（1）上游校核洪水位与下游相应水位；（2）上游设计洪水位与下游相应水位；（3）上游正常蓄水位与下游相应水位；（4）上游校核洪水位降至正常蓄水位；（5）上游正常蓄水位降至死水位。

根据建兴水库水文复核计算的结果，正常蓄水位为594.20m，设计洪水位为596.28m，校核洪水位为597.18m。

根据溢洪道泄洪能力，上游校核洪水位降至正常蓄水位经历时间最短为6小时；根据放水洞放水能力及春灌的实际情况，上游正常蓄水位降至死水位最短历时25天。

3大坝灌浆整治前后渗流计算成果

3.1灌浆整治前渗流计算

按上述五种工况进行大坝渗流计算，工况（1）至工况（3）下游坝坡出逸坡降0.45，计算单宽渗流量0.395～0.731m3/d，工况（4）至工况（4）上游坝坡出逸坡降0.41。通过对建兴水库大坝渗流状况的现场检查和渗流理论计算结果分析，得出如下结论：

（1）各种计算工况下，计算单宽流量大坝为0.395～0.731m3/d.m，大坝总体渗漏量偏大。渗流计算结果与现场调查情况及土工试验是基本一致，即大坝填筑质量差，渗透系数偏高（大于规范允许值），渗漏量偏大，因此大坝有必要进行防渗整治。

（2）据大坝渗流分析，在稳定渗流工况下，在设计洪水位及校核洪水位情况下，浸润线位置距离坡面非常接近，对大坝稳定不利。在前述各工况下，计算断面在上游坝坡最大出逸坡降值为0.41。计算断面在下游坝坡最大出逸坡降值为0.45，经验渗透坡降允许值0.46，两者仅相差0.01。应对下游坝坡加以整治，满足坝坡渗透稳定性要求。

3.2灌浆整治后渗流计算

根据大坝灌浆整治前渗流计算分析结论，结合大坝稳定分析及综合经济指标分析，工程防渗整治方案选用坝体充填灌浆、坝基帷幕灌浆。灌浆孔沿坝轴线布置，钻灌深度至弱风化层以下5.0m。

采用同样的计算方法对灌浆整治后的大坝进行计算，计算工况与灌浆整治前工况相同。经计算，工况（1）至工况（3）下游坝坡出逸坡降0，即未在坝坡出逸。计算单宽渗流量0.02～0.04m3/d，工况（4）至工况（4）上游坝坡出逸坡降0.41。

通过对建兴水库大坝灌浆整治后渗流计算结果分析，得出如下结论：

（1）灌浆整治后各种计算工况下，计算单宽流量大坝为0.0038～0.0128m3/d.m，大坝渗漏量仅为灌浆整治前0.01～0.02，渗漏量大大减少。

（2）据大坝渗流分析，在前述各工况下，大坝后坝坡浸润线高度大幅降低，出逸点位于棱体处。在前述各工况下，计算断面在上游坝坡最大出逸坡降值为0.41，下游坝坡最大出逸坡降值为0，经验渗透坡降允许值0.46，二者均满足规范规定。

4结语

对比分析灌浆整治前及灌浆整治后的两种计算结果，可以看出采用灌浆方案对大坝实施整治是合理可行的。

（1）灌浆整治前大坝填筑质量差，渗透系数偏高（大于规范允许值），渗漏量偏大。采用灌浆方案后有效地解决了大坝渗漏量偏大的问题，弥补了大坝碾压不密实导致渗透系数偏大的不足。

（2）灌浆整治前设计洪水位及校核洪水位情况下，浸润线位置距离坡面非常接近。采用灌浆整治后大坝浸润线高度大幅降低，有效的解决了渗透稳定问题，且对大坝后坝坡稳定有利。

