云峰水库土石坝渗流条件及其稳定性研究

徐 铭，张 宇，赵 敬，卢 斌，巩 炎，郑福杰，谢兴华

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.岳西县水利局，安徽 岳西 246600)

1 工程概况

云峰水库所处区域主要分布地层为五台～吕梁期混合花岗岩(Mγ1- 22)和近代人工填土层(Qs)。五台～吕梁期混合花岗岩(Mγ1- 22)表层一般呈全风化状态；近代人工填土层(Qs)主要分布于水库大坝坝身，填土成份主要以灰、黄色中粗砂为主，土体一般呈松散状态。水库地处大别山高山区，库周山峰高程均在1000.00m以上，地势起伏，大坝坝顶高程1016.30m左右，坝后地面高程999.00m左右。工程区域内地下水类型为第四系孔隙水和基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于全风化花岗岩、人工填土中。工程区地下水主要受大气降水补给，以地表蒸发、向水库及坝后排泄为主要排泄方式；裂隙水分布于强～弱基岩裂隙中，主要受库水及大气降水补给，以地表蒸发和向坝后排泄为主要排泄方式。

水库工程等别为Ⅴ等小(2)型工程，主要建筑物5级。设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为300年一遇。水库工程由大坝、溢洪道和放水隧洞组成：①大坝为粘土心墙坝，坝顶高程为1016.30m，坝顶宽3m，坝长80m，最大坝高15.3m，大坝迎水坡坡比为1∶2.8、背水坡坡比为1∶2.3。②溢洪道位于大坝右岸，依低洼山体开挖而成，为开敞式溢洪道，总长92m，进口底高程1013.30m，底宽2m。溢洪道建于强风化基岩上，进口段底板、边墙为浆砌石结构，陡坡段底板、边墙为混凝土浇筑，消力池为浆砌石，结构基本完整。③放水隧洞位于大坝右端山体内，为1.6m×1.8m城门洞型，洞底高程1003.00m，全长77m，隧洞用C20钢筋混凝土进行全洞衬砌，衬砌厚度25cm。放水隧洞进口采用封闭的岸塔式结构，进口底高程1003.00m，由喇叭口，闸槽段、启闭平台及便桥等部分组成。自进口开始内套钢管，钢管进口段设4m长混凝土堵头，出口闸阀控制放水。

2 水库大坝防渗控制措施

大坝为粘土心墙坝，上游齿墙深入全风化层1.5m，坝体采用土工膜防渗体系，坝肩及坝基采用帷幕灌浆防渗。由于云峰水库坝基下存在强透水的风化层，为延长地下水渗流路径，防止坝基发生渗透破坏，在上游坝脚处设置截水槽，灌浆孔布置在截水槽下，并向左岸山体延伸40m，右岸山体延伸30m(含溢洪道)，单排孔，孔间距2.0m，帷幕底至弱风化层。施工前，根据试验确定坝基风化层的可灌性，再确定帷幕底进入弱风化层的深度，并重新核定坝基帷幕灌浆的范围及深度。灌浆方法采用自上而下分段孔内循环法灌注，灌浆材料采用普通硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5级。

3 模型构建

为了全面反映云峰水库在运行期间的运行状态，考虑当地实际工程情况，构建二维有限元渗流计算模型。计算时选用Geostudio软件中的seep模块处理饱和非饱和土体渗流问题，采用自动剖分法进行网格剖分，有限元模型采用三角形四边形进行离散。根据工程所在地区的工程地质和水文地质条件，将典型断面按照材料和渗透系数的不同进行分区，分为地基、帷幕灌浆、复合土工膜、砂壳、大坝心墙等5种，将土体透水性均概化为非均质各向同性，计算典型断面渗流量及渗透坡降。坝体模型分区及渗流边界示意图如图1所示。

3.1 计算模型

假设水体在土石坝内流动符合达西定律，忽略水的可压缩性以及土体孔隙中气体的影响，本文计算渗流模型选取符合达西定律的非均质各向异性不可压缩流体的二维空间稳定渗流，其渗流域内任一点水头函数h应满足下述基本方程式：

(1)

式中，x、y—横纵坐标；kx、ky—x、y方向的水力传导系数；h—待求水头函数，h(x，y)。

与方程(1)式相对应的定解条件为：

流量边界以及饱和溢出面边界：

(2)

水头边界：

h|Γ1=h1(x，y，z)

(3)

其中边界面：

Γ=Γ1+Γ2+Γ3

(4)

式中，Г1—第一类边界，如上、下游水位边界，自由渗出段边界等已知水头边界；Г2—不透水边界和潜流边界等第二类边界，即已知流量边界；Г3—自由面边界，在其上q=0，自由面上任一点需满足h=z。

3.2 计算工况

为全面反映云峰水库大坝在正常运行条件及非正常运行条件下大坝渗流状态，根据导则的有关规定，计算工况采用正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位3种工况进行计算。云峰水库正常蓄水位1013.30m，对应下游水位999.00m；设计洪水位1014.24m，对应下游水位999.00m；校核洪水位1014.98m，对应下游水位999.00m，具体工况见表1。

