榆林李家梁水库砂坝渗流安全及成因分析

高 杰， 谈叶飞， 张 凯， 张建飞

(1.陕西省水资源与河库调度管理中心，西安 718900；2.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，南京 210029；3.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029；4.李家梁水库管理处，榆林 719000)

水库大坝是水利工程中最为常见的工程形式，是保障水库安全运行的重要设施[1-3]。根据筑坝材料的不同，大坝的性质也存在显著差异。在中国西北地区，由于戈壁沙漠等地质环境的存在，许多水库因地制宜，采用当地砂子进行筑坝。由于砂体本身的渗透性较大，坝体松软，在工程运行中更容易出现渗透破坏等现象[4]，严重影响水库大坝的安全运行，因此有必要对此类砂坝的渗漏情况进行典型计算分析，为类似工程提供安全依据[5-8]。李家梁水库位于陕西省榆林市西北40 km处的孟家湾乡曹家梁村，工程建在无定河流域榆溪河右岸一级支流的圪求河下游河段，距离榆林市区仅40 km，总库容2 340×104m3，是一座以工农业供水为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的中型水库(图1)。大坝坝型为土工膜防渗均质砂坝，最大坝高25 m，坝顶高程1 170.00 m，防浪墙顶高程1 171.20 m，坝顶宽8.0 m，坝顶长874 m，原上、下游坝坡坡比自上而下为1∶3.00和1∶3.50，上游高程1 158.00 m、下游高程1 160.00 m变坡处各设置一条宽3.0 m马道。复合土工膜铺设在上游坝坡，上覆厚10 cm现浇混凝土板护坡，坝前及两岸也铺设复合土工膜，向上游延伸100 m，下游坝坡采用植物护坡。李家梁水库自2006年蓄水运行以来，坝后出现多处不同程度的集中渗流问题(图2)。虽然期间进行过工程处理，但目前坝后排水沟内，特别是在左岸(桩号0+331)处仍可见明显的集中渗漏现象，一旦水位上升，仍然有砂冒现象，逐渐掏空坝体及坝基，破坏大坝结构，水库一旦出现问题，将严重影响下游榆林市人民群众生命财产安全。此砂坝的结构及布置形式在当地砂坝中具有代表性，许多类似砂坝也都存在相似的渗流破坏现象，因此，急需对李家梁大坝渗流安全进行全面分析，为大坝除险加固提供技术支撑[9-11]，所得成果也将对其他类似大坝的安全运行提供参考。

图1 李家梁水库大坝全景

图2 坝脚集中渗漏点

1 工程地质条件

大坝为均质砂坝，坝基处理时，仅清除杂草和表面松土，坝基第四系松散积砂类土厚度大于70 m，下部为不连续砂壤土层。

2 坝体填筑及渗流监测

大坝采用两岸风积沙丘或沙梁以水力冲填形式筑坝，坝基处理时清除了杂草和表面松土。上游坝坡采用土工膜防渗，混凝土护坡，厚度10 cm，下游坝坡采用植物护坡。坝体填筑料为两岸风积砂土，要求清除料场开挖区内的树木、灌木、农作物、杂草、垃圾及地表上的其他堆积物。料场开挖后的边坡坡度不陡于1∶1.50。填筑料控制干密度为1.58 g/cm3，含水率为8%。经检测坝填土和坝基土力学指标见表1。

为降低坝体内部浸润线，减小渗漏破坏，对坝体反滤进行了重建，其结构如图3所示。

前期埋设的21支渗压计均损坏无法观测，管理单位于2015年11月补埋了9支，大坝最大断面三支，编号P1～P3；左岸绕坝渗漏监测三支，编号P10、P14和P15；右岸绕坝渗漏监测三支，编号P17、P19和P21。渗压计观测至今，频次为1次/月[8]。坝体渗压汁埋设位置如图4所示。

表1 坝基土体物理力学指标建议值

图3 坝体下游反滤体结构图

图4 坝体渗压计埋设位置

3 渗流安全分析

3.1 相关性及断面浸润线分析

将现有的9个测点观测数据与库水位变化进行相关性拟合可知，结果如图5所示，测点水头变化与库水位有着较强的相关性，相关系数基本都在0.8以上，观测数据能反映出左右岸均存在一定程度的绕渗。

选取0+300断面(P1、P2和P3组成的断面)作为典型断面，选用典型日(2017年10月3日)的库水位(1 164.5 m)及渗压计测值绘制坝体浸润线，并计算位势。典型断面浸润线如图6所示，叶300断面位势见表2。

位势计算公式为

(1)

图6 P1、P2和P3断面典型日浸润线

式(1)中：αi为第i个渗压计的位势，%；H1为库水位，m；H2为下游水位，m；Hi为第i个渗压计实测水位，m。

由图6和表2可知：

(1)浸润线经过坝前防渗土工膜后明显降低，自上游向下游各支渗压计位势降幅依次为68.7%、76.4%和87.2%，水头削减明显，表明目前坝体土工膜防渗性能较好，大坝坝体浸润线分布规律符合一般土工膜防渗砂坝规律。

