德党河水库大坝防渗设计及三维渗流分析

2021-10-22寸银川刘宇宽

水利技术监督 2021年9期

寸银川，刘宇宽

(大理州水利水电勘测设计研究院，云南大理 671000)

1 工程概况及基本地质情况

德党河水库位于永德县永康河支流德党河上，距县城2km。水库功能是为下游永康镇、小勐统镇提供农业灌溉用水和农村安全饮水。水库总库容5317万m3，年供水量5012万m3，其中农田灌溉供水4683万m3，灌溉面积9.8万亩，解决农村饮水安全供水329万m3。德党河水库规模为中型，枢纽区建筑物大坝为2级建筑物(坝高75.6m，为高坝)，溢洪道、输水隧洞、导流泄洪隧洞为3级建筑物。

德党河呈南西—北东向纵贯德党小盆地东侧，河道左岸地形相对开阔，山坡面向德党河缓坡倾斜，右岸为斜坡—陡坡地形。坝址左岸表面为N2洪积堆积层，厚度约22.1～41.6m，堆积层为褐红色含砾石粘土、碎(卵)砾石土，下伏T3nn页岩、长石砂岩、T3d1玄武岩。河床段地表冲洪积层较薄，下伏T3nn页岩、长石砂岩基岩。右岸地形复杂，起伏变化较大，岸坡匀称性差，地形坡度陡缓变化大，地表残坡积(Qedl)碎石土层较薄，下部T3nn页岩、长石砂岩地层倾向与坡向构成反向坡。坝址附近主要发育F1、F2及f1三条断层。

2 坝体及基础防渗设计

德党河水库大坝为粘土心墙石碴坝，坝高75.6m，坝长576.0m。坝顶兼作县城东西两城区连接公路，存在交通要求，根据城市交通道路路面宽度标准及坝体结构要求，确定坝顶宽度为22.0m，道路为双向四车道。

德党河水库坝体采用粘土心墙防渗，心墙轴线位于坝轴线上游侧，距坝轴线8.5m，心墙顶部高程为1448.60m，高于校核洪水位0.33m，顶宽5.0m，心墙上、下游坡比为1∶0.25，底部最大宽度为41.55m。心墙底部设有结合槽，结合槽深不小于1.5m。由于左坝段坝0+000～坝0+257心墙基础座落于N2砂砾石粘土堆积层上，所以坝0+015～坝0+257段的盖板采用C20钢筋混凝土，钢筋混凝土盖板垂直坡面厚0.8m；坝0+257～坝0+573段的盖板采用C20混凝土，混凝土盖板垂直坡面厚0.8、0.3m。根据反滤要求、层厚计算及施工条件要求，心墙上、下游侧设两层反滤过渡层，上游各层的水平宽度均为2.0m，下游各层的水平宽度均为3.0m。

大坝坝基、两坝肩采用帷幕灌浆和混凝土防渗墙相结合的防渗方式，帷幕顶界以正常蓄水位1445.65m控制。左岸防渗边界从左坝肩向外延长64m，右岸防渗边界从右坝肩延长304m，帷幕灌浆轴线全长944m。

左岸坡及左坝段坝0-062.7～坝0+257段N2砂砾石粘土堆积层因透水体呈水平层状分布，该类地层灌浆施工难度大，灌浆效果差，结合该地段的地形特点及坝体分期填筑施工安排情况，该段上部N2地层采用混凝土防渗墙，N2地层下伏基岩采用单排帷幕灌浆，孔距1.0m，帷幕灌浆与混凝土防渗墙垂直搭接长度5m，混凝土防渗墙厚0.4m，抗渗标号W6。河床及右岸段坝0+206～坝0+600.14段作用水头较高，布置成双排帷幕，排距1.0m，孔距2.0m；右岸坝0+600.14～坝0+880段因防渗线相对较长，从地面到灌浆底界深123～178m，施工难度大，质量难以保证。因此，在右岸坡防渗帷幕灌浆分别在高程1450.8m和1400.8m处设上、下排灌浆平硐进行帷幕灌浆，帷幕灌浆设单排帷幕，孔距1.0m。

