水库除险加固安全评价中坝体渗流的稳定性分析

张向勇

(韶关市华源水电建设有限公司，广东 韶关 512000)

水库除险加固中渗流安全评价是非常重要的内容。在坝与水库失事的事故统计中，约有1/4是由于渗流问题引起的，异常渗流可能导致流土、接触流土、管涌、冲刷、接触冲刷等破坏。因此，深入研究大坝渗流问题，控制渗流是非常重要的。

1 工程概况

始兴县位于广东北部，南岭山脉南麓，居北江上游、浈江中游地带，地跨E113°54′-E114°22′，N24°31′-N25°60′。流田水库位于始兴县沈所镇境内，坐落该镇南方村委会，位于南方村委会上南坑村西南约1.20 km处。水库总库容为142.74×104m3，灌溉面积200 hm2以上，保护人口2 000人，是以灌溉为主，兼顾防洪和水产养殖的小(Ⅰ)型水库，设定IV级的工程等别。其中,永久性水工建筑物为4级，包括大坝、输水隧洞和溢洪道等。

2 评价依据

2.1 工程等级及洪水标准

流田水库集雨面积为6.00 km2，总库容为142.74×104m3，灌溉面积200 hm2以上，保护人口2 000人。根据水利部《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2017)的有关规定，流田水库为IV级工程等别，库型为小(Ⅰ)型，主要永久性建筑物评定为4级，次要永久性建筑物评定为5级。

根据国家《防洪标准》(GB 50201-2014)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2017)的有关规定，Ⅳ等工程水库大坝(土石坝，坝高>15 m)必须根据30～50年一遇的洪水设计防洪标准，而校核标准是300～1 000年。因此，本文除险加固评价洪水标准仍采用50年一遇洪水设计、500年一遇洪水校核；永久性泄水建筑物消能防冲设计洪水标准为20年一遇，满足规范要求[1]。

2.2 地 震

流田水库地区的地震基本烈度无论历史还是近代都不超过Ⅵ度，主要以间歇性抬升主导新构造运动，该地区呈现比较稳定的新构造活动。地震在工程区内的动峰值加速度为0.05 g，地震谱特征表现在动加速度的周期为0.35 s，地震对应的烈度基本属于Ⅵ度，场区总体上属于构造稳定性较好的地区[2]。

2.3 水文特征参数

流田水库除险加固工程特征参数见表1，本次渗流安全稳定分析计算采用表1中水位。

表1 工程特性表

3 现场渗透监测

2008-2020年对大坝进行监测，流田水库大坝渗流压力监测设备共设有4排16支，并进行测压管高程校核，现状水库共设置有4排监测横断面，每个监测横断面间距47.70 m。共设置4条监测线；渗压观测仍采用电测水位计进行人工测量。每次水平测读2次，其读数差不大于1 cm，渗透监测基本满足《土石坝安全监测技术规范》(SL 551-2012)要求。

2020年，工程地质勘察工作为收集本地区相关地质资料和以上历史勘察成果，进行实地工程地质调查。野外勘察工作以库区地质测绘和现场取样为主，辅以地表调查，工作重点为对可能出现影响水库安全运行的工程缺陷和病险进行排查。通过渗透监测数据整编图表内容与计算值和预测值进行对比，大坝实测的浸润线与预测值、计算值偏差较小，总体误差在可接受范围内，因此渗透监测数据是可靠的[3]。

现场检查时，库区处于低水位状态，未发现大坝有渗漏现象，两岸坝肩及坝基均没有渗漏情况。本文主要对大坝进行渗流安全评价分析，加固后大坝渗流稳定计算结果与现场检测结果一致。

4 渗流安全评价

4.1 评价方法

流田库区为地形封闭的盆地，四周都是中度和低度高的山峦，未见大断裂的区域发育，基岩裂缝性成为地下水运动通道的主要特征，并呈现偏高的地下水位，本文仅对主坝作渗流安全分析。渗流安全评价主要方法：根据现场检查、运行管理资料、勘察报告分析，复核大坝安全运行现状；依据渗流复核成果、渗流监测资料进行综合分析，评价大坝渗流安全性[4]。

4.2 计算断面选取

结合《2020年流田水库大坝安全鉴定项目工程地质勘察报告》的地质资料与实测监测数据可知，上游为坝轴线以上50 m，下游从坝脚线向下100 m，大坝两端距坝50 m。流田水库大坝渗流稳定计算选取大坝加固后实测最大断面(图1)，按规范要求分别对加固后的大坝进行渗流稳定分析评价。

图1 水库坝体计算断面

5 渗流计算分析

5.1 计算方法

大坝计算参数、填料性质、布置等依据现场调查收集资料、钻探试验成果数据以及相关工程经验，作渗流计算分析时，选取大坝加固后实测最大断面进行计算分析。

5.1.1 计算参数选定

根据水库特征水位情况，计算剖面主要的物理力学参数见表2。

表2 大坝物理力学参数

5.1.2 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)的规则，根据实际运行中该水库可能发生的不良状况，模拟以下工况的计算：

