基于现场检测参数反演的大坝渗流安全分析

2015-12-21李宏冲李万里刘灏懿

水利与建筑工程学报 2015年5期

张军，李宏冲，李万里，刘灏懿，李森，刘威

(1.南阳市水利建筑勘测设计院，河南南阳473000;2.河南灵捷水利勘测设计研究有限公司，河南南阳473000)

1 工程概况

水帘水库位于淮河源头支流西小河中游，坝址距桐柏县城4 km，是一座以防洪为主，兼有旅游、供水、养殖于一体的综合性水利枢纽工程[1－2]。水库控制集水面积6.98 km2，总库容160万m3，为小(1)型水库。考虑距离桐柏县城较近，按照Ⅲ等3级建筑物设计。水库设计洪水位217.60 m，校核洪水位218.30 m，兴利水位215.50 m。大坝为浆砌石重力坝，坝顶全长132.0 m，坝顶高程 219.10 m，最大坝高34.1 m。水帘水库工程布置见图1。

由于大坝上游防渗面板裂缝且坝体浆砌石填筑质量较差，水库目前存在的主要问题是:排水廊道底板开裂冒水;坝肩贯穿性裂缝;坝顶、廊道裂缝严重等。鉴于水库存在的上述问题和缺乏观测数据资料等情况，根据其工程地质条件结合现场检查情况，对大坝进行渗流安全性分析是必要的，以解决大坝及坝基的渗流安全及渗透稳定性问题。

图1 水帘水库工程布置图

2 大坝现状

2.1 坝基工程地质条件

坝址区为低山区，两岸山脊走向近南北，与河流方向一致，高程170 m～320 m，左岸山体雄伟宽厚，山坡坡度35°～50°，冲沟不甚发育。右岸山体较单薄，山坡坡度30°～45°，大坝下游发育有一冲沟，沿东—东南方向切割右岸山体，冲沟深约5.0 m。坝轴线方向300°，河流方向25°，河流与坝轴线交角85°;河床宽约20 m，高程185 m左右;河谷形态呈“V”型。河床基岩完整，坝基岩性为黑云二长花岗片麻岩，水库修建时清基至微风化状态[3]。

坝址区及其附近发现3条断层，宽度和延伸长度都不大。F1断层:位于右坝段，位置较高，长约100 m，宽度7.0 m ～8.0 m，胶结好，节理以倾向南东为主，属中高倾角，不透水，不起滑移控制作用。断层产状:走向 160°，倾向 70°，倾角 52°;F4 断层:位于左坝段，长约50 m，宽7.0 m～8.0 m，倾向下游，基本与坝轴线垂直，属高倾角，充填有绿泥石，胶结好，根据原钻孔压水试验，为弱透水下带，断裂体呈透镜体状，不连续，有临空面，对坝体有影响。断层产状:走向 18°，倾向 108°，倾角 72°;F2 断层:位于大坝下游，长约 50 m，宽 4.0 m ～5.0 m，倾向下游，与坝轴线大体平行，距离大坝约300 m，对大坝基本没有影响。断层产状:走向265°，倾向355°，倾角 55°。

坝址区主要有以下3组:(1)走向 SW210°～230°，倾向 NW300°～320°，倾角50°～60°;(2)走向SE113°～144°，倾向 NE23°～54°，倾角 60°～75°，该组为岩层层面裂隙;(3)走向 SE144°～172°，倾向NE54°～82°，倾角 60°～70°。以上三组裂隙，第(2)组最发育，第(1)组次之，第(3)组则发育较少。经统计，范围为1.0 m×1.0 m内。第(2)组发育有10条～22条，第(1)组发育有7条～13条，第(3)组发育有3条～5条。其裂隙多数呈闭合状，无充填物，且延伸不远。其中，走向相同、倾向相反的第(1)组和第(3)组裂隙构成“X”型结构面，把岩体切割成“V”字型槽，而第(2)组与第(3)组裂隙则构成正方形或不规则的正方形结构面。

坝址区地下水按埋藏条件分为:第四系全新统松散层中的孔隙潜水，接受库水补给，储量较丰富。花岗片麻岩中的基岩裂隙水，右岸山体冲沟中有裂隙水渗出，常年不干，高出河床约20 m，基岩裂隙水补给河水。

2.2 大坝结构情况

2.2.1 混凝土结构

坝顶、防浪墙及上游防渗面板为混凝土结构，其中上游防渗面板厚度为0.5 m～1.8 m，面板内配置纵、横向钢筋，钢筋直径为8 mm，间距为30 cm，面板与坝体之间采用直径14 mm的锚固筋连接，防渗面板竖筋插入基础底板0.4 m，并与坝体基础的混凝土防渗垫层连成整体。