坝基帷幕灌浆底界深入相对不透水层不少于5m。帷幕灌浆的防渗标准为透水率q≤5lu，采用纯水泥浆灌浆。混凝土防渗墙厚40cm，采用C10粘土混凝土，粘土掺入量15%，抗渗标号W6。

3 水库枢纽三维渗流场的建立

德党河水库坝基及两岸地形起伏多变，地层复杂，枢纽区附近存在F1、F2及f1等断层。为了提高计算结果的准确性，在德党河水库三维渗流场有限元计算分析中，根据水库枢纽的设计情况以及坝址区水文地质资料，本次渗流场计算模型包括坝壳石碴料、反滤过渡层、粘土心墙、坝基覆盖层、混凝土盖板、排水棱体、防渗墙、防渗帷幕、地基等分区，其中根据工程地质勘察报告，在大坝左岸第三系N2地层。考虑分期施工过程，对模型沿高度方向进行单元分组。模型整体坐标系采用右手坐标系，取顺水流方向为X的正方向；竖直向上为Z轴正方向，沿坝轴方向从右岸到左岸为Y轴正向。其中，坝肩和坝基岩体模拟范围向左右岸各延伸约1倍坝高，上、下游及底面边界各向外延伸约3倍坝高。模型离散后共生成139499个节点，单元136285个，模型的主要单元类型为8节点六面体等参单元，为使网格协调，采用一定数量的6结点5面体、4结点4面体等单元过渡，在保证各控制点高程准确的情况下，对模型进行了适当简化，水库粘土心墙石碴坝整体渗流场如图1所示。

图1 德党河水库粘土心墙石碴坝整体渗流场

4 渗流分析计算

渗流控制设计是德党河水库枢纽建筑物设计重要内容之一，设计控制重点为：①控制粘土心墙、坝壳料、混凝土防渗墙及灌浆帷幕等部位下游的剩余水头，降低下游坝体及两岸坡上的渗流逸出高度，确保下游坝坡及岸坡的稳定性，避免坝体各部位及坝基的渗透变形破坏，确保坝体、坝基和坝肩等渗流稳定性，尤其关注左岸N2地层的渗透稳定；②控制流量，使渗漏损失量控制在允许范围内，充分利用水资源。

本次德党河水库枢纽三维渗流有限元计算分析工作也将主要从这些方面对各计算方案结果进行分析。计算结果图包括区域整体地下水位分布图、典型剖面的水头等值线图等；计算结果包括典型材料的最大渗透梯度统计、关键部位水位计算成果表和各部位的渗流量计算成果表等。

根据水库的坝体高度、基础边界条件、坝体布置及防渗控制范围，确定计算区域边界，上下游、左右岸截取边界以及底边界均视为隔水边界面；对于地表边界，坝体防渗轴线上游侧，低于库水位的地方为已知水头边界(水库正常蓄水位为1445.65m)；在坝轴线下游侧，同样低于下游水位的地方为已知水头边界条件，高于下游水位的地方均设为可能渗流逸出面。

4.1 计算参数

渗流计算分析中坝壳石碴料、反滤过渡层、坝基覆盖层采用试验获得的渗透系数试验结果。由于粘土心墙的渗透系数现场监测值很难达到室内试验值7.52×10-7cm/s，故结合多座同类粘土心墙坝工程现场实际监测统计成果，模型中心墙料渗透系数采用1.0×10-5cm/s。排水棱体、防渗帷幕的渗透系数采用设计值。根据工程地质勘察报告，坝基、N2地层及F1断层的渗透系数采用地质勘察试验值，各分区渗流系数见表1。

