赤金峡水库下游坝坡面渗漏及原因分析

刘正明

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

赤金峡水库位于甘肃省玉门市石油河中游赤金峡峡谷中，水库总库容3878万m3，灌溉面积18.31万亩，是一座以灌溉为主、兼顾防洪的Ⅲ等中型工程，主要建筑物由壤土斜心墙砂砾石坝、左岸溢洪道和泄洪排砂输水洞等组成[1]。水库大坝为粉质粘、壤土斜心墙防渗，砂砾和块碎石坝壳，最大坝35.6 m，坝顶264.8 m，坝顶高程1571.55 m，坝顶宽5 m。赤金峡水库工程于1958年动工兴建，分四期完成，一期壤土心墙砂砾石坝坝高17.5 m，坝顶高程1553.5 m，二期大坝加高至1556.4 m，三期坝顶升至高程1565.5 m，1996年完成四期建设，大坝加高6.1 m，加高部分为壤土斜墙坝至现有高程。扩建施工时由于资金困难，仅对右岸基岩进行帷幕灌浆和河床残留砂砾石层高压喷射灌浆处理，而左坝肩帷幕灌浆未实施，2003年对水库进行除险加固并通过验收，至今运行状况良好，2018年1月完成《甘肃省玉门市赤金峡水库大坝安全评价报告》，水库为一类坝。

2 大坝渗水过程及险情勘察

2.1 大坝渗水过程分析

赤金峡水库于2020年2月23日16时30分在库水位1569.86 m(水库正常蓄水位1569.89 m)下大坝后坝坡出现渗水，在坝轴线桩号坝横0+153 m，高程分别为1568.19 m和1568.86 m位置处出现2处渗湿点，渗湿影响范围顺坡长1.0 m，宽0.5 m，渗水点现场情况见图1。渗水量观测情况如下[2]：

图1 大坝后坝坡渗水点现场情况

(1)2月24日～25日，水库管理人员采取对现有渗水面进行标记网格划定法确定渗流点位置、高程及渗出范围，对各渗流点的渗出流量采用简易导流管量测，安排值班人员在夜间对坝面现场进行观察，密切关注渗漏点动态变化情况，做好观测记录、统计工作，并收集与渗水点相关的图片、视频资料等，进一步查找整理水库大坝相关图纸、文件资料，尽可能收集全面、详实资料。经量测1#渗水点(坝轴线0+153 m，高程1568.19 m)位置为最大渗水点，最大渗出量为8.73 L/s。

(2)2020年2月23日20时、21时、22时、23时、24时观测时，1#渗水点已结冰，2#渗水点为土壤渗湿状态，表面冻硬。

(3)2月24日1时～10时30分，1#渗水点均处于结冰状态；2#渗水点仍为土壤渗湿状态，表面冻硬。

(4)2月24日10时30分，水库水位为1569.86 m，1#渗水点出水口冰块开始融化，形成流量逐步增加，10时30分～17时30分，在1#渗水点附近约45 m2的坝面上，先后出现15处渗水点，其中有6处渗水点出现渗流现象，9处渗水点均呈现土壤渗湿现象，17时水库水位降至1569.79 m，仅有1#渗水点产生渗流，渗流量由15时的8.73 L/s减小至4.58 L/s，其它4处渗水点渗流现象自然消失，24日24时观测结果显示，上述所有渗水点渗流现象均消失，直至25日16时30分，所有渗水点再未出现渗流现象，测压管水位、坝后渗流量均未出现异常波动。

(5)2月25日开始，水库因渗漏问题开始降水位运行，水位从1569.86 m降至1569.50以下运行，坝后渗流量为7.48 L/s～6.19 L/s，与2019年同期渗流观测资料相比略有增加(2019年同期坝后渗流量为6.46 L/s～6.05 L/s)，但库水位～坝后渗流量关系相对稳定。

2.2 坝顶渗水通道揭示情况

2月27日下午，水库管理所在坝顶桩号0+148 m～0+161 m段开挖了1条平行坝轴线的探槽，槽边距上游防浪墙约80 cm，槽底挖至壤土斜墙顶部(复测顶部高程为1569.57 m)，分三层开挖，在每层开挖面上详细查找是否有裂缝存在，开挖完成后，在0+148 m～0+153 m处有5 m长出现渗水，在0+153 m～0+161 m有8 m长未出现渗水，探槽中未见裂缝，探槽渗水情况见图2。

