陀兴水库扩建后土坝坝基防渗方案研究

姜福基，刘乃飞，叶知晖，冉统军，俞宏

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院， 甘肃 兰州 730000；2.西安理工大学 岩土工程研究所， 陕西 西安 710048)

陀兴水库扩建后土坝坝基防渗方案研究

姜福基1，刘乃飞2，叶知晖1，冉统军1，俞宏1

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院， 甘肃 兰州 730000；2.西安理工大学 岩土工程研究所， 陕西 西安 710048)

陀兴水库建于二十世纪六七十年代，工程分为两期，目前正在进行二期改扩建工程(正常蓄水位由53.23 m抬升到60 m)。根据水库现状条件和工程地质勘探成果拟定了两套防渗方案，并从渗流稳定、坝坡抗滑稳定以及工程投资等方面开展了对比研究。研究表明无论从渗透稳定、抗滑稳定还是工程投资方面方案2均优于方案1。研究成果可为工程的设计和施工提供参考。

陀兴水库；土坝；坝基防渗；渗流稳定；抗滑稳定

20世纪50～70年代，我国完成了水利工程建设的“大跃进”，成为世界上水库数量最多的国家[1]。但限于当时技术水平和经济条件的限制，大部分都是小型土石坝，寿命约为50年。到目前为止基本都在超期服役，存在巨大的安全隐患[2-3]。如1975年的“板桥事件”致使超过2.5万人死亡，1 100万人受灾[4]。从而引起了中央层面的重视，并制定了一系列的除险加固计划，同时开展了大量的相关研究工作。严祖文等[5]从大坝病险认定及除险加固资金的使用等多个方面研究了中小型水库除险加固过程中存在的主要问题并最终给出了对策设想。唐巨山等[6]对横山水库扩建工程的设计方案进行了研究。文会祥等[7]对赤金峡水库加高加固工程的坝基防渗技术进行了总结。王莉等[8]对丹江口大坝加高两岸土石坝设计问题进行了分析介绍。翁湛[9]采用有限单元法研究了土石坝加高后坝体渗流及其边坡稳定性问题。刘洪辉等[10]以峡山水库南辛副坝除险加固防渗设计为例，从技术经济、渗流、稳定及施工条件等方面对不同防渗方案进行了分析。刘文等[11]采用有限体积法对西夏水库土坝垂直防渗墙和水平防渗铺盖两种防渗方案的渗流场进行了数值计算研究。

综上可知，开展土石坝除险加固和加高培厚工作对于确保人民生命财产安全及社会和谐稳定至关重要。但针对水库除险加固工作的研究和总结工作大多集中于具体的加固方案或抗滑稳定方面，关于土石坝坝基防渗方面的研究却相对较少。本文结合海南省陀兴水库现状条件和改扩建工程地质勘探成果，针对该工程土坝坝基拟定了两套防渗设计方案并从渗流稳定、渗流量、坝坡抗滑稳定以及工程投资等方面开展了对比研究，以期该研究成果能够对本工程及类似工程的设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

陀兴水库位于海南省东方市感恩河上，工程的任务是以农业灌溉为主，兼顾供水、发电，是海南省东方市、乐东县重要的骨干水利工程。水库始建于1969年—1977年，原设计规模为Ⅱ等大(2)型水库，实施期将工程分为一期和二期，到目前为止，工程仅实施了一期。挡水大坝由左岸浆砌石重力坝、中部浆砌石溢流坝、右岸浆砌石剌墙、右岸土坝等组成。

改扩建前(一期)死水位为40.23 m，正常蓄水位为53.23 m，设计洪水位为58.53 m，校核洪水位为60.93 m。改建后(二期)死水位为43 m，正常蓄水位为60 m，设计洪水位61.26 m，校核洪水位为64.4 m。土坝段坝高由24.1 m增高为28.5 m。

由于右岸土坝坝趾、坝基表层为残坡积土，根据残坡积土层中的注水试验，其渗透系数K范围值为5.26×10-4cm/s～5.35×10-3cm/s。下伏岩体为陀烈群云母石英片岩。基岩面以下3 m～5 m范围内，强风化层透水率大于10 Lu，属中等—强透水层。其下2 m～6 m范围内为弱透水上带，透水率(5 Lu≤q<10 Lu)，之下为厚约2.0 m～3.0 m的弱透水中带，透水率(3 Lu≤q<5 Lu)。改扩建将水库正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位抬高，总库容增大后首先要对土坝段坝基渗流稳定、渗流量、坝体抗滑稳定等进行计算分析，本文重点对水库改扩建后右岸土坝坝基防渗提出2个方案进行研究。

