泗安水库加固前后大坝渗流特征有限元分析

刘 雷，鲍志强

（1.浙江华东工程建设管理有限公司，浙江 杭州 311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概况

长兴县泗安水库位于西苕溪泗安塘上游，坝址位于长兴县泗安镇境内，距泗安镇4.5 km。坝址以上控制流域面积108 km2，主流长度19.5 km，总库容5000 万m3，发电装机容量320 kW，是一座以防洪为主，结合灌溉、发电等综合利用的中型水库。保护下游泗安镇、林城镇15 万人口和24 万亩农田，以及318 国道、沪渝高速、杭长高速、04 省道、宣杭铁路部分重要交通设施的防洪安全，水库设计灌溉面积2 万亩。

本次除险加固初步设计复核泗安水库工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3 级，次要建筑物为4 级。水库防洪标准100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核。相应水库正常蓄水位12.62 m，设计洪水位16.52 m，校核洪水位17.47 m。

泗安水库原设计是一座以防洪为主，兼有灌溉、发电等综合利用功能的中型水库，曾多次续建和加固，运行近50年来，充分发挥了拦洪削峰蓄水的作用，缓解了下游防洪压力，较好地解决了下游灌区农田灌溉用水问题，但因泗安水库大坝排水设施不满足规范要求，易造成渗流和稳定隐患；大坝坝体填筑质量较差，不满足规范要求，且大坝局部地段和坝基均存在渗漏隐患；大坝坝肩存在接触渗漏；泄洪闸和坝体之间存在接触渗漏，消力池破损，存在结构隐患和渗流隐患，影响大坝安全；大坝存在白蚁危害，影响大坝安全运行，工程效益得不到充分发挥。因年久失修隐患不断发展，愈来愈严重地影响水库的安全运行。因此，对泗安水库枢纽工程进行除险加固是非常必要和十分紧迫的。

2 工程病险现状及主要工程措施

2.1 泗安水库病险现状

①泗安水库大坝坝体填料碾压不均一，多处坝段压实度较低，坝体渗透系数偏大，整体防渗效果较差；②设计洪水位和校核洪水位工况下，大坝浸润线出溢点较高，易产生渗透破坏；③坝基中下部存在中等透水砂砾石层，是基础渗漏的主要通道；④左右坝肩存在严重的绕渗问题。

大坝抗滑稳定计算结果表明：在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位等工况下，上下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范允许值；在施工期条件下，上游坝坡抗滑稳定安全系数小于规范允许值，坝坡稳定不满足规范要求。其现场检查照片见图1。

图1 大坝病险现状

遵照水利部《水库大坝安全鉴定办法》等有关文件，湖州市水利局组织专家对泗安水库工程进行安全鉴定，主要结论如下：目前，大坝上游护坡砌石破损、松动，块石粒径偏小；大坝坝体填筑质量差，渗透系数局部偏大，非常运行工况下坝体浸润线高，基础和坝肩存在中等透水层，是渗流的主要通道。

2.2 大坝工程措施

大坝坝基表层分布8 m～10 m 厚相对不透水的粉质粘土，中间夹中等透水性的砂砾石或粉细砂，具微承压性，下部为弱透水性岩基，在保证渗透稳定的情况下，可不作处理。根据原安全鉴定资料分析，左坝头全、强风化泥质粉砂岩渗透性为中等透水，存在绕坝渗漏，建议左坝头进行帷幕灌浆处理，但根据工程经验判断泥质粉砂岩渗透性较小，风化后局部呈粘土状，可灌性较差，建议在灌浆之前进行试验孔，再综合考虑灌浆材料和工艺。

（1）大坝防渗处理

本次设计对坝体背水坡填筑粘土进行拼宽放坡，充分做好防渗及相关反滤排水设计，根据渗流稳定计算，坝体加固后渗流稳定可满足规范要求。

泗安水库现状坝顶高程19.13 m～19.5 m，本次设计大坝坝顶高程取20.2 m，最大坝高14.03 m，大坝顶宽由5 m 拼宽至10 m。

迎水坡马道位置保持原设计不变，马道高程设计高程为13.1 m，宽2 m，以下保持原设计边坡不动，一级坝坡放缓至1∶2.0；坝顶高程20.2 m，坝顶宽度10 m，迎水侧拆除原浆砌块石防浪墙，新设高0.7 m 坝前挡墙，上设花岗岩复合栏杆，背水侧设排水沟及路缘石；背水坡一级边坡1∶2.0，二级边坡1∶2.5，马道高程13.2 m，宽5.4 m，坝脚处设堆石排水棱体，顶宽3 m、棱体顶高程11.00m～13.2 m。

（2）坝坡加固

针对大坝填筑压实度低，不满足规范要求，迎水坡及背水坡偏陡，坝顶宽度偏窄等问题，需对坝坡进行加固处理。迎水坡马道位置保持原设计不变，一级坝坡放缓至1∶2.0，设30 cm 厚粗料石护坡；坝顶宽度由原设计的5 m 调整为10 m；背水坡拼宽放坡，背坡一级坝坡由原设计的1∶1.75 和1∶2.50 统一调整为1∶2.00，背水坡防护采用草皮护坡。

