小川水库坝体渗漏成因与渗流计算

刘长春

（新疆喀什第三师勘测设计院，新疆 喀什 844000）

小川水库坝体渗漏成因与渗流计算

刘长春

（新疆喀什第三师勘测设计院，新疆 喀什 844000）

结合小川水库大坝现场检查及地质勘探情况，通过渗流观测资料分析坝体渗漏成因，得到排水廊道的设置对绕坝渗漏起到了改善作用。通过AutoBank软件建立平面典型断面有限元模型，渗流参数计算得到浸润线规律符合均质坝分布；综合判断下游坝坡高水位工况下渗透稳定不满足要求。

土石坝渗流；渗流反演分析；稳定渗流计算

1 工程概况

小川水库位于甘肃省平凉市华亭县，是一座解决农业灌溉用水并兼顾城乡供水、工业用水、发电、调洪等综合利用的中型水库。水库防洪标准为50年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核，设计洪峰流量138m3/s，校核洪峰流量283m3/s。多年平均出库水量5640万m3。拦河大坝为均质土坝，坝顶长215.0m，坝顶宽8.0m，坝顶高程1563.90m，防浪墙顶高程1564.90m，最大坝高64.9m。

小川水库存在下游坝坡渗漏量大的现象，通过二次帷幕灌浆，大坝主要渗漏点消失，但仍然存在渗水点。通过钻孔压水试验、抽水试验、连通试验证实，下游坝坡渗水点为绕坝渗漏。本文分析了小川水库坝体渗漏成因，并进行了坝体渗流反演计算分析［1-2］。

2 坝体渗漏成因分析

2.1 下游坝坡渗漏点渗漏

通过各孔稳定地下水位的观测，1#，2#渗流场地下水流向该区域地下水主流向358°，近于正北方向，与右肩岩层一组节理（产状90°～95°∠80°）的走向几乎一致，该组节理产状陡倾，线裂隙率达14条/m，裂面光滑平直，延伸较远，认为库水主要顺此组节理走向绕右坝肩。而前期灌浆帷幕由于受其陡倾产状的影响，2.0m孔距不易截断其渗漏通道。如图1。经计算，水力坡降i=0.219，地下水流速V=1.15×10-3cm/s。判断地下水主要由ZK617～ZK625间进入坝体形成右岸坡的渗漏潮湿现状［3］。

图1 渗漏点地下水流方向示意图

2.2 右坝肩排水廊道情况

因前3次帷幕灌浆未能完全消除下游坝坡渗漏，后经勘察钻孔压水试验、抽水试验及连通试验，得出以下结论：

下游坝坡主要渗漏点为绕坝渗漏右岸排水廊道施工于2003年3月开工，当年7月竣工。进口高程1527.72m，出口高程1526.97m，底板坡比1∶100，洞轴线与坝轴线交角50°，廊道断面为城门洞型，顶拱和两侧墙各布设一排水孔，孔距1.0m，孔径42mm，汇水集中排至右岸排水沟。

地质勘探揭示，排水廊道所在区域岩层呈单斜构造产出，岩体风化程度高，节理裂隙发育，结构面多为张开状，为Ⅲ类围岩，钻孔压水试验求得渗透系数10-2～10-4cm/s，属中等—强透水地带。地下水位高程在1527.00～1534.00m之间。竣工后设于廊道出口的三角量水堰渗漏量观测资料如表1。过程线如图2。

表1 排水廊道渗漏量

图2 排水廊道渗漏量与库水位过程线

由表2和图2可看出，排水廊道渗漏量与库水位关系明显，库水位升高，渗漏量随之增大，说明排水廊道部位渗漏水为绕坝渗漏所致。

虽然排水廊道的设置对绕坝渗漏起到了改善作用，但由于高程在1527.00m，未完全阻断绕坝渗漏至下游坝坡，现状下游坝坡1508.00m高程附近集水井内仍存在渗漏，且随库水位周期性升降。

3 大坝渗流反演分析

3.1 模型建立与参数选取

选取小川水库大坝竣工标准剖面进行渗流计算。由坝身黏土、下游侧过渡砂层、风化料、反滤排水体、坝基卵石层、坝基强透水层及防渗帷幕等组成。

考虑2000年坝身在坝轴线位置进行了灌浆，此次渗流分析建模在坝轴线位置设置了2m宽防渗灌浆区。模型采用三角形和四边形混合单元对其进行了剖分。大坝各分区材料渗透系数通过地勘报告建议值并结合已有工程经验确定各材料分区渗透系数初始值，如表2。