常规的应用条件下，计算下游无水的稳定渗流：

工况1：置于280.90 m的正常蓄水位情况下。

工况2：置于282.83 m的洪水位情况下。

特殊应用条件Ⅰ：

在校核洪水位下，由于洪水历时很短，不足以形成稳定渗流，即在校核洪水位下形成稳定渗流的可能性不大，因此仅考虑水库水位的非常降落情况。

工况3：从校核洪水位(283.29 m)降落至正常蓄水位(280.90 m)时的非稳定渗流。

工况4：从正常蓄水位(280.90 m)降至死水位(262.75 m)时的非稳定渗流。

5.2 计算原理

根据流田水库大坝运行管理及工程实际情况，拟采用有限元法进行大坝渗流计算分析，其基本原理如下：

对符合达西定律的二向渗流，在各向异性的情况下，假定选择的坐标系与其渗透的主方向一致，且土体为不可压缩时，水头函数满足下述微分方程：

(1)

式中：θ=θ(x,y)为待计算的水头势函数；x、y为平面坐标；Kx、Ky分别为X、Y轴方向渗透系数。

水头θ要与特定的边界条件相符合，边界条件表现在下列几种情况：

1) 已经确定在上游边界上水头：

θ=θn

(2)

2) 与位置高程等同的逸出边界水头：

θ=z

(3)

3) 已经确定的某边界上渗流量q：

(4)

其中：lx、ly为边界表面向外法线在X、Y方向的余弦。

将渗流场用有限元离散，假定单元渗流场的水头函数势θ为多项式，由微分方程及边界条件确定问题的变分形式，可导出线性方程组：

[H]{θ}={F}

(5)

式中：[H]为渗透矩阵；{θ}为渗流场水头；{F}为节点渗流量。

求解以上方程组可以得到节点水头，据此求得单元的水力坡降、流速等物理量。求解渗流场的关键是确定浸润线位置，Autobank采用节点流量平衡法通过迭代计算自动确定浸润线位置和渗流量[5]。

5.3 计算及结论分析

5.3.1 计算结果

本次计算采用北京理正软件设计研究有限公司开发的“理正渗流分析软件”进行坝坡渗流有限元法分析计算。经计算结果如下：

加固后大坝渗流稳定计算结果见表3及图2，计算过程略。水库在正常蓄水位(280.90 m)下运行时，表3为计算稳定渗流浸润线结果，图2为等势线分布图。

图2 正常蓄水位下稳定渗流等势线分布图

表3 正常蓄水位运用形成稳定渗流浸润线计算结果

续表3

水库在设计洪水位(282.83 m)下运行时，形成稳定渗流浸润线计算结果见表4，等势线分布见图3。

表4 设计洪水位运用形成稳定渗流浸润线计算结果

续表4

图3 设计洪水位下稳定渗流等势线分布图

当库水位从校核洪水位降至正常蓄水位时，由于历时较短(计算累计时间约2.5 d)，应按库水位下降过程计算自由面下降位置。经计算，上游坝坡保持了约100%的水头，对坝坡稳定不利。但通过分析土坝坝坡稳定性，目前上游坝坡抗滑稳定系数的最小安全值为1.673，完全符合1.15的规范标准，显示坝坡的稳定性良好。见图4。

图4 校核洪水位降至正常水位时的非稳定渗流等势线分布图

当库水位从正常蓄水位降至死水位时，由于历时较长(计算累计时间约10 d)，应按库水位下降过程计算自由面下降位置。经计算，上游坝坡保持了约90%的水头，对坝坡稳定不利。但根据土坝坝坡稳定分析，此时上游坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.589，达到规范规定的1.15的要求，表明坝坡是稳定的。见图5。

图5 正常蓄水位降至死水位时的非稳定渗流等势线分布图

5.3.2 加固后大坝渗流稳定计算结论

未见有溢出坡面出现在稳定渗流背水坡上，水力坡度均在坡降下限值的范围内，说明大坝在稳定渗流期的安全性；在水位下降时期，不利于迎水坡渗流，通过计算和分析坝坡的稳定性，上游坝坡抗滑稳定系数在规范的最小系数之内，显示了坝坡的稳定性。

6 流田水库大坝渗流安全评价

大坝两岸基岩裸露，为弱风化，节理裂隙较发育，岩体透水率q值为3.99～4.5 Lu，相对不透水；分布在河床冲洪积层之下的碎石土，中密～密实，其渗透系数K值数量级为10-4，透水性中等。但根据运行期大坝逐月渗漏量观测数据显示，每年坝体渗漏量基本是保持稳定的，且坝体渗漏量没有明显的增加，因此坝体渗流还是安全的。据渗透稳定分析计算成果来看，坝体段不会发生渗透破坏，与现场检查结果一致，未发现大坝有渗漏现象。

7 结 论

通过综合分析水库主坝填料渗透特性、运行过程中的渗流情况、渗流复核计算成果、现场检查情况以及地质勘察成果可知，该水库大坝坝体填土渗透系数满足规范要求，经渗流分析，流田水库大坝渗流稳定安全，不会发生渗透破坏。从分析结果可见，坝体无渗流异常，不影响水库大坝安全，同时结合《始兴县公益性小型水库大坝安全评价项目沈所镇流田水库大坝安全评价报告》中流田水库渗流安全评价的评价结果，流田水库渗流安全评价等级为B级。