（3）坝顶改造

本次加固设计坝顶高程为20.2 m，坝顶宽10 m，设计拆除原浆砌石防浪墙，新建高0.7 m 坝前挡墙，上设花岗岩复合栏杆，宽0.5 m，之后依次设置1.5 m 宽人行道，5 m 宽坝顶路面，0.6 m 宽电缆沟，2 m 宽绿化带和0.4 m 宽路缘石。其改造前后见图2。

图2 迎水坡马道位置剖面图

本次设计抛石镇压层加固处理范围为原迎水坡马道位置。抛石采用坝体上部现状大坝开挖块石护坡料，石料应选用岩性均匀，无风化，遇水不软化成崩体的坚硬岩石，不得使用含有风化软弱夹层、粘土类及黄铁矿等杂物的石料，饱和抗压强度大于40 MPa。加宽坝体材料采用含砾的粉质粘土，其与原坝体粉质黏土的粒径组含量百分比见表1。

表1 坝体填筑料粒径组含量百分比统计表

可见，大坝坝体填筑土粉、粘粒含量高，砾石及砂含量少，土质较均匀；大坝后期加固土和镇压层土填筑土粉、粘粒含量稍低，砾石及砂含量高，且砾石含量变化大，土质均匀性差，这与现场钻探情况相一致。

为保障水库的安全运行，我们还可以采用土石方开挖及老坝体干砌石、防浪墙拆除、坝体拼宽放坡填筑、充填灌浆、帷幕灌浆、上下游护坡等工程措施对大坝进行出险加固设计。

3 大坝除险加固渗流分析

3.1 数值模型建立

（1）参数确定

对大坝坝体填筑料开展基础物理力学性质测试工作，并委托浙江省水利水电工程质量检验站进行检测。岩样物理力学性质测试包括：杨氏模量、孔隙度、固结过程中的内聚力、摩擦角和渗透系数等。大坝坝体填筑料的物理力学参数具体见表2。

表2 大坝坝体填筑料物理力学特性

（2）物理模型与定解条件

渗流计算分析采用COMSOL5.4 有限元法进行计算。泗安水库迎水坡马道处坝体最大断面的工程实践进行简化，模拟计算正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位三种不同工况下渗流特征，其计算模型取用迎水坡马道处坝体最大断面，见图3。

图3 数值模拟断面及物理模型图

如图3 所示，水库不同工况下水位水面高度为水渗流提供动力，模型右侧为可能的溢出面。该大坝坝体主要由2 层填土组成，为1-3 层粉质粘土和1-4 层含砾粉质粘土，1-3 层粉质粘土为坝体防渗填土，1-4 含砾粉质粘土为下游侧加固填土和镇压层填土。现迎水坡马道处坝体出险加固是在原迎水坡马道处坝体下游侧坝顶宽度由原设计的5 m 调整为10 m，加大坝体宽度，分别观测两种条件下坝体渗流特征。

3.2 不同工况下坝体渗流特征

（1）原迎水坡马道处坝体渗流特征利用所构建的坝体有限元计算模型，探究不同工况下原坝体渗流特征，分别计算Ⅰ正常蓄水位、Ⅱ设计洪水位及Ⅲ校核洪水位条件下坝体内压降特征和达西渗流特征。根据颜色变化判断坝体不同位置渗流特征，见图4。

图4 原迎水坡马道处坝体渗流特征

如图4 所示，原迎水坡马道处坝体在正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位条件下随着水位的上升，坝体内部压降越快，渗流速度越大（箭头越密越大），且坝体内部浸润线不断上升，坝体内部浸润部分越大。当水位达到校核洪水位条件时，如图5（f）所示，大量水可能从坝体下游渗出，给坝体带来危害。

（2）现迎水坡马道处坝体渗流特征

利用所构建的坝体有限元计算模型，探究不同工况下现坝体渗流特征，分别计算Ⅰ正常蓄水位、Ⅱ设计洪水位及Ⅲ校核洪水位条件下坝体内压降特征和达西渗流特征。根据颜色变化判断坝体不同位置渗流特征，见图5。

图5 现迎水坡马道处坝体渗流特征

如图5 所示，当原迎水坡马道处坝体下游侧坝顶宽度由原设计的5 m 调整为10 m 后，现迎水坡马道处坝体在正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位条件下具有与原迎水坡马道处坝体类似的渗流特征。对比原现水坡马道处坝体渗流特征，可以看出现坝体内部渗流速度相对较小（箭头越疏越小），原现坝体内部浸润线相对减小，坝体内部浸润部分降低。特别是在加宽坝体处压降线和达西渗流出现明显转折，溢出面有变小的趋势。因此加宽坝体宽度在一定程度提高了坝体防渗性能，保证泗安水库安全运行。

4 结论

根据地质勘察资料，大坝部分坝段填筑质量较差，坝体渗透系数偏大，在校核洪水工况下坝体浸润线出溢点较高计划对大坝进行防渗加固处理。因此采用土石方开挖及老坝体干砌石、防浪墙拆除、坝体拼宽放坡填筑、充填灌浆、帷幕灌浆、上下游护坡等工程措施对大坝进行除险加固设计。利用COMSOL 软件模拟坝体背水坡填筑粘土进行拼宽放坡方案，探究正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位三种不同工况下坝体渗透特性，得出拼宽放坡提高了坝体防渗性能，可保证泗安水库安全运行。