幸福水库大坝渗流安全分析及评价

王 凯，邹 斌，杨丽虹，张 洁，蔡高堂，计 勇

(1.江西省水工程安全与资源高效利用工程研究中心 南昌工程学院，江西 南昌 330099；2.江西省港航管理局，江西 南昌 330038；3.新建区幸福水库管理所，江西 南昌 330100)

土石坝因其对地质条件适应性强、能就地取材、工程经济效益性较好等优点，在中国水利工程建设中有着重要地位[1]，同时众多中小型水库病险问题也日益凸显[2-3]。由于土石坝自身填筑材料的特性、环境量、荷载量以及其运行管理方式等因素，坝体或坝基内渗流状况比较复杂，难以直观表达[4-5]。据相关调查文献显示，中国由于渗流冲刷而失事的土石坝占比达到40%[6]，因此渗流安全分析对优化水库大坝设计方案[7]、改进施工方法[8]和渗流安全监控[9]等环节有着重要意义。当前应用较为常规的渗流安全分析方法是以实际观测资料为基础[10]，集合土石坝渗流基本理论[11]，运用作图法、比较法和特征值统计法对观测数据与库水位等因子进行相关性分析及回归分析，并结合渗透系数、位势过程、化引流量等分析对渗流观测资料的特征性与规律性进行综合分析评价[12]。此外随着计算机科技的进步，促进了渗流计算理论的发展[13]，有限元分析方法逐渐成为目前应用最为广泛的一种数值计算方法[14]。目前国际上较为知名的渗流有限元计算软件有GEOSTUDIO、PLAXIS和ANSY等[15]，国内也有一些自主开发的有限元程序，如中国水利水电科学研究院的STSA程序和南京水利科学研究院的UNSST2程序等。

论文通过收集整理幸福水库除险加固后2011—2017年间库水位、降雨量及测压管水位等数据资料，对大坝渗流观测资料进行分析以及根据现场勘测及相关试验结果采用通用数值计算软件(GEOSTUDIO)对土石坝在特征水位下的稳定渗流进行有限元数值计算，评价水库大坝渗流运行性态，旨在发现坝体在运行过程中可能出现的渗流安全问题，为后期水库运行管理提供参考。

1 研究区域与数据采集

1.1 区域概况

幸福水库大坝坐落在赣江支流长堎河上，水库坝址以上控制流域面积30.2 km2，设计灌溉面积0.33 hm2，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的中型水库，主要建筑物包括：混凝土防渗墙土石坝、左岸溢洪道、灌溉隧洞等。坝址区为一山间盆地地形，坝基覆盖层为残坡积层和冲积层，残坡积层主要为粉质黏土，分布于大坝左右段即老河床两岸，其物理力学性质较好，透水性微弱，属相对不透水性；冲积层主要为砾粉质壤土、粗砂等，其中粗砂透水性较强含砾粉质壤土多夹有砂层，局部夹少量砾石、碎石等，影响其整体防渗性，该层分布于老河床段，且贯穿坝址上下游。

水库大坝始建于1958年，为均质土坝，坝顶高程59.4 m，坝长686.0 m，最大坝高19.8 m，正常蓄水位55.0 m。大坝最大坝高处位于主河槽段，为透水坝基，且建设时由于条件限制，未对老河床坝基段进行清基处理、填筑碾压不足等，导致大坝沉陷、渗漏现象严重。后经1973、1985、2008年多次除险加固，并在2008年除险加固中采用混凝土防渗墙结合灌浆帷幕对坝体、坝基及两坝肩岩体进行防渗处理，修缮上下游护坡，增设排水棱体，并完善大坝监测设施。

1.2 测压管布置及水位数据采集

幸福水库大坝渗流监测设施为测压管，于2010年10月布置完成并开始日常监测，5个监测断面，共计17个监测点。大坝监测断面桩号分别为0+030、0+075、0+300、0+500、0+656 m，每个断面布置4根测压管，分别位于防渗墙上、下游，大坝下游52.47、44.46 m高程处，0+030 m断面处2根，0+656 m断面处3根，幸福水库区域位置及大坝测压管布置见图1。渗流观测数据为人工观测方式采集，降雨量及上游库水位观测数据采用坝址处观测站自动监测。由于设备故障等原因导致漏测或数值异常等现象，在统计分析前要先对收集的数据进行整理，剔除异常数据，并用插值法补全缺失值，形成完整的长序列观测数据。