图2 探槽渗水情况现场照片

2月29日在桩号0+148 m～0+148.8 m和0+153 m～0+153.8 m处，开挖了2条垂直坝轴线的探槽，探查防浪墙部位的坝体构造，开挖至1570.83 m出现混凝土，至高程1569.7 m为混凝土底面，开挖至1569.7 m和1569.6 m之间出现0～10 cm厚度不等的砂砾石垫层夹层(即渗水通道)，用钢钎探查在桩号0+153 m处最大深度可达120 cm，依次认为此处为贯通渗漏通道(原浆砌石防浪墙底部设计宽度140 cm)，继续探查1569.6 m～1569.3 m为浆砌石，再挖为壤土，防浪墙基础探查情况见图3。

图3 防浪墙基础探查现场情况

3月2日又在桩号0+106.5 m～0+111.5 m和0+168.3 m～0+176.5 m开挖了2条平行坝轴线的探槽，槽边距上游防浪墙40 cm，分别开挖至1570.80 m和1570.86 m出现防浪墙基础混凝土，挖至高程1569.60和1569.70 m槽底出现斜墙壤土顶部，再开挖至1569.7 m和1569.6 m之出现防浪墙浆砌石，经挖探，混凝土防浪墙与浆砌石基础之间存在0～5 cm厚度不等的砂砾石垫层夹层，用钢钎探查深度10 cm～20 cm，依次认为夹层不贯通，开挖段探槽两侧和底部壤土斜墙均未发现可见裂缝。其他两处探槽情况见图4。

图4 探坑1和3现场照片情况

2.3 特征高程复测

探槽出现渗水(或至壤土斜墙)后我院立即安排技术人员复测相应高程，实测四个断面(0+107、0+151、0+170、0+174.2)，斜墙顶部高程在1569.59 m～1569.67 m之间，坝顶高程在1571.41 m～1571.52 m之间，与甘肃省水利水电勘测设计院设计图纸(大坝纵横剖面图)标注高程(坝顶高程1571.55 m，斜墙坝壤土高程为1569.90 m)相比，实际坝顶高程比设计低3 cm～14 cm，壤土斜墙顶高程比设计低23 cm～31 cm。

2.4 现场勘察结论

根据我院技术人员勘测复核，大坝渗水情况存在以下问题：

(1)壤土斜墙顶高程在1569.57 m～1569.67 m之间，比设计值低23 cm～33 cm，比同期库水位1569.86 m低19 cm～29 cm，与后坝坡溢出点对应的斜墙顶部，有宽约5 m渗水范围，渗水表面可见气泡。

(2)防浪墙由浆砌石和混凝土两种材料建成，1569.60 m以下为浆砌石，以上为混凝土，但在结合面上存在0～10 cm厚度不等的砂砾石夹层，钢钎探查其深度10 cm～120 cm，桩号0+153处存在贯通渗漏通道。

(3)所有开挖段探槽两侧和底部壤土斜墙顶均未发现可见裂缝。

2.5 大坝安全监测资料分析

在赤金峡水库险情处置期间，水库管理人员提供了2019年2月和2020年2月的渗流观测成果，水位渗流量过程线见图5。

图5 赤金峡水库水位渗流量过程线图

根据水位渗流量过程线图可以说明以下问题：

(1)后坝坡出现渗水时，同期库水位1569.86 m(比水库正常蓄水位低3 cm)，后坝坡渗水点2处高程分别为1568.86 m和1568.19 m，与同期库水位的高差分别为1.0 m和1.67 m，坝后渗出点高，渗水出露，说明有明显的渗漏通道。

(2)根据渗流量观测资料，2020年2月22日，库水位1569.5 m时，渗流量开始突变，渗流量增大的趋势明显，由4.5 L/s增加至5.5 L/s；2020年2月23日，库水位1569.80 m时，渗流量开始突变，明显增加，由5.5 L/s增加至7.5 L/s。说明渗流通道不是今年才形成的，通道高程应在1569.50 m左右。

(3)根据2020年2月24日～3月22日水库水情观测资料，最高库水位1569.86 m，最低库水位1569.05 m，坝后渗流量8.1 L/s～6.19 L/s，最大库水位为2月24日，最大渗流量出现在2月27日(坝后渗流反映相应滞后3天)，自2月27日开始至今，库水位降至1569.50 m以下运行，渗流量稳定在7 L/s左右。