2.2.2 浆砌石结构

大坝除坝顶、防浪墙、上游防渗面板及溢流面板等以外为浆砌石结构，下游侧坝面在216.00 m～219.10 m高程范围内为铅直段，在216.00 m高程以下为斜坡段，坡度为1∶0.8。下游侧浆砌石坝面存在砂浆脱落、砌石松动现象，致使坝面杂草丛生。根据原有资料，大坝在修建时采用水泥砂浆砌筑。根据本次勘察所取得的地质资料[3]，坝体砌石多呈弱—微风化，少量为强风化，砌石之间有少量的砂浆充填，可见不规则的相互连通的空洞，砂浆中水泥含量很少，胶结差，砂浆呈松散的颗粒状。采用探坑称重及覆膜注水法测得坝体浆砌石的密度为1.979 t/m3，小于设计值2.2 t/m3，坝体填筑质量差。

2.3 渗漏情况

2.3.1 坝基渗漏情况(含绕坝渗漏)

坝址区河谷形态呈“埃帧北型，河谷两侧基岩裸露。大坝坝基由左坝肩、河槽段及右坝肩组成，其地层岩性均为黑云二长花岗片麻岩，建坝时已清基至微风化状态，坝基岩体较完整，其中左坝肩坝基岩体裂隙较发育，岩石透水率 0.80 Lu ～2.70 Lu，微透水—弱透水下带;河槽及右坝肩坝基岩体裂隙不发育，岩石透水率 0.75 Lu 和 0.90 Lu ～2.10 Lu，微透水—弱透水下带，坝基渗漏及绕坝渗漏轻微。

2.3.2 坝体渗漏情况

坝体填筑材料为浆砌石，对坝体进行了钻孔取样及14段压水试验，压力表均不起压，坝体透水率大于100 Lu，属强透水，坝体渗漏情况严重。

综上，大坝渗漏以坝体渗漏为主，渗漏严重;坝基渗漏及绕坝渗漏轻微。

3 大坝渗流分析

由于现有地质资料不足和缺少渗流监测资料，无法建立三维数学计算模型，因此大坝渗流计算采用二维有限单元法[4－15]。根据大坝的资料，分别选取非溢流坝段和溢流坝段最大断面作为典型断面进行有限元渗流分析。典型断面见图2。

图2 典型断面

3.1 计算模型、参数及工况

3.1.1 计算模型

根据大坝非溢流坝段和溢流坝段最大断面形状，建立渗流二维分析有限元模型如图3所示。模型计算范围为:X方向为顺河向，以坝轴线为原点，指向下游为正，上游坝踵以上和下游坝趾以下均截取约2倍坝高;Z方向为垂直向，向上为正以高程为坐标。

图3 典型断面有限元网格图

3.1.2 计算参数

根据水库观测数据(库水位214.00 m时，背水坡渗漏量34 L/s)及现场检测情况对浆砌石坝各材料分区渗流参数进行反演，并参考相关文献及类似工程，最终渗流参数选取如表1所示。

表1 大坝各材料分区渗透参数反演值

3.1.3 计算工况

根据水库实际情况及大坝结构分析的需要，选取设计和校核两种工况对非溢流坝段坝体和坝基渗流性态及坝基扬压力进行计算分析:

(1)设计工况:设计洪水位217.60 m，下游河床相应水位186.00 m，坝体形成稳定渗流。

(2)校核工况:校核洪水位218.30 m，下游河床相应水位188.00 m，坝体形成稳定渗流。

3.2 渗流计算成果分析

采用上述计算模型和渗透参数，计算得到非溢流坝段和溢流坝段最大断面在设计和校核工况下坝体和坝基的渗流场，经分析整理，坝体和坝基的位势分布如图4(a)～图4(d)所示。

图4 坝体和坝基位势分布图

根据坝体和坝基位势分布计算坝基面总扬压力，所得结果见表2。

表2 坝基面总扬压力及逸出点高程

采用反演分析得到的坝体和坝基材料渗透参数计算坝体和坝基渗流场以及坝基扬压力，得到扬压力折减系数为0.51，大于设计折减系数0.38。在设计和校核工况下，坝基扬压力值均较大，且面板及坝踵部位建基面处的渗透坡降较大，结果见表3。

现场安全检测发现，坝体浆砌石填筑不密实，坝体及排水廊道裂缝众多。由图4可知，坝基扬压力较大，设计工况和校核工况下非溢流坝段廊道位置坝体浸润线高程分别为191.38 m和191.60 m，均高于坝体廊道高程188.00 m;溢流坝段廊道位置坝体浸润线高程则分别为191.46 m和191.75 m，也均高于坝体廊道高程188.00 m。另外，坝基未设置灌浆帷幕，仅布置了间距为3 m的坝基排水孔。另外，根据施工记录反映，排水廊道附近存在新老层面接触问题，易造成渗流通道。从渗流计算分析成果来看，坝踵接触面的渗透坡降较大，非溢流坝段最大渗透坡降为6.64，在高水位情况下，会造成扬压力进一步增大，危及大坝稳定;溢流坝段最大渗透坡降为7.92，极有可能导致新老层面接触面发生渗透破坏，引起坝基渗流量增大，这与0+068.2处排水廊道底板开裂冒水的现象也是吻合的。