柳树沟水库大坝浸润线观测分析

金永超

（新疆沙湾县金沟河水管所，新疆 沙湾 832100）

1 工程概况

新疆沙湾县柳树沟水库位于天山北缘、金沟河与准格尔盆地南缘所形成的山前冲击平原，与沙湾县城相距24.8 km。柳树沟水库大坝为沥青砼心墙砂砾石坝，其建筑物等级为4 级。水库正常蓄水位425.88 m，死水位为419.68 m，坝顶高程427.40 m，防浪墙顶高程428.60 m，坝顶总长度4394 m，主坝段坝顶长755 m，坝顶宽8.0 m，坝底宽度63.7 m，东坝长1956 m，西坝长1683 m，最大坝高12.35 m。大坝上游坝坡坡比为1∶2.5，大坝下游坝坡坡比为1∶2.0，排水棱体顶宽3.0 m，坡比1∶1.9。大坝下游马道结合上坝公路设置，马道宽8.0 m。上游坝坡采用250 mm 厚的现浇C25 砼板护坡，下游坝坡采用150 mm厚预制网格梁护坡。水库自2000年投入运行以来，坝基和坝肩一度出现严重渗漏和坝坡散浸，于2017年对坝基和坝肩地进行了固结灌浆加固。

2 水库大坝地质条件

柳树沟水库位于山前丘陵区的金沟河和玛纳斯河河间冲洪积平原堆积带，以第四纪全新世冲洪积堆积为主。区域地质构造基本稳定，本区地震动峰值加速度为0.15 g（地震基本烈度为Ⅶ度）。库区地层由第四纪全新世冲洪积堆积（Q4al+pl）组成，岩性以粘性土和粉细砂为主，微～弱透水，地下水埋深由库区上游至下游由深变浅，地下水由南向北排泄。库岸无高陡边坡，相对稳定。

库区主要工程地质问题是：①水库淹没、浸没问题，当库水位在高水位时，将因风浪作用淹没两座泵房并危及西北侧居民住宅，坝后地下水位上升产生次生盐渍化及沼泽。建议沿库区周围多种植草木，并在坝后开挖排水渠，从而降低地下水位、减轻坝后的次生盐渍化；②水库区塌岸问题，对库区两岸陡直边坡及右岸单薄岸坡在库水位陡涨、骤降时将会加速塌岸过程，使水库在高水位运行时存在漫顶溃坝风险。

根据勘察结果水库大坝坝体存在如下质量问题：①坝体压实系数0.84，压实度较差，且不均匀，大坝土体具中等～高压缩性；②坝体土渗透系数4.29×10-4～7.82×10-4cm/s，按照《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001），均质坝土料压实后渗透系数指标应小于1×10-4cm/s；③大坝迎水坡无衬护，无非常溢洪道，且放水涵洞淤积严重，不利于大坝安全运行。

3 浸润线观测过程及结果

3.1 测点布设

本水库大坝浸润线观测设备为测压管，在测验管内设置渗压计和绳式电测水位计，5 d 观测数据为一组。根据水库大坝结构及观测需要，设置14个测点并以此编号为D1～D14，其中D1～D6 观测点设置在大坝横断面，主要用于坝顶及坝坡的浸润观测，D1 和D3 测点设置在坝体心墙墙体内，D2 测点设在防渗心墙后面基岩，D4～D6测点穿过水库大坝坝壳料设置；D7～D10 测点主要进行岸坡浸润线变动趋势监测；D11～D14测点主要进行岸坡固结灌浆防渗加固效果检测。

3.2 大坝主断面浸润线观测

库水位与坝体浸润线变动存在密切关系，为此，必须结合水库蓄水放水过程进行坝体浸润线观测分析。对柳树沟水库大坝主断面浸润线分析以测压管监测数据为主，库水位整体历经多次变动，峰值出现在每年3～4月，低谷则在7～8月，其余时段变化过程缓慢。主坝测压管水位变动与库水位变动趋势接近，测压管水位平均变幅为1.5 m，随着库水位高程的变化，D1 和D3 检测管水位波动趋于平稳，且检测管越靠近下游其波动幅度越小，说明水库坝体防渗结构性能稳定，坝壳排水性能良好。

坝体渗流观测及浸润线情况分析表明，在水库坝体结构、测点设置、不稳定渗流等影响下，在库水位开始变化到测压管水位出现相应变化之间存在时间延迟，浸润线比库水位变化滞后。在水库运行过程中，水位及砂砾石坝浸润线始终处于动态变化过程，而且坝体内无压渗流也呈不稳定变化，这种不稳定与滞后性难以避免。考虑到坝体内渗流场持续变动的情况，进行坝体浸润线观测分析时只能基于特征水位并按时间节点进行其内部渗流断面浸润线分析，但只要滞后时间长期保持稳定，浸润线便能在一定程度上反映出坝体稳定情况。此次对柳树沟水库大坝浸润线观测滞后时间为10～13 d，且较稳定，表明水库大坝坝体渗流基本稳定。