图1 幸福水库区域位置及大坝测压管布置

2 大坝渗流观测资料分析

2.1 测压管水位过程分析

本文绘制测压管水位与库水位变化过程线[15](图2)，在0+030 m断面中，1号测压管水位偶有高于库水位的现象，结合测压管位置，该点位于右坝肩，与地下水位较高的山体连接，初步分析，受地下水位影响，导致测压管水位异常。1、2号测压管分别位于防渗墙前后，2号测压管水位较1号测压管水位仅下降2.1 m左右，防渗墙作用较小，此处可能存在绕坝渗流。在0+075 m断面中，3号测压管位于防渗墙前，4—6号测压管位于防渗墙后，3—5号测压管水位数据整体连续性较好，与库水位呈现一定的相关性，但6号测压管数值变化平稳且相关系数值极低，基本不受库水位影响，测压管内可能出现淤堵等异常情况，需对该测点进一步检查分析。在0+300、0+500 m断面中，7、11号测压管位于防渗墙前，8、12号测压管位于防渗墙后，8、12号测压管水位较7、11号测压管水位均下降4 m左右，防渗墙防渗效果良好，且与库水位有较高的相关性。9、10、13、14号测压管水位随库水位变化的峰谷不明显，可见坝体内渗流较稳定，下游坝壳排水效果好。在0+656 m断面中，15号测压管位于防渗墙前，16、17号测压管依次布置于防渗墙后侧，水位数据连续性较好，与库水位呈现一定的相关性，但可观察到16号测压管水位较15号测压管水位仅下降约1.6 m，防渗墙作用较小，此处位于左坝肩，可能出现绕坝渗流。

a)0+030 m断面

b)0+075 m断面

c)0+300 m断面

d)0+500 m断面

综上所述，大坝左右坝肩处受两岸山体地下水影响存在绕坝渗流现象，6号测压管水位与库水位无相关性，可能存在淤堵异常，需进一步对该测压管进行现场试验分析；其余测压管监测数据连续性较好，与库水位呈现较高的相关性，能够较好地表征坝体渗流情况。

2.2 统计模型分析

逐步回归的思想是将自变量逐个代入模型，每代入一个自变量后都需进行F检验，并对已经选入的自变量逐个进行t检验，当原来引入的自变量由于后一个自变量的引入而不再显著时，将被剔除，以保证最后所得到的自变量集为最优解[16]。针对前期库水位建立逐步回归模型见式(1)：

yi=α1H1+α2H2+α3H3+α4H4+α5H5+α6H6+α7H7+b0

(1)

式中H1——当天库水位，m；H2——第1—5天的平均库水位，m；H3——第6—10 天的平均库水位，m；H4——第11—15天的平均库水位，m；H5——第16—20天的平均库水位，m；H6——第21—25天的平均库水位，m；H7——第26—30天的平均库水位，m。

借助SPSS软件完成逐步回归计算部分，剔除了影响回归方程不显著的变量因子，提炼出对测压管水位数值呈显著贡献的变量相关系数及拟合度见表1，根据表1计算结果可以建立各测压管水位模型。本文绘制了0+300 m断面各测压管水位拟合过程线，模型拟合效果好，接近工程实际情况，见图3。由表1、图3可知各测压管水位受当日库水位的影响最大，与测压管水位成正相关，其相关性从上游到下游逐渐降低，且靠近下游测压管受滞后效应较为显著。这表明越靠近上游区域测压管水位受影响因素越稳定，符合老坝渗流规律。

表1 测压管水位逐步回归计算

图3 0+300 m断面测压管水位测量值与拟合值过程线

3 渗流分析及安全评价

3.1 计算断面与参数

根据地质横剖面和纵断面资料，断面0+450 m为老河床位置，坝高最大，故选取该断面作为代表性断面进行计算。水库大坝工程地质情况为：坝体主要由粉质黏(壤)土组成，该土体大多呈弱透水性，局部中等透水；坝基层由含砾粉质黏土、圆砾和砾砂分布于老河槽底部，呈弱透水层；混凝土防渗墙深入基岩0.5 m，基岩为微透水层，其埋深最大，对坝基渗透影响不大。各土层的物理性质分布见图4，对应渗透系数取值具体见表2。

图4 0+450 m断面土层分区

项目坝体上部填土砾质粉质壤土坝体下部填土粉质黏(壤)土坝基土含砾粉质黏(壤)土砾砂圆砾防渗墙塑性混凝土渗透系数/(cm·s-1)5.0×10-42.3×10-42.39×10-45.0×10-22.0×10-11.0×10-6允许渗透坡降0.40.420.450.280.360

