基于监测资料反演土坝渗流安全分析*

简鸿福 罗志雄 冷美玲

（1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.江西省洪图水利水电设计有限公司，江西 南昌 330029）

大坝渗流安全分析的目的是复核原设计的渗流控制措施和当前的实际渗流状态能否保证大坝按设计条件安全运行。通过土坝原型渗流监测数据分析，能够了解坝体内水体渗透压力的变化趋势，在一定程度上反演出坝体工程质量、防渗和排水反滤效果等。相关专家学者在大坝监测工程中积累了大量实践经验，形成了比较完善的理论体系。

本文以江西省庐山市观音塘水库为例，通过收集大量的测压管监测数据，构建坝内岩土结构分区的数学模型，设定合理的边界条件，利用运行期上下游水位与测压管水位间的关系反演出防渗体等各岩土层的渗透系数，再以此为基础进行设计工况下的渗流稳定计算，复核坝体结构在设计工况下是否处于安全状况，分析大坝目前的安全状态以及应关注的主要问题，对今后的运行管理提出合理的建议。

1 工程概况

江西省庐山市观音塘水库坝址位于博阳河水系长垄涧上游，集水面积4.88km2，外引入库流量4.23m3/s，水库总库容1122万m3，枢纽工程主要建筑物包括大坝、溢洪道、输水隧洞、引水建筑物等，灌溉面积1.7万亩，是一座以灌溉为主，兼有防洪、供水等综合效益的中型水库。

大坝原设计为黏土斜墙坝，2009年加固时增设了混凝土防渗心墙，经地质勘探查明，斜墙土体与坝体土物理力学性质接近，大坝实际为均质土坝。坝顶高程84.70m，最大坝高23.9m，坝顶宽5.0m，坝顶长592.0m，坝顶设混凝土路面。上游坝坡为混凝土预制块护坡，坡比为1∶3.3，高程67.00m以下采用抛石固脚；下游坝坡为草皮护坡，坡比为1∶2.5，在高程76.00m处设2.0m宽马道，在高程68.00m处设5.0m宽上坝公路。坝脚设贴坡排水体，排水体顶高程66.50m，顶宽1.5m。

为掌握坝的运行状态、检验大坝安全性能和分析坝体内部渗流情况，该工程在坝体中布置了9根测压管，分别在桩号0+150、0+300及0+378三个断面，每个断面在下游坝坡高程83.90m、76.50m和68.00m处各布设1根。水库大坝平面布置、坝体结构及测压管横断面见图1、图2。

图1 大坝及观测设施平面布置

图2 坝身测压管横剖面布置

2 监测资料分析

经灵敏度检测发现，测压管均较灵敏，淤积深度较小，情况较好。大坝于2010年进行除险加固之后运行中未发现异常渗流现象，现场检查监测结果显示坝脚渗漏量为0.183L/s，渗漏量较小。

选取位于最大坝身处的0+300断面为主要分析对象，根据2016年1月8日—2018年12月19日监测数据，绘制坝体测压管水位与库水位变化过程线，见图3，其中2016年2月6日—4月9日及2018年10月21日—12月19日库水位分别相对稳定在75.92～76.16m、75.90～76.18m，本次分别选取库水位相对稳定时段的2016年4月9日库水位76.16m监测数据及2018年12月19日库水位76.18m监测数据，绘制渗流压力断面图，见图4。

图3 0+300断面测压管水位过程线

图4 断面0+300坝体监测横断面渗流压力分布图（3个测压管水位连线）

由图4可知:该断面测压管水位变化趋势与库水位基本一致，但测压管水位变化幅度较库水位小，变化时间靠后，说明测压管水位具有滞后性；2016年4月9日及2018年12月19日P2-1测压管与库水位间水头差分别为6.96m、6.97m，消杀位势分别为52.89%、52.88%，说明此处防渗墙效果较好，能消杀坝体内大部分的位势；下游的P2-3测压管水位比P2-2测压管水位降低较多，符合均质土坝浸润线规律。但从2016年至2018年，在上游库水位较接近的情况下，下游的P2-3测压管管内水位逐渐上升，表明经过多年的运行之后，坝内部分土体渗透系数发生了变化，和原设计中的参数不一致，需作进一步分析。

3 岩土渗流系数反演

根据现场采集坝体测压管监测数据及以上两个选定的分析过程中的稳定库水位，通过有限元软件Geostudio进行反演分析计算，通过构建坝体结构分区计算模型，以在稳定渗流情况下的测压管实测水面线为参考，通过不断调整不同岩土分区的地质参数，找到能够和实测水面线耦合的计算参数，确定为该坝体结构相应的地质参数取值。再以此为基础，计算出正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位等高水位时大坝的渗流稳定性，判定大坝安全性能。详见表1、表2和图5。

表1 0+300断面测压管实测与有限元对比计算结果

图5 桩号0+300断面渗流计算断面图

根据表1和表2计算结果，测压管计算水位与实测水位基本一致，浸润线趋势相同，反演计算参数较为合理。

分析显示:大部分参数均与设计参数一致，下游堆填体（块石和砂土混合料）设计施工阶段和运行初期空隙较大，渗流通道较多，渗透系数也较大，多年运行后，该岩土结构在水力和重力作用下，不断沉降和固结，水力携裹部分黏性材料逐渐填充空隙，阻断渗流通道，导致渗漏系数减小，排水作用降低，致使浸润线后部稍有抬升，大坝下游出逸点升高。

4 坝体渗流稳定计算

本工程下游为草皮护坡，若在高水位运行时浸润线出逸点高于排水体顶高程，水流将冲刷下游坡面，降低下游坝坡稳定性，对大坝不利。本次根据反演坝段各分区渗透计算参数，通过建立数学模型，采用Geostudio软件中的SEEP/W模块分析坝体渗透稳定性。计算出正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位等高水位工况下的渗流状况，绘制坝体流网图，见图6、图7、图8，各工况下大坝坝体内最大渗透坡降值和渗流量见表3。

表3 0+300断面加固后渗流稳定计算结果

图6 0+300断面正常蓄水位81.97m稳定渗流计算成果

图7 0+300断面设计洪水位82.89m稳定渗流计算成果

图8 0+300断面校核洪水位83.36m稳定渗流计算成果

5 结 语

a.土坝运行多年后，坝体各分区在沉降及水力作用下，岩土孔隙和细粒含量会发生局部重分布，部分设计渗流参数会发生变化，在复核计算土坝渗流安全时需调整岩土渗透系数，通过监测资料反演，耦合出与实测值一致的参数对计算尤为重要。

b.本工程在长期水力作用下，大坝下游坝脚堆填体之间的渗流通道逐渐被细颗粒填充，堆填体渗透系数逐年减小，通过反演耦合，当前水位下的坝体浸润线与测压管实测水位一致情况时，该区岩土渗流系数仅为设计时r 1/4，排水作用下降；但就目前情况而言，该区渗流系数远大于坝体填土的渗透系数（为坝体土渗透系数的20倍），仍处于安全渗流状况。

c.渗流监测资料分析结果显示坝体内整体渗流较稳定，测压管水位变化趋势基本符合土坝渗流特性，混凝土防渗墙消杀水头明显，防渗效果较好，渗漏量较小。

d.通过本次基于测压管实测资料反演的渗流计算可知，在各种工况下大坝各分区材料及下游坝坡出逸坡降小于允许渗透坡降，渗流量和浸润线大幅降低，渗流稳定满足要求；经反演计算，下游侧堆填体渗透系数较设计时有所减小，排水能力下降，在今后运行过程中应加强观测。