锦江水库大坝防渗墙防渗设计研究

林小聪

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

1 工程概况

锦江水库位于广东省仁化县南部，北江一级支流锦江峡谷出口段，距仁化县7 km，以发电、防洪为主的枢纽工程。设计装机容量2.50 万kW，总库容1.89 亿m3。水库由拦河坝、电站厂房、开关站及上坝公路等等组成。拦河坝一座，为碾压混凝土重力坝段与石渣混凝土心墙坝段组成的混合坝。拦河坝长总229.00 m，坝顶宽度7.00 m，最大坝高62.45 m，坝顶高程140.45 m，坝顶设防浪墙，墙顶高程141.65 m。混凝土坝段布置左岸挡水坝段、溢流坝段及引水坝段，左岸及右岸分设长28.50、49.00 m混凝土防渗刺墙，墙厚2.00 m。自左岸～右岸顺序为：左岸挡水坝段（0+000～0+068）、溢流坝段（0+068～0+107）、引水坝段（0+107～0+132）、右岸挡水坝段（0+132～0+157）、石渣混凝土心墙坝段（0+157～0+229）；石渣混凝土心墙坝段通过衡重式挡墙与混凝土坝段连接。电站厂房紧接引水坝段下游布置，主厂房净宽15.40 m，高29.77 m，总长44.90 m（含安装间），主厂房尾水管以上分设水轮机层及发电机层，安装单机容量1.25万kW的水轮发电机组2台；副厂房净宽9.20 m，长45.30 m共四层，主要布置中控室、电气设备、通信设备及检修、值班、会议、休息室。开关站布置在厂房右侧山坡与公路之间，110 kV 地面高程102.80 m，平面尺寸为：39 m×34 m。水库中转码头位于水库右侧，距坝轴线约200 m，为斜坡式码头，通过198.70 m 长公路与上坝公路连接。上坝公路长178.61 m，路面宽7.00 m，进厂公路长102.00 m，路面宽7.00 m，均为混凝土路面。

锦江水库工程任务主要是防洪、发电和灌溉等综合效益。锦江水库原设计正常蓄水位135 m，库容1.45 亿m3；设计洪水位138.80 m，相应库容1.83 亿m3；混凝土重力坝段校核水位139.36（P=0.10%），相应库容1.89亿m3；石渣混凝土心墙坝段校核水位139.56 m（P=0.05%），相应库容1.92亿m3。

2 工程区气象水文

锦江水库工程所在地属亚热带季风型气候区，气候温和，雨量充沛，一般雨季来得早，春季阴雨连绵，夏日高温湿热，秋季少雨，冬有短期霜（冰）冻。据仁化气象站资料，仁化县年平均气温19.50℃，年极端最高气温40.20℃，极端最低气温-5.40℃，初霜于12 月上旬末，终霜于2 月初。年均蒸发量1 340 mm，多年平均降雨量1 662 mm，年最大降雨量2 060 mm，平均降雨天数153 d，一年中3—8月的降雨量占全年总降雨的73.50%，其中4—6月占47%。流域多年平均径流深940 mm，变幅在800～1 100 mm。坝址多年平均流量39.30 m3/s，多年平均年径流12.58 亿m3，坝址百年一遇洪峰流量2 300 m3/s，相应三天洪量2.08 亿m3，千年一遇洪峰流量3 090 m3/s，相应三天洪量2.78亿m2，年平均含砂量0.11 kg/m3。

3 工程运行渗流异常现象

工程日常巡查发现：①大坝：左岸挡水坝、引水坝水平施工缝有渗水流浆现象；②溢流坝闸门止水胶有漏水现象，流道完好；③引水坝坝后排气孔分仓水平分缝蜂窝漏水；④石碴坝上游、下游坝面由于被混凝土覆盖无法看出；⑤右岸下游边坡挡土墙修复后由于降雨仍继续少量滑坡现土已经溢出挡土墙；⑥廊道渗水稳定，坝体廊道内有渗水流出处均有析出物沉积现象。

锦江水库大坝坝基集水井渗漏量观测统计详见表1，上游水位与渗漏量相关系数见表2。

表1 1993—2019年坝基集水井渗流量统计表 单位：m3/h

表2 1999—2019年上游水位与渗漏量相关系数表

结合施工记录和统计数据看，1993 年刚蓄水时渗漏量较大，主要当时有一舱面冲洗出水口与上游连通，蓄水三日即被库水打通，造成此现象，后经灌浆封堵处理。至1994年3月31日左右岸灌浆帷幕完成后渗漏量明显减小；2000—2002 年间由于受0+193廊道坝块分缝（镀锌止水铁片锈蚀漏水）影响，总渗量增加约6 m3/h，经灌浆处理后2003 年至今情况趋于稳定，且渗漏量有逐年减小的迹象。正常年份渗漏总量与上游水位关系密切。

根据大坝局部渗流异常现象初步分析：①左岸挡水坝、引水坝水平部分施工缝有渗水流通道，导致渗流水漏浆；②）部分溢流坝闸门止水胶损坏；③引水坝坝后排气孔分仓水平分缝有蜂窝现象是由于施工碾压不充分造成；④坝体廊道内结构缝有变形，缝内止水效果减弱导致缝内有渗水和白色晶体析出。建议尽快针对大坝不同渗漏部位，原因采取有针对性解决措施，防治渗流事态进一步加大。