参考文献

[1] 碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）[S]．

[2] 顾慰慈．土石（堤）坝的设计与计算[M]．北京：中

 国建筑工业出版社，2006．

[3] 毛昶熙，等．渗流计算分析与控制[M]．北京：中国

 水利水电出版社，2003．

作者简介：杨成涛（1979—），四川广安人，乐山市水利电力建筑勘察设计研究院工程师，研究方向：水工建筑物；宋帮才，供职于乐山市沫江堰管理处。

摘要：建兴水库为德阳市中江县5.12汶川8.0级特大地震震损水库，文章采用有限元方法对中江县建兴水库大坝进行渗流分析，以便制定合理的渗流整治方案以及提供准确依据进行稳定分析。分析结果采用灌浆方案对建兴水库大坝实施整治是合理可行的。

关键词：建兴水库；有限元法；渗流分析；灌浆方案

中图分类号：TV222文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）24-0064-02

1工程基本情况

建兴水库位于四川省德阳市中江县富兴镇会棚乡，是一座拦蓄式水库，其工程任务是以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合功能的小（1）型水利工程。中江县距震中汶川县映秀镇不到100km，水库坝址以上集雨面积18.1km2，总库容170万m3，设计灌面4000亩，设计洪水标准为30年一遇（P＝3.3%），设计洪水位596.28m，校核洪水为500年一遇（P＝0.20%），校核洪水位597.18m。水库正常蓄水位594.20m，死水位583.00m。

大坝为均质土坝，坝顶高程为597.80m，坝顶宽4.4m，最大坝高18.4m，坝顶长91.00m，基础底高程为579.40m。大坝上游坡比为1∶2.25；下游坡比为1∶2.0。工程自1960年12月建成以来，对当地的生产生活起着重大作用，同时发挥了较大的经济效益。

据现场调查，该坝施工时为抢工期，上坝土料不均，碾压不均或不密实，加之无检测手段，导致填筑质量较差。受汶川特大地震影响，坝脚及放空洞出现5处涌水点且有明显浑水流出。2008年7月，据钻孔揭露：坝体填料为黄褐色粘土夹块碎石，粘土呈可塑—硬塑状，碎石、角砾及砂约占15%～20%。压水试验表明，渗透系数K变化较大，从1.38×10-5cm/s～2.23×10-4cm/s，说明坝体均匀性较差，渗透系数平均值为1.30×10-4cm/s大于10-4cm/s，不满足规范要求。

工程于2009年进行加除险加固整治，其渗渗整治措施为：坝体充填灌浆，坝基帷幕灌浆。灌浆沿坝轴线布孔，分三序钻灌，施工时严格质量控制，灌浆防渗体渗透系数要求小于10-4cm/s，达10-5cm/s左右。经过多年运行，渗漏整治效果良好。

2大坝渗流计算方法及渗透指标

2.1计算公式

对于符合达西定律的二向均质、各向同性土体的渗流，当土体已完全固结时，其水头函数符合拉普拉斯方程式：

+=0

与之相应的边界条件为：

初始条件：

边界条件：水头边界：流量边界：

z：坐标位置高程

q：自由面下降或上升时从自由边界流入或流出渗流场的单宽流量

2.1.1计算断面。依据大坝现场安全检查情况，大坝渗流计算选取实测的老河床断面进行验算，此断面也为最大坝高断面，分析认为采取此断面进行渗流分析计算，基本可反映整个大坝的渗流性态。

2.1.2材料分区及渗透系数。断面的材料分区是以土工试验及大坝质量评价为基础，并结合现场检查和多年运行情况来确定。整治前坝土体分区主要为坝体填土及排水棱体，整治后坝土体分区主要为坝体填土、灌浆防渗体及排水棱体。

本次渗流计算，各分区渗透系数取值采用室内土工试验成果并结合工程经验选取，综合施工会议及运行期大坝质量检查而确定。各分区的渗透系数取值详见表1：

表1建兴大坝典型断面各分区渗透指标表

分区 渗透系数（cm/s） 允许坡降[J]

坝体填土 K1 2.23×10-4 0.46

排水棱体 K2 1×10-3 /

2.2荷载组合

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）及《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）的规定，土坝渗流计算应考虑水库运行中出现的不利条件，本次渗流计算中考虑了下列水位组合：（1）上游校核洪水位与下游相应水位；（2）上游设计洪水位与下游相应水位；（3）上游正常蓄水位与下游相应水位；（4）上游校核洪水位降至正常蓄水位；（5）上游正常蓄水位降至死水位。