观测资料分析结论：①现状斜墙顶高程低于设计值23 cm～31 cm，主要是沉降原因造成的；②大坝存在渗流通道，高程应在1569.50 m左右。

3 大坝结构复核分析

西北勘测设计研究院有限公司于2018年12月完成了《甘肃省玉门市赤金峡水库安全评价报告》[3]，距今也只有一年多时间，对大坝的结构、渗流等问题进行了系统的复核和评价，结论也是明确的，即坝体历经多次改扩建和加固，上下游坝坡抗滑稳定计算满足规范要求，现场检查及运行中未发现渗流异常现象，大坝坝体坝基渗流和反滤排水设施完善，除两岸坝肩外均满足现行规程规范要求，大坝渗流性态安全性评价为A级，本文我们认可西北院关于大坝抗滑稳定、渗流稳定的结论，不再复核。根据本次勘察和原设计资料，拟合了现状坝顶结构，见图6。

图6 坝横0+153断面坝顶现状细部结构图

3.1 坝顶超高复核

根据《碾压式土石坝设计规范》，坝顶高程按四种运用条件计算，取其最大值，坝顶超高计算结果见表1。

表1 坝项超高计算表

计算结果表明，坝顶超高由正常运行条件下正常蓄水位工况控制。计算防浪墙顶高程为1572.50 m，考虑防浪墙高程1.2 m，计算坝顶高程为1571.30 m。

混凝土防浪墙顶实际高程为1572.80 m，坝顶防浪墙高度1.2 m，坝顶高程为1571.55 m。满足现行《碾压式土石坝设计规范》中关于坝顶超高和坝顶高程计算的要求。

3.2 坝顶构造复核

(1)坝顶宽度复核

壤土斜心墙砂砾石坝最大坝高35.6 m，属于中坝，坝顶宽度5 m，满足交通、观测等方面的要求，符合规范关于坝顶宽度的要求。

(2)防浪墙构造复核

现状防浪墙由浆砌石和混凝土两种材料筑成，高程1569.60 m以下为浆砌石基础，以上为混凝土，但在结合面上存在0～5 cm厚度不等的砾石夹层。

现状防浪墙底部浆砌石，没有设置防渗层，是一种透水材料。浆砌石与混凝土之间存在0～5 cm厚度不等的砾石夹层，透水性更强，防浪墙不满足“应坚固不透水”的规范要求。

现状防浪墙，可视为在混凝土防浪墙与壤土斜墙之间夹了一层浆砌石、砂砾石(0～5 cm)，防浪墙不满足规范要求。

3.3 防渗体复核

(1)顶部水平宽度复核

现状大坝壤土斜墙顶部水平宽度为2.30 m，不满足规范要求。

(2)顶部高程复核

现状坝横0+151断面壤土斜墙顶部高程1569.59 m，较原设计高程1569.90 m低0.31 m，比正常蓄水位1569.89 m低0.30 m，防渗体顶部高程不满足规范要求。

(3)顶部保护层厚度复核

现状壤土斜墙上游面设有0.73 m厚的砂砾石保护层，满足规范土质防渗体斜墙上游面设保护层的要求，且保护层厚度满足冻结深度、施工机械和坡度稳定的要求。

4 结论及建议

通过大坝险情勘察、观测资料分析、大坝结构复核，认为本次渗水的原因是：

(1)上游防浪墙与壤土斜墙没有做到“紧密结合”，存在渗水通道。防浪墙由浆砌石和混凝土两种材料筑成，高程1569.60 m以下为浆砌石基础，以上为混凝土，在材料分界面上存在0～10 cm厚度不等的砾石夹层，夹层深度10 cm～120 cm，浆砌石与砂砾石夹层构成了渗水通道，桩号0+153处存在贯通渗漏通道(此处夹层深度达120 cm)。

(2)壤土斜墙现状顶高程为1569.57 m～1569.70 m，比原设计高程1569.90 m低20 cm～33 cm，比同期库水位1569.86 m低16 cm～29 cm。桩号0+148～0+153 m段壤土斜墙顶高程最低，顶高程为1569.57 m～1569.59 m，因此当库水位高于1569.57 m时，水流越过壤土斜墙顶部，从后坝坡溢出，壤土斜墙顶部为渗流通道。

(3)分析本次渗水过程为：库水位高于1569.57 m时，水流从桩号0+148 m～0+153 m段防浪墙底部的砂砾石夹层贯通通道流向下游，越过壤土斜墙顶部，从后坝坡溢出。

(4)建议措施：①拆除坝顶道路、防浪墙，挖除现状防渗体顶面以上的填筑砂碎石，开挖面以上填筑壤土斜墙、砂碎石，壤土斜墙顶面高于正常蓄水位，并预留竣工后的沉降超高；②新建防浪墙扩大基础，并做好防浪墙底部与基础的衔接。