4 研究方法

4.1 计算模型构建

锦江水库大坝0+157～0+229 为石渣混凝土心墙坝段，坝身防渗采用混凝土心墙，心墙底与坝基防渗齿墙相接，石渣坝混凝土防渗心墙底部厚2.00 m，顶部0.05 m，中部有2 道水平缝，缝内设止水铜片；顺坝轴线方向每隔15 m 设结构缝，缝内设铜片止水及沥青模板充填。

根据石渣混凝土心墙坝段设计资料及地勘资料，此次复核拟按最不利原则，选取最大坝高断面作为石渣混凝土心墙坝段的典型计算断面，按照《碾压式土石坝设计规范》，对典型断面上游坝坡进行抗滑稳定复核，计算模型见图1。

图1 石渣混凝土心墙坝段的典型计算断面图

4.2 石渣混凝土心墙坝段渗流计算参数

根据《锦江水电站工程初步设计报告第五篇》相关资料，石渣混凝土心墙坝段堆石填料物理力学指标湿容重20.90 kN/m3，浮容重11.65 kN/m3，内摩擦角37.55°，渗透系数均值K=2×10-3cm/s；其余参数参照类似工程的经验值。

各坝段各土层物理力学指标如表3所示。

表3 坝体各土层物理力学参数表

4.3 计算方法及工况

此次复核采用有限元方法，按二维平面问题进行渗流计算。通过对土坝各工况的渗流场进行计算分析，判断土坝的渗透稳定情况。土坝渗流采用河海大学开发的Autobank6.00 软件进行计算。

4.3.1 浸润线计算

考虑到水和土的可压缩性，建立了符合达西定律的二维非均质各向异性土渗流基本方程：

该公式是土坝非稳定渗流的基本方程。当水和土壤不可压缩时，上述公式变为：

式（3）中：h 为边界水头，n为边界的外法线方向，Z 为浸润线上各点的几何坐标值。可以使用边界上每个节点的水头值绘制浸润线。

4.3.2 软件应用方法

软件的应用应按照以下程序进行：①启动autobank（相关的AutoCAD也相应启动）软件，进入软件主界面。②建模。在软件主界面建立模型；定义各种可能材料的渗透特性。如果是稳定渗流，只需给出渗透系数；在非稳定渗流情况下，需要给出渗透系数和产水量（可根据孔隙比使用程序中的经验公式计算产水量）。定义材质属性后，将值指定给相应的土层。③单位司。划分单元可分为两种方式：半自动网格划分或全自动网格划分。文章采用全自动三角测量方法。④定义边界条件。有固定水位边界、可能逃逸边界和水位变化边界；确定水位和水位与上游坡度交点后，从该点向上游绘制水位线，输入水位信息；绘制水位线后，从水位线与上游坡度的交点开始，沿接触面与水的每个拐点连接的线为渗透边界线。沿下游边坡连接拐点的线是可能的渗流边界。⑤保存图形文件并生成数据文件。⑥解决。求解渗流场。⑦后处理。检查各种渗流场成果，包括等位线、浸润线、速度等值线图、速度矢量图、水力梯度等值线图等。

4.3.3 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》第8.1.2 条，土石坝渗流计算按以下三种工况计算，大坝渗流计算的主要工况见表4。

表4 大坝渗流主要工况表

5 计算结果与分析

根据锦江水库均质土坝的结构断面及相关参数，采用上述计算分析方法进行渗流稳定性计算。根据岩土工程试验资料，大坝填筑料为全强风化料或残积料，严格意义上不是黏土均质坝。渗透系数如表4所示。autobank软件主界面建模如图1所示。图1 中的模型尺寸与原始剖面一致。根据全自动网格划分，网格划分为三角形单元。不同的颜色表示不同的土壤条件。对典型断面进行了相应工况的渗流计算，其渗流计算成果见图2～图4。

图2 石渣混凝土心墙坝段渗流工况1计算浸润线成果图

图3 石渣混凝土心墙坝段渗流工况2计算浸润线成果图

图4 石渣混凝土心墙坝段渗流工况3计算浸润线成果图

从各工况计算浸润线成果图可以看出：石渣混凝土心墙坝设有防渗混凝土心墙，防渗墙进入弱透水层——弱风化层，各种工况下等水头线在防渗混凝土心墙区域集中，水头骤减，表明大坝采用混凝土防渗墙的防渗措施，混凝土心墙底部与坝基常态混凝土相接，并于坝基混凝土齿槽相连，防渗墙顶部与坝顶连接，已超过水库校核洪水位139.56 m，起到了良好的防渗、截渗效果。由于渗流场在防渗混凝土心墙区域以下的水头降到很低，已基本与大坝下游坝区地下水位一致，防渗混凝土心墙上、下两侧设有反滤料，这些工程满足规范要求，运行效果良好。

6 结语

现场巡查发现大坝存在以下局部异常渗流现象：①左岸挡水坝、引水坝水平施工缝有渗水流浆现象；②溢流坝闸门止水胶有漏水现象，流道完好；③引水坝坝后排气孔分仓水平分缝蜂窝漏水；④廊道渗水稳定，坝体廊道内有渗水流出处均有析出物沉积现象。经过工程的防渗、排水系统结构复核及工程运行渗流异常现象复核，认为锦江水库大坝防渗和排水系统设计复核现行规范要求；大坝防渗、排水设施基本完善；通过观测资料分析，大坝渗透压力及渗流量变化趋势稳定，渗流量逐年减小。综合以上结论，锦江水库大坝渗透稳定安全评价为B级。