根据建兴水库水文复核计算的结果，正常蓄水位为594.20m，设计洪水位为596.28m，校核洪水位为597.18m。

根据溢洪道泄洪能力，上游校核洪水位降至正常蓄水位经历时间最短为6小时；根据放水洞放水能力及春灌的实际情况，上游正常蓄水位降至死水位最短历时25天。

3大坝灌浆整治前后渗流计算成果

3.1灌浆整治前渗流计算

按上述五种工况进行大坝渗流计算，工况（1）至工况（3）下游坝坡出逸坡降0.45，计算单宽渗流量0.395～0.731m3/d，工况（4）至工况（4）上游坝坡出逸坡降0.41。通过对建兴水库大坝渗流状况的现场检查和渗流理论计算结果分析，得出如下结论：

（1）各种计算工况下，计算单宽流量大坝为0.395～0.731m3/d.m，大坝总体渗漏量偏大。渗流计算结果与现场调查情况及土工试验是基本一致，即大坝填筑质量差，渗透系数偏高（大于规范允许值），渗漏量偏大，因此大坝有必要进行防渗整治。

（2）据大坝渗流分析，在稳定渗流工况下，在设计洪水位及校核洪水位情况下，浸润线位置距离坡面非常接近，对大坝稳定不利。在前述各工况下，计算断面在上游坝坡最大出逸坡降值为0.41。计算断面在下游坝坡最大出逸坡降值为0.45，经验渗透坡降允许值0.46，两者仅相差0.01。应对下游坝坡加以整治，满足坝坡渗透稳定性要求。

3.2灌浆整治后渗流计算

根据大坝灌浆整治前渗流计算分析结论，结合大坝稳定分析及综合经济指标分析，工程防渗整治方案选用坝体充填灌浆、坝基帷幕灌浆。灌浆孔沿坝轴线布置，钻灌深度至弱风化层以下5.0m。

采用同样的计算方法对灌浆整治后的大坝进行计算，计算工况与灌浆整治前工况相同。经计算，工况（1）至工况（3）下游坝坡出逸坡降0，即未在坝坡出逸。计算单宽渗流量0.02～0.04m3/d，工况（4）至工况（4）上游坝坡出逸坡降0.41。

通过对建兴水库大坝灌浆整治后渗流计算结果分析，得出如下结论：

（1）灌浆整治后各种计算工况下，计算单宽流量大坝为0.0038～0.0128m3/d.m，大坝渗漏量仅为灌浆整治前0.01～0.02，渗漏量大大减少。

（2）据大坝渗流分析，在前述各工况下，大坝后坝坡浸润线高度大幅降低，出逸点位于棱体处。在前述各工况下，计算断面在上游坝坡最大出逸坡降值为0.41，下游坝坡最大出逸坡降值为0，经验渗透坡降允许值0.46，二者均满足规范规定。

4结语

对比分析灌浆整治前及灌浆整治后的两种计算结果，可以看出采用灌浆方案对大坝实施整治是合理可行的。

（1）灌浆整治前大坝填筑质量差，渗透系数偏高（大于规范允许值），渗漏量偏大。采用灌浆方案后有效地解决了大坝渗漏量偏大的问题，弥补了大坝碾压不密实导致渗透系数偏大的不足。

（2）灌浆整治前设计洪水位及校核洪水位情况下，浸润线位置距离坡面非常接近。采用灌浆整治后大坝浸润线高度大幅降低，有效的解决了渗透稳定问题，且对大坝后坝坡稳定有利。