表2 大坝材料分区渗透系数初始值 单位：cm/s

3.2 反演计算分析

有限元计算采用AutoBank软件。结合运行，高水位工况下下游坝坡1517.90m高程以下已出现渗漏，故将可能溢出边界设置在此部位，微调坝体填土和风化料渗透系数，直至计算值与实测值较接近为止。最终得出各材料渗透系数如表3，反演得到的坝体亚黏土水平向渗透系数高于原始地勘建议值，而竖向渗透系数略大于原始地勘建议值，下游风化料渗透系数略低于原始值［3-5］。

计算浸润线与实测浸润线位置如图3。从反演计算结果与实测结果对比可见，标准剖面计算浸润线与实测浸润线总体反演结果吻合度高，计算浸润线在实测浸润线上下波动，计算浸润线规律符合一般均质坝分布。

3.3 特征水位下稳定渗流计算分析

根据反演确定的渗透系数，计算特征工况下大坝标准剖面的二维渗流场。具体计算工况如表4。

为充分反映大坝二维渗流计算成果，整理了标准剖面水头分布图和关键部位的渗流要素统计如表5，水头等值线如图4。

表5 标准剖面关键部位渗流要素 单位：m3/m·d

图4 各工况下水头线等值线

由表5单宽渗流量统计结果可以看出，各控制工况下标准剖面计算所得的单宽渗透流量，随水位的降低而减小，在1.908～16.031m3/m·d之间。以坝顶长215m计，大坝日渗漏量410.2～3504.7m3，年渗漏量14.97万～127.92万m3。高水位工况下渗漏损失巨大。

采用公式Jcr=（Gs-1）（1-n）计算下游风化料临界渗透坡降，得Jcr=0.920，根据GB50287—99《水利水电工程地质勘察规范》要求，取安全系数为2，得到允许渗透坡降为0.460，可见高水位工况下坝基渗透坡降大于其允许渗透坡降，下游坝坡出逸处渗透不稳定。运行表现，高水位工况下下游坝坡已出现水平渗漏带，且现场检查发现下游坝坡多处存在老鼠洞，土质疏松，易产生渗透破坏，综合判断下游坝坡高水位工况下渗透稳定不满足要求［6］。

4 结语

（1）地下水主要由ZK617～ZK625间进入坝体形成右岸坡的渗漏潮湿现状。

（2）虽然排水廊道的设置对绕坝渗漏起到了改善作用，但由于高程较高（1527.00m），未完全阻断绕坝渗漏至下游坝坡，现状下游坝坡1508.00m高程附近集水井内仍存在渗漏，且随库水位周期性升降。

（3）渗流计算表明，坝体填土防渗性能差，高水位工况下下游坝坡渗透稳定不满足要求，坝体渗漏量大。建议对大坝砂砾石基础进行全面防渗灌浆处理，加强下游渗漏量与心墙内观测孔水位观测，发现问题及时处理。

参考文献：

［1］刘俊发.水利工程中土石坝渗漏的原因及处理措施［J］.科技与企业，2014（12）：198.

［2］华静，杨华舒.土石坝渗流计算中的有限元应用研究［J］.中国水能及电气化，2012（7）：15-18.

［3］栾艳.土石坝渗透规律与渗漏机理研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009.

［4］陈卫忠，伍国军，戴永浩，等.锦屏二级水电站深埋引水隧洞稳定性研究［J］.岩土工程学报，2008（8）：1184-1190.

［5］邓苑苑，刘建军，张小燕.土石坝工程渗流计算的理论发展及方法探析［J］.甘肃农业，2006（6）：363-364.

［6］刘洁，毛昶熙.堤坝饱和与非饱和渗流计算的有限单元法［J］.水利水运科学研究，1997（3）：242-252.

（责任编辑：王艳肖）

Study on seepage leakage causes and seepage calculation of Xiaochuan Reservoir

LIU Chang-chun
（Kashi Third Division Survey and Design Institute，Kashi844000，China）

This paper combined with the on-site inspection of Xiaochuan reservoir dam and geological exploration，through the analysis of the seepage observation data of dam，the leakage causes are analyzed，the conclusion found that the setting of drainage gallery can improve the leakage around the dam.The finite elementmodel of plane section is established by AutoBank software，and the seepage coefficient is calculated by parameter inversion analysis of seepage parameters.The seepage stability cannotmeet the requirements under the condition of high water level of downstream dam slope.

earth rock dam seepage；seepage inversion analysis；seepage flow stability calculation

TV85

：B

：1672-9900（2017）04-0009-04

2017-04-28

刘长春（1981-），男（汉族），重庆人，工程师，主要从事水利工程设计工作，（Tel）18999088026。