表1 渗流计算渗透系数采用值表

4.2 设计工况及内容

计算工况及计算结果分析，参考土石坝设计施工规范及水库以后调度运行情况，本次三维渗流有限元计算分析工况主要依据以下几点设置原则：①考虑大坝在当前防渗设计方案下，水库正常蓄水位运行时坝体和坝基的渗流场特性，给出和分析渗流场水头分布以及渗透梯度和渗流量的大小，并评估坝体及坝基的渗透稳定性；②水位骤降情况下，上游坝体进行渗透稳定分析；③正常运行工况下两岸绕坝渗流分析。

4.3 水力梯度分析及渗流量分析

从三维图难以看出流线情况，为了直观地对计算分析成果进行表达，除绘制区域的整体渗流浸润面外，还采用剖面渗流场进行描述，各典型剖面位置为坝0+80、坝0+160、坝0+380、坝0+520。

由于靠近坝肩处0+80及0+520断面较小，为方便查看了解流网状态，只截取了0+380断面，如图2所示，其它部位以表列出关键部位的成果。

图2 坝0+380典型断面渗流结果

从计算成果可知大坝渗漏主要集中在坝基及心墙。从各图等势线分布来看，等势线主要集中在大坝心墙、防渗墙及防渗帷幕部位，基岩体中的等水头线分布合乎规律，围绕防渗帷幕底端呈现常规形态的扩散状分布。心墙上游侧孔隙水压力随深度增加而增大，下游侧孔隙水压力急剧减小，消杀水头达80%～90%以上，说明心墙及帷幕组成的防渗系统防渗效果较好。各断面正常水位工况下渗流计算结果见表2，显示各断面的粘土心墙、反滤Ⅰ、反滤Ⅱ及下游坝坡逸出点渗透坡降均小于对应材料的临界坡降，满足规范要求。

表2 各断面正常水位工况下渗流计算结果

4.4 水位骤降情况下上游渗流

水库运行期可能出现紧急形成骤降情况，需分析判断是否存在由于坝体内的孔隙水压不能及时随坡外水压的消失而消散，将产生指向坡外的反向非稳定渗流，可能导致上游坝体出现渗透破坏。因此，有必要对骤降工况下的上游坝体进行渗透稳定分析。经计算骤降时坝内浸润线如图3所示，成果为水库从正常水位骤降至死水位工况下典型断面流网图，由于粘土心墙料与坝壳石碴料的渗透性能存在一定差异，此处出现了较为明显的反向渗流，浸润线无法随水位同步降落。根据计算结果，上游坝坡出逸处渗透坡降为0.10，反滤Ⅰ向上游反渗出逸处的渗透坡降为1.12，反滤Ⅱ向上游反渗出逸处的渗透坡降为0.078，粘土心墙向上游反渗出逸处的渗透坡降为0.35，由前述材料的允许渗透坡降可知，骤降工况下水库上游坝体不会出现渗透破坏情况。

图3 正常蓄水位骤降至死水位工况下典型断面渗流结果

4.5 绕坝渗流分析

德党河水库坝址附近主要发育F1、F2及f1三条断层。其中F1、F2纵贯库内外，与下游德党河贯通，坝前f1断层与库外及低邻谷贯通。因此，对两岸进行绕坝渗流控制分析十分必要。正常水位下防渗轴线处渗流计算结果如图4所示，其中虚线为地质勘察时钻孔勘察得出的地下水位线，在F1断层附近水位形成低槽区，经防渗处理后计算结果显示，蓄水后此处则较为稳定。左右两岸三维计算结果如图5—6所示，孔压自上而下递增，等值线分布近乎平直，渗透坡降均低于允许值。从整体情况来看，地势较低处的孔压相对较高，且由上游水头边界向下游侧递减。根据不同部位及地层情况，德党河水库采取混凝土防渗墙、单排、双排帷幕灌浆等综合方案进行防渗处理，发生两岸严重绕坝渗漏的可能性不大。