2 坝基防渗改扩建设计方案

改扩建后要确保土坝坝基防渗方案满足大坝各特征水位抬高后土坝段的防渗及稳定性要求。土坝坝基防渗根据土坝趾防渗线和坝轴线防渗线地质勘探成果，初步拟定了两种设计方案[12-14]：(1) 坝趾设防渗墙+单排帷幕灌浆。在除险加固坝面铺设防渗土工布工程完成的基础上，自坝趾防渗线桩号0+167.40—0+632.52段人工堆积填土和残坡积土层中增补C15塑性混凝土防渗墙，墙下基岩透水层设单排帷幕灌浆；(2) 自坝顶设防渗墙+单排帷幕灌浆。在除险加固工程完成的坝体断面基础上，自圆锥裹头坝轴线桩号0+182.46—0+540.71段在坝顶设C15塑性混凝土防渗墙，墙底伸入基岩强风化层内1 m控制，云母石英片岩层渗透率≤5 Lu以下5 m控制设单排帷幕灌浆。

各方案详细改扩建典型断面如图1所示。

图1 各方案土坝防渗改扩建方案典型断面(0+319)

3 各方案比选研究

为了研究上述两方案是否满足防渗要求及对比两方案的优劣，以便确定最优方案，本节从渗透稳定、抗滑稳定和工程投资等几个方面进行了分析论证。

3.1 渗流稳定计算

3.1.1 计算方法及模型

考虑水库工程现状，对上述拟定的二个方案在水库蓄水位从52.23 m抬升至60.00 m的土坝坝体、坝基渗流情况进行分析。计算方法采用三维有限元计算，有限元模型见图2。

图2 坝区渗流场三维网格计算模型

计算域边界条件设定为：上下游边界以及底边界均视为隔水界面；对于地表边界，坝轴线上游侧低于库水位的地方为已知水头边界，高于库水位的地方为渗流逸出面；坝轴线下游侧，同样低于下游水位的地方为已知水头边界条件，高于下游水位的地方为渗流逸出面。

3.1.2 计算参数

根据勘探试验结果及反演分析确定的各地层及防渗材料的渗透参数如表1所示。

3.1.3 计算工况

土坝改扩建后的特征水位条件下的渗流计算工况见表2。

表1 陀兴水库土坝改扩建坝区各材料渗透系数

表2 渗流计算工况

3.1.4 结果分析

两种改扩建方案在不同工况下的渗流场如图3所示(限于篇幅文中仅给出部分结果)，整理得到的各工况条件下渗透坡降和渗流量见表3和表4。

根据渗流计算结果(图3及表3和表4)可以看出，方案1(坝趾防渗墙+基岩帷幕灌浆)和方案2(坝顶防渗墙+坝基帷幕灌浆)均对坝体、坝基渗流有一定控制作用，可有效消减水头和基础覆盖层中的渗透坡降，降低下游坝坡浸润线。库水位抬高后方案1各工况下总渗漏量分别为82.56 m3/d、92.44 m3/d、116.41 m3/d；方案2较方案1降低了约0.2%～3.2%。方案2主要部位的渗透比降和坝体下游水头分布也比方案1略有减小，特别是浆砌石部位仅为方案1的60%(方案1还存在刺墙破坏后带来的渗透隐患)。方案1在各种工况下土工膜和防渗墙共消减水头分别为5.79 m、7.7 m和8.73 m，而方案2各种工况下消减水头分别为5.99 m、7.87 m和8.83 m。两方案逸出点与排水沟顶部高程(39.00 m)均基本齐平，出逸点部位渗透稳定。综上可知两方面均满足渗透稳定要求，但无论从渗流量、渗透比降还是削减水头方面方案2均优于方案1。

图3 设计洪水位时0+319坝断面水头等值线分布(m)

表4 各工况下的渗漏量计算结果

注：右岸山体的渗漏量只是对模型中反映出的那一部分山体进行计算获得的。

3.2 坝体抗滑稳定计算

3.2.1 计算方法及模型

土坝坝坡抗滑稳定计算根据规范要求，采用简化毕肖普(Simple Bishop)法。抗滑稳定各方案分别选取1个典型断面进行分析，见图1。两方案仅在防渗措施设置的位置不同，即方案1在坝趾处设防渗墙+帷幕灌浆，方案2在坝顶设防渗墙+帷幕灌浆。3.2.2 计算参数

根据工程地质提出的土坝坝基残积土和原土坝填土的物理力学参数建议值，土坝改扩建前后主要参数见表5。

3.2.3 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》[15](SL 274—2001)要求，土石坝稳定分析主要计算工况如表6所示。