3.2 大坝渗流有限元计算过程

GeoStudio软件中渗流计算SEEP/W模块可分为搭建模型、数值计算和成果出图3个部分。其中搭建模型包括绘制断面轮廓、确定坝体材料属性、设置土层渗透系数、生成有限元区域和设置边界条件等；计算部分有软件自动操作完成，并且有限元计算结果的准确性将直接取决于搭建的模型质量；最后由计算机软件输出流网图、节点和单元等计算成果[15]。根据工程概况及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情况有：①上游正常蓄水位55.00 m与下游相应的最低水位40.80 m；②上游设计洪水位56.46 m与下游相应最低水位40.80 m；③上游校核洪水位57.14 m与下游相应最低水位40.80 m；④库水位自校核洪水位57.14 m快速下降至正常蓄水位55.00 m。

3.3 计算成果

按不同工况组合进行计算，绘制各工况下的渗流流网图和大坝的浸润线(自由面)位置，见图5；各工况下大坝坝体内最大渗透坡降值及渗流量见表3。

a) 工况1

b) 工况2

c) 工况3

d) 工况4图5 各工况下渗流计算成果(m)

上游水位/m下游水位/m水头/m最大渗透坡降计算值坝体上部砾质粉质壤土坝体下部粉质黏(壤)土坝基含砾粉质黏(壤)土砾砂圆砾防渗墙塑性混凝土单宽渗流量/(m3·d-1·m-1)5540.814.20.1230.220.310.0150.00730.220.53956.4640.815.660.1370.240.340.0170.00834.010.60057.1440.816.340.1430.250.350.0170.00935.780.626允许渗透坡降0.400.420.450.2800.30060.00

0+450 m断面位于老河床段，该段坝基冲积层主要由砾粉质壤土、砾砂、圆砂等构成，且贯穿坝址，计算最大渗透坡降值为0.35，按照工程试验资料，渗透坡降允许值为0.3～0.45，各部分数值均在允许值范围内；大坝填筑材料由砾质粉质壤土、粉质黏土组成，计算最大渗透坡降值为0.25，在允许值0.42范围内；最大渗透坡降出现在混凝土防渗墙内，计算渗透坡降值为35.78，小于允许渗透坡降值60。坝体单宽流量较小，最大值为0.626 m3/(d·m)。从图5可以看出，各工况下混凝土防渗心墙处浸润线下降明显，浸润线溢出口位于排水棱体内，大坝渗流计算等势线分布规律符合混凝土防渗心墙渗流规律。

3.4 渗流安全评价

根据测压管观测资料水位过程分析，6号测压管水位变化平稳，且相关系数极低，表明基本不受库水位影响，此测压管内可能出现淤堵情况需进一步进行现场试验分析；其余各测压管水位与库水位相关性较好，且水位涨落存在明显的滞后性；大坝中心坝段防渗墙前后测压管水位落差近4 m，防渗墙防渗效果良好，左右坝肩位置测压管水位下降较小，受两岸山体渗水影响，存在较为明显的绕坝渗流。根据统计模型结果分析，测压管水位受当天库水位影响最大，并且存在一定滞后效应，其相关性由上游到下游逐渐降低，且靠近下游测压管水位受滞后效应较为显著，这与常规分析一致，也反映了设置防渗墙具有一定的防渗效果。根据二维渗流有限元计算结果，最大渗透坡降发生在混凝土防渗心墙内，不同工况下各区域坡降值均在允许坡降范围内，坝体单宽渗流量均较小，故产生渗透破坏的可能性不大。混凝土防渗墙消除了80%的水头，在防渗中起着重要作用，且浸润线都在排水体内出逸，反映防渗墙防渗效果较好，这同前述渗流观测资料分析结论基本符合。

4 结论

基于渗流观测资料分析以及二维渗流有限元计算结果分析，幸福水库自2010年加固完成后，混凝土防渗墙防渗效果良好，坝基砾粉质壤土、砾砂层以及坝身填筑材料渗透坡降均在允许值内，但大坝存在坝肩绕坝渗流、部分测压管淤堵等异常现象，水库大坝整体渗流稳定基本满足安全运行要求。

致谢：感谢江西省水利科学研究院农村水利研究所谭淋露研究员为本研究提供的帮助。