表1 计算工况表

3.3 材料分区与渗透系数计算参数

在云峰水库灌浆帷幕中，通过压力灌浆法采用自上而下分段灌浆方式进行灌浆，灌浆帷幕底进入弱风化层。一般情况下，防渗帷幕的渗透系数可达到1.0×10-5cm/s，而且帷幕灌浆的渗透系数与灌浆工法以及地层岩性相关。因此，典型断面帷幕灌浆区域的渗透系数定义为1.0×10-5cm/s，典型断面的其他区域材料参数的选取，主要依据可研报告、初设报告、地质勘察报告、工程类比以及GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》等。大坝有限元计算模型材料分区为地基土、灌浆帷幕、复合土工膜、砂壳、大坝心墙等5种。典型断面的各材料分区渗透系数取值见表2。

表2 土石坝模型分区材料渗透系数

图1 坝体模型分区及渗流边界示意图

3.4 计算断面

考虑到大坝现状，根据大坝运行、观测资料，在河床坝段选取具有代表性的典型断面进行渗流计算。针对土石坝断面建立二维有限元网络模型。模型范围自坝踵起向上游延伸61.50m、自坝趾起向下游延伸40.50m、深度向下延伸68.50m。划分的单位，采用四边形和三角形网格，全局单元大概尺寸为1m。土石坝段共剖分9523个单元，共9685个节点，土石坝段有限元网格模型如图2所示。

4 渗流计算分析

4.1 渗流场计算结果

根据二维有限元渗流计算，得到各计算工况下稳定渗流的渗流等水头线。如图3—5所示分别是正常蓄水位、设计洪水位以及校核洪水位下坝体典型断面内渗流场分布。由图3—5浸润线分布可知，在不同工况下典型断面的渗流场等水头线分布均匀，等水头线走势以及密度基本一致。浸润线在经过土工膜后显著降低，说明土工膜防渗体系起到了主要的防渗功能，坝体内浸润面位置不高，浸润线出心墙后进一步降低，渗透水流主要集中在坝基附近，出口位于排水棱体底部，可见大坝心墙具有显著的挡水作用。因此，根据计算结果可知，水能在通过土工膜及心墙后大幅减小，坝体内渗流自由面比较低，大部分属于疏干区，土工膜及土石坝心墙形成了比较完善的联合防渗体系。

4.2 渗透坡降及渗流量

坝体典型断面在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位工况下，单宽坝段(含坝基)的坝基坡降及渗透流量[6]见表3。在进行渗流稳定计算分析时，应恰当的选取临界坡降值以判断坝体渗流稳定。由于缺乏试验资料，根据云峰水库地质勘察资料，采用经验公式计算来确定一个合理的临界水力坡降。临界坡降计算的毛昶熙公式[7]为：

(5)

通过查阅云峰水库地勘资料可知n=0.051、d5=0.002mm、d15=0.0052mm、d85=1.8mm。通过计算得到临界坡降Jc=0.51。

图2 云峰水库大坝断面模型网格剖分图

图3 土石坝段正常蓄水位渗流等水头线图

图4 土石坝段设计洪水位渗流等水头线图

图5 土石坝段校核洪水位渗流等水头线图

表3 各类无粘性土的破坏坡降和允许坡降

表3中，由于临界坡降计算值Jc=0.51，属于过渡性渗透破坏形式，安全系数取为1.5。因此，云峰水库坝基允许渗透坡降为0.34。

渗流计算成果见表4，由表4可见：

表4 土石坝段渗流计算成果表

(1)各工况下在出逸高程处的坝基坡降都比较大，各个工况下的坝基渗透坡降均位于坝基允许渗透坡降范围内，基本满足渗流稳定要求。在设计洪水位及校核洪水位的工况下坝基坡降最大为0.34，恰好等于临界水力坡降临界最大值，在水库水位过高的情况下可能引起坝基附近发生渗透破坏。针对这种情况要做好水库的除险加固工作，应采取延长渗径，减小坝基坡降的抗渗措施，且在极端天气下要加强对水库的监测，防止渗透坡降过大，发生渗透破坏。

(2)坝体单宽流量较大，坝体在土工膜、帷幕灌浆以及粘土心墙等联合防渗体系下渗流量是比较小的，而坝基位于全风化花岗岩以及人工填土的地层中，基岩的渗透系数比较大，具有较强的透水能力。

综上所述，坝体典型断面的渗漏量比较大，根据现场勘察发现，下游坝脚存在渗漏，地表沼泽化。

5 结论

(1)大坝形成了相对完整的防渗体系，但是该体系分两个阶段建成，连接部位的密封情况不明。

(2)在不同工况下典型断面的渗流场等水头线分布均匀，等水头线走势以及密度基本一致。

(3)大坝渗流复核计算结果显示基础渗流量较大，浸润面位置不高，出渗点在排水棱体底部，未在坝坡出渗。出口坡降小于基岩强风化层的抗渗坡降，渗流基本稳定。但要密切观察下游出渗情况，特别是库水位较高时，一旦出现流量增大或浑水出渗，应立即采取措施处理，确保大坝安全。