表5 土坝坝体主要参数

表6 抗滑稳定计算工况

3.2.4 结果分析

抗滑稳定分析主要对改扩建后的土坝正常运用条件和非常运用条件下不同水位组合进行计算。考虑到陀兴水库区域构造相对稳定，相应地震基本烈度为Ⅵ度，按规范要求可不进行地震工况下稳定分析，主要对正常蓄水位60.00 m、设计洪水位61.26 m、校核洪水位64.40 m的坝体下游坡，以及水位骤降情况(初期为校核洪水位骤降至设计洪水位，后期为校核洪水位骤降至正常蓄水位)时坝体上游坡等工况进行分析。两方案典型断面上、下游坝坡抗滑稳定计算最小安全系数如表7所示。

表7 土坝典型断面抗滑稳定安全系数

由表7可以看出，方案1和方案2在各种工况下坝体典型断面上游坝坡和下游坝坡抗滑稳定均满足规范要求。对比两方案可知，前三种工况条件下(正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位)方案2的安全系数均大于方案1，但第四种工况条件下(校核洪水位骤降)方案1的安全系数大于方案2。可见方案1对校核洪水位骤降工况更为有利。但鉴于第四种工况出现概率低且方案2也满足安全要求，所以可以认为方案2较方案1抗滑稳定性略好。

3.3 投资分析

为能提出经济合理的方案，对两个方案进行了同精度概算。

方案1主体工程投资为1 241.3万元；方案2主体工程投资为1 125.2万元。方案2较方案1节节省投资9.35%，约为116.1万元。

4 讨 论

前文从渗透稳定、坝体抗滑稳定和投资方面对拟定的两种改扩建方案进行了全面对比分析，其汇总结果如表8所示。

表8 两种方案综合分析表

综合表8及前述分析可以看出，无论从渗透稳定、抗滑稳定还是工程投资方面方案2均优于方案1。特别是由于刺墙渗径短且渗透坡降较大，方案1的刺墙一旦出现裂隙，库水将会在刺墙中形成渗漏通道，对刺墙部位以及整个库水的防渗不利。但方案2自坝顶布置的防渗墙+基岩帷幕灌浆并自土坝圆锥裹头与刺墙接触部位起平行刺墙布置，防渗由防渗墙承担，刺墙既是否出现裂隙，也不会产生较大渗漏。因此综合考虑多方面的影响因素，本文推荐采用方案2。

5 结 论

根据海南省陀兴水库现状条件和改扩建工程地质勘探成果，针对土坝坝基拟定了两套防渗设计方案(方案1为坝趾设防渗墙+单排帷幕灌浆；方案2为自坝顶设防渗墙+单排帷幕灌浆)并从渗流稳定、渗流量、坝坡抗滑稳定以及工程投资等方面开展了对比研究。研究表明，无论从渗透稳定、抗滑稳定还是工程投资方面方案2均优于方案1，且方案1坝趾防渗墙+单排帷幕灌浆在土坝圆锥裹头段布置困难，同时存在与浆砌石溢流坝前帷幕灌浆的衔接问题。故为保证陀兴水库改扩建后土坝的运行安全，土坝改扩建坝基防渗推荐方案2(即坝顶设防渗墙+坝基单排帷幕灌浆)。

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Foundation Seepage Control for the Earth Dam of the Tuoxing Reservoir

JIANG Fuji1, LIU Naifei2, YE Zhihui1, RAN Tongjun1, YU Hong1

(1.GansuProvinceInstituteofWaterResourcesandHydropowerInvestigationandDesign,Lanzhou,Gansu730000,China； 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

Tuoxing reservoir was constructed in the 1960 s and 1970 s, which was divided into two stages. Now the second phase will raise the normal water level from 53.23 meters to 60.00 meters. According to the present situation of reservoir and geological exploration results, two seepage control schemes were proposed. Some comparative analysis of the two schemes were carried out which focusing on the seepage stability, sliding stability, construction cost etc. The study shows that regards to seepage stability, sliding stability or construction cost, the scheme II is better than Scheme I. The research results can provide useful reference for the design and construction of nd similar projects.

Tuoxing reservoir; earth dam; foundation seepage control; seepage stability; sliding stability

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.012

2017-03-12

2017-04-28

国家自然科学基金资助项目(11572246)

姜福基(1956—)，男，甘肃临泽人，高级工程师，主要从事水工建筑设计工作。 E-mail: jfj19556@sina.com

TV643

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1672—1144(2017)04—0062—05