参考文献

[1] 碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）[S]．

[2] 顾慰慈．土石（堤）坝的设计与计算[M]．北京：中

 国建筑工业出版社，2006．

[3] 毛昶熙，等．渗流计算分析与控制[M]．北京：中国

 水利水电出版社，2003．

作者简介：杨成涛（1979—），四川广安人，乐山市水利电力建筑勘察设计研究院工程师，研究方向：水工建筑物；宋帮才，供职于乐山市沫江堰管理处。

摘要：建兴水库为德阳市中江县5.12汶川8.0级特大地震震损水库，文章采用有限元方法对中江县建兴水库大坝进行渗流分析，以便制定合理的渗流整治方案以及提供准确依据进行稳定分析。分析结果采用灌浆方案对建兴水库大坝实施整治是合理可行的。

关键词：建兴水库；有限元法；渗流分析；灌浆方案

中图分类号：TV222文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）24-0064-02

1工程基本情况

建兴水库位于四川省德阳市中江县富兴镇会棚乡，是一座拦蓄式水库，其工程任务是以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合功能的小（1）型水利工程。中江县距震中汶川县映秀镇不到100km，水库坝址以上集雨面积18.1km2，总库容170万m3，设计灌面4000亩，设计洪水标准为30年一遇（P＝3.3%），设计洪水位596.28m，校核洪水为500年一遇（P＝0.20%），校核洪水位597.18m。水库正常蓄水位594.20m，死水位583.00m。

大坝为均质土坝，坝顶高程为597.80m，坝顶宽4.4m，最大坝高18.4m，坝顶长91.00m，基础底高程为579.40m。大坝上游坡比为1∶2.25；下游坡比为1∶2.0。工程自1960年12月建成以来，对当地的生产生活起着重大作用，同时发挥了较大的经济效益。

据现场调查，该坝施工时为抢工期，上坝土料不均，碾压不均或不密实，加之无检测手段，导致填筑质量较差。受汶川特大地震影响，坝脚及放空洞出现5处涌水点且有明显浑水流出。2008年7月，据钻孔揭露：坝体填料为黄褐色粘土夹块碎石，粘土呈可塑—硬塑状，碎石、角砾及砂约占15%～20%。压水试验表明，渗透系数K变化较大，从1.38×10-5cm/s～2.23×10-4cm/s，说明坝体均匀性较差，渗透系数平均值为1.30×10-4cm/s大于10-4cm/s，不满足规范要求。

工程于2009年进行加除险加固整治，其渗渗整治措施为：坝体充填灌浆，坝基帷幕灌浆。灌浆沿坝轴线布孔，分三序钻灌，施工时严格质量控制，灌浆防渗体渗透系数要求小于10-4cm/s，达10-5cm/s左右。经过多年运行，渗漏整治效果良好。

2大坝渗流计算方法及渗透指标

2.1计算公式

对于符合达西定律的二向均质、各向同性土体的渗流，当土体已完全固结时，其水头函数符合拉普拉斯方程式：

+=0

与之相应的边界条件为：

初始条件：

边界条件：水头边界：流量边界：

z：坐标位置高程

q：自由面下降或上升时从自由边界流入或流出渗流场的单宽流量

2.1.1计算断面。依据大坝现场安全检查情况，大坝渗流计算选取实测的老河床断面进行验算，此断面也为最大坝高断面，分析认为采取此断面进行渗流分析计算，基本可反映整个大坝的渗流性态。

2.1.2材料分区及渗透系数。断面的材料分区是以土工试验及大坝质量评价为基础，并结合现场检查和多年运行情况来确定。整治前坝土体分区主要为坝体填土及排水棱体，整治后坝土体分区主要为坝体填土、灌浆防渗体及排水棱体。

本次渗流计算，各分区渗透系数取值采用室内土工试验成果并结合工程经验选取，综合施工会议及运行期大坝质量检查而确定。各分区的渗透系数取值详见表1：

表1建兴大坝典型断面各分区渗透指标表

分区 渗透系数（cm/s） 允许坡降[J]

坝体填土 K1 2.23×10-4 0.46

排水棱体 K2 1×10-3 /

2.2荷载组合

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）及《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）的规定，土坝渗流计算应考虑水库运行中出现的不利条件，本次渗流计算中考虑了下列水位组合：（1）上游校核洪水位与下游相应水位；（2）上游设计洪水位与下游相应水位；（3）上游正常蓄水位与下游相应水位；（4）上游校核洪水位降至正常蓄水位；（5）上游正常蓄水位降至死水位。