(2)排水体附近浸润线明显降低，排水效果明显。

表2 0+300断面位势统计表

3.2 渗流有限元反演

结合监测资料成果，建立了符合工程实际运行条件的有限元模型，对大坝各特征水位下渗流场进行了模拟。

3.2.1 计算断面

选择最大断面作为渗流有限元分析典型断面，典型断面材料分区如图7所示。坝基底部存在渗透系数相对较小的壤土夹层，但由于其在坝址部位埋深较深(高程约1 106 m)且分布不连续，从偏安全角度考虑，将坝基作为均一材料，并根据实测浸润线资料进行参数调整，使其更接近实际情况。根据运行表现情况，以排水渠底板高程作为下游边界，上游面及坝前100 m范围内的复合土工膜作为不透水边界进行有限元模拟。

图7 有限元计算模型及网格

3.2.2 初始渗透系数及调参

前期勘察和后期坝后渗漏处理阶段所得材料分区渗透系数差别较大，考虑到后期渗漏处理时，大坝已经建成运行多年，对坝体坝基再次进行勘察采样将破坏其完整性，对安全产生不利影响，因此后期采样选择了坝下游邻近地段，但其采样点附近坝体和坝基已出现渗透破坏，且勘察取样深度小于3 m，其结果无法正确反映材料的真实特征。因此，本次计算采用前期勘察阶段的材料系数作为初始参数，详见表3。

考虑到大坝运行中的自然沉降压缩以及坝基中含有较小渗透系数的壤土夹层等因素，经多次模拟计算逼近，调整后的材料参数见表4。

利用库水位1 164.50 m和1 164.00 m时，0+300断面的观测水位作为目标值进行了对比和调参计算，相应的计算结果及对比见表5。

表3 大坝材料分区渗透系数初始取值表

表4 大坝材料分区渗透系数调整取值表

表5 大坝渗流调参前后计算成果与观测结果比较表

对比调参前后浸润线计算位置与实测位置，调整后的参数所得计算结果与实测值拟合更好，利用此套参数的计算结果比原参数更接近实际，因此利用此套参数对各工况进行了复核计算。

3.3 特征水位下渗流场计算分析

3.3.1 计算工况

根据工程运行的特征水位选取计算工况，开展稳定渗流场计算，具体见表6。

表6 渗流场计算工况表

图8 大坝典型断面水头等值线分布及坡脚处矢量图

3.3.2 渗流有限元计算成果

(1)允许渗透坡降。根据勘察结果，从大坝破坏现状及安全角度考虑，坝基土允许坡降为0.125，坝体土允许坡降为0.123。

(2)渗流有限元计算成果。大坝计算断面各工况下水头等值线如图8所示，渗流要素统计成果见表7。

由图8和表7可知：

(1)各计算工况下大坝浸润线分布符合一般规律，坝前防渗及排水效果明显。

(2)各计算工况下排水渠底部渗透坡降在0.189～0.241，大于坝基土允许渗透坡降0.125。该处设有反滤，能在一定程度上提高允许坡降，但坝基在前期运行中已受到渗透破坏，且由于受左岸绕渗影响会提高地下水流速，长期运行下，细颗粒仍会向渠底移动形成挟砂出逸。

表7 坝脚渠底渗透坡降统计表

4 结论

通过对李家梁水库砂坝的观测资料分析，并利用二维有限元法对典型断面开展各工况条件下的渗流计算，得到以下结论。

(1) 观测资料分析表明，目前条件下大坝坝体防渗系统满足运行要求，但左岸地下水位高，绕渗情况较严重。大坝左坝肩及坝基多个深度范围内存在中砂夹层是造成坝后渗漏的主要原因，此外本工程属水坠砂坝，水力冲填过程中是由左岸至右岸输沙的，在输沙过程中，粗颗粒先沉积在左岸，总体上左岸坝体渗透性大于右岸，也是造成左岸渗漏情况严重的原因之一。

(2) 各计算工况下排水渠底部渗透坡降在0.189～0.241，大于坝基土允许渗透坡降0.125。由于坝基在前期运行时已受渗透破坏，而后期渗漏处理时并未对破坏的坝基内部渗漏通道进行修复，特别是在左岸，由于中砂夹层的存在，渗透性强、地下水位高、绕坝渗漏量大，当库水位进一步抬升时，坝后涌水冒沙情况会加剧，出逸处的渗透坡降不满足稳定要求。

综上所述，目前李家梁水库大坝存在严重的渗流安全问题，需限制水位运行，采取工程措施解决集中渗漏和渗透坡降过大问题，保障下游安全。考虑到我国西北地区广泛存在的防渗膜防渗的砂坝，其结构和筑坝材料性质类似，局部出现渗透坡降过大现象是导致坝体受损破坏的主要因素，利用现有观测资料进行渗流分析和计算，并根据结果综合判断坝体的渗流安全性是保障此类水库大坝安全运行的有效方式。