3.3 左右岸边坡浸润线观测

柳树沟水库大坝坝坡岩层破碎，绕渗可能性较大，水库除险加固过程中进行了两岸坝坡固结灌浆处理，左右岸坡设置的D11～D14测点主要用于防渗加固效果检测。对左右岸坡渗压水位变化进行分析，结果表明：坝肩测压管水位和库水位正向相关，库水位为425.88 m 时，右岸坝肩帷幕区测压管水位、马道水位、后坝坡水位分别为429.96 m、437.91 m、436.20 m；左岸坝肩帷幕区帷幕前后测压管水位分别为427.85 m、428.47 m。通过对帷幕防渗加固前后测压管水位变化情况的分析，渗压水头折减幅度小，而实测结果表示，大坝坝体并未出现渗流溢出及岩体潮湿问题。

柳树沟水库大坝坝肩浸润线超出设计标准主要由其左、右岸坝肩处渗压水位偏高导致，其坝肩渗压水位偏高主要由以下原因引起：库岸岸坡除险加固后山体中仍存在微弱渗流；岸坡岩层内孔隙发育，山体内孔隙毛细作用频繁且山体内排水不畅。固结灌浆加固前后渗压水位折减幅度不大，但坝肩渗流水位变动规律与库水位一致，所以水库左、右岸坝肩渗流基本稳定。

3.4 坝坡稳定性分析

为进行观测结果准确性验证，必须对水库稳定性进行理论计算，计算前进行大坝土体物理力学指标钻孔取样测试，设置6个钻孔，坝体钻孔检查取得土体样本40组，土体物理力学指标试验结果见表1。

表1 土体物理力学指标试验结果

柳树沟水库大坝心墙墙体为沙壤土，渗透系数低，随着库水位的急剧下降，坝体浸润线水位并不会表面出明显的波动，考虑到大坝安全运行实际，坝坡稳定性分析仍以稳定渗流期内心墙浸润线为基础，只考虑水库以外水位下降对水库大坝稳定性的影响。

稳定计算采用北京理正软件设计研究所的《稳定分析软件》进行计算，计算方法为瑞典圆弧法[1]。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）的规定，在柳树沟水库正常蓄水位上下游大坝坝坡、库水位急剧下降时上游坝坡及正常蓄水位遇7级地震时上下游坝坡3种工况下进行大坝坝坡抗滑稳定性分析[2]。

（1）工况一：正常蓄水位（425.88 m）稳定渗流期上、下游坝坡计算所得抗滑稳定安全系数分别为K上=2.930，K下=1.701＞[K允许]=1.25。

（2）工况二：①施工期的上、下游坝坡计算抗滑稳定安全系数分别为K上=2.392，K下=2.848＞[K允许]=1.15；②水库水位骤降时的上游坝坡，水位由正常蓄水位425.88 m，骤降至死水位419.68 m，上游坝坡计算抗滑稳定安全系数K上=2.271＞[K允许]=1.15。

（3）工况三：①正常运用遭遇地震（正常蓄水位425.88 m）上、下游坝坡稳定计算，抗滑稳定安全系数分别为K上=2.653，K下=1.613＞[K允许]=1.10；②水库水位在1/3 坝高时遭遇地震，水位在1/3 坝高（高程419.20），上游坝坡计算抗滑稳定安全系数为K上=2.448＞[K允许]=1.10。

柳树沟水库大坝结构基本稳定，大坝桩号0+100 断面在水位高于1/3 坝高遇地震工况时上游坝坡计算抗滑稳定安全系数为2.653，大于规范允许最小安全系数1.15；水库大坝桩号0+400 断面在正常蓄水位稳定渗流期遇地震工况时上游坝坡计算抗滑稳定安全系数为2.448，大于规范允许最小安全系数1.1，均满足规范要求。

4 结论

浸润线是水库大坝安全监测的重要项目。在水库大坝坝体和坝基位置设置测压管与渗压计进行观测，了解和掌握水库大坝内部及地基渗流场情况，是进行砂砾石坝内部渗流及运行安全程度判断的手段。柳树沟水库大坝采取防渗加固措施后，防渗抗渗体性能良好，坝体渗流稳定，渗流经心墙后通过预定排水通道排入坝后河道；两岸坝肩渗流稳定，坝肩岩体渗压水位偏高，应当加强观测分析。