根据建兴水库水文复核计算的结果，正常蓄水位为594.20m，设计洪水位为596.28m，校核洪水位为597.18m。

根据溢洪道泄洪能力，上游校核洪水位降至正常蓄水位经历时间最短为6小时；根据放水洞放水能力及春灌的实际情况，上游正常蓄水位降至死水位最短历时25天。

3大坝灌浆整治前后渗流计算成果

3.1灌浆整治前渗流计算

按上述五种工况进行大坝渗流计算，工况（1）至工况（3）下游坝坡出逸坡降0.45，计算单宽渗流量0.395～0.731m3/d，工况（4）至工况（4）上游坝坡出逸坡降0.41。通过对建兴水库大坝渗流状况的现场检查和渗流理论计算结果分析，得出如下结论：

（1）各种计算工况下，计算单宽流量大坝为0.395～0.731m3/d.m，大坝总体渗漏量偏大。渗流计算结果与现场调查情况及土工试验是基本一致，即大坝填筑质量差，渗透系数偏高（大于规范允许值），渗漏量偏大，因此大坝有必要进行防渗整治。

（2）据大坝渗流分析，在稳定渗流工况下，在设计洪水位及校核洪水位情况下，浸润线位置距离坡面非常接近，对大坝稳定不利。在前述各工况下，计算断面在上游坝坡最大出逸坡降值为0.41。计算断面在下游坝坡最大出逸坡降值为0.45，经验渗透坡降允许值0.46，两者仅相差0.01。应对下游坝坡加以整治，满足坝坡渗透稳定性要求。

3.2灌浆整治后渗流计算

根据大坝灌浆整治前渗流计算分析结论，结合大坝稳定分析及综合经济指标分析，工程防渗整治方案选用坝体充填灌浆、坝基帷幕灌浆。灌浆孔沿坝轴线布置，钻灌深度至弱风化层以下5.0m。

采用同样的计算方法对灌浆整治后的大坝进行计算，计算工况与灌浆整治前工况相同。经计算，工况（1）至工况（3）下游坝坡出逸坡降0，即未在坝坡出逸。计算单宽渗流量0.02～0.04m3/d，工况（4）至工况（4）上游坝坡出逸坡降0.41。

通过对建兴水库大坝灌浆整治后渗流计算结果分析，得出如下结论：

（1）灌浆整治后各种计算工况下，计算单宽流量大坝为0.0038～0.0128m3/d.m，大坝渗漏量仅为灌浆整治前0.01～0.02，渗漏量大大减少。

（2）据大坝渗流分析，在前述各工况下，大坝后坝坡浸润线高度大幅降低，出逸点位于棱体处。在前述各工况下，计算断面在上游坝坡最大出逸坡降值为0.41，下游坝坡最大出逸坡降值为0，经验渗透坡降允许值0.46，二者均满足规范规定。

4结语

对比分析灌浆整治前及灌浆整治后的两种计算结果，可以看出采用灌浆方案对大坝实施整治是合理可行的。

（1）灌浆整治前大坝填筑质量差，渗透系数偏高（大于规范允许值），渗漏量偏大。采用灌浆方案后有效地解决了大坝渗漏量偏大的问题，弥补了大坝碾压不密实导致渗透系数偏大的不足。

（2）灌浆整治前设计洪水位及校核洪水位情况下，浸润线位置距离坡面非常接近。采用灌浆整治后大坝浸润线高度大幅降低，有效的解决了渗透稳定问题，且对大坝后坝坡稳定有利。

参考文献

[1] 碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）[S]．

[2] 顾慰慈．土石（堤）坝的设计与计算[M]．北京：中

 国建筑工业出版社，2006．

[3] 毛昶熙，等．渗流计算分析与控制[M]．北京：中国

 水利水电出版社，2003．

作者简介：杨成涛（1979—），四川广安人，乐山市水利电力建筑勘察设计研究院工程师，研究方向：水工建筑物；宋帮才，供职于乐山市沫江堰管理处。