渗流、稳定计算软件在坝体渗漏处理方面的应用分析

李筱龙，王 博

（宝鸡市水利水电规划勘测设计院,陕西 宝鸡 721000）

二十世纪七八十年代为了解决防洪、群众饮用水、农田灌溉需求,国家号召各地区因地制宜兴建了一批水库,均质土坝因其造价低、就地取材、便于施工,成为了众多坝型中较为成熟的一种。这一批水库已运行多年,有效发挥了防洪、灌溉、水产养殖和为周边居民提供生活用水的作用。近年来,水库大坝背水坡出现严重渗水现象,导致水库已无法正常蓄水,常年低水位运行,严重影响周边居民正常生活和灌溉需求,解决水库蓄水问题刻不容缓。

1 工程概况

郝家坡水库位于千阳县张家塬镇寺坡村以东2 km处,距千阳县城12 km,坝址位于千河左岸冯坊河支流小河沟上,是一座以灌溉为主,兼有供水、防洪、养殖等作用的小（1）型水库。郝家坡水库通过与冯坊河西干渠引水工程联合运行,承担灌区调节蓄水,可实现总灌溉面积4.03 万亩,其中水库控制自流的设施灌溉面积3.0 万亩,通过坝顶渠道自流供给的控制灌溉面积1.03 万亩。在水库控制灌溉面积中有1.4 万亩为有效灌溉面积。同时水库还担负着1.2 万人的供水、防洪、农田灌溉任务。

水库原设计总库容172 万m3,有效库容125 万m3,滞洪库容20 万m3,死库容27 万m3。正常蓄水位913.00 m,设计洪水位913.70 m,校核洪水位914.50 m,死水位892.00 m。经统计知现在的实际蓄水位基本在906.30 m（2014.12.19）；906.80 m（2015.12.22）。

水库原设计工程等级为Ⅳ等工程,主要建筑物为4 级,其防洪标准为20 年一遇洪水设计,200 年一遇洪水校核。

大坝基础底高程872.00 m,坝顶高程915.68 m,坝高43.68 m,坝底最大宽度230 m,坝顶宽度6 m,坝顶长200 m,迎水坡坡比自上而下为1∶2.40、1∶2.75。背水坡1∶2.15、1∶2.5、1∶3。其中原排水棱体顶宽2.00 m,排水棱体内侧坡比为1∶3,外侧为1∶2。

2 问题分析

2.1 主要问题

经郝家坡水库管理站人员监测统计、相关技术人员现场踏勘,基本确定在郝家坡水库坝体的排水棱体（顶高程879.00 m）上部0.95 m处（高程为879.95 m）出现渗水现象,坡面土壤部分湿润、部分区域有水渗流出,而在排水棱体下部位置未出现稳定渗流情况。

2.2 问题分析

就目前所观测结果结合现有资料,经相关专业技术人员讨论得出以下几点结论：（1）参考2005 年除险加固所得浸润线出溢点应该位于排水棱体底部高程872.00 m处,而实际出溢点明显偏高,初步推论出排水棱体是否已失效使其无法发挥排水效能；（2）根据坝体横断面图及结构设计图可知大坝背水坡下部坡比为1∶3的坡面较缓,所设置排水棱体位置偏低,从而浸润线溢出点位置偏低。

针对以上问题,采用南京水利科学研究院编《土石坝二维渗流计算程序UNSST2》软件对大坝进行渗流计算分析：

土石坝的饱和渗流问题,其水头函数h（x, z , t）满足下式：

式中：h=h（x, z , t）为待求的水头函数； kx、kz为x、z 向的渗透系数；SS为单位贮水量, SS= 0为不可压。

相应的定解条件为：

式中：n为孔隙率；k为渗透系数,cm/s。

引用有限元法离散渗流域进行数值求解如下方程：

计算工况共计4种,具体分为：正常蓄水位下设置排水棱体（4-1）、正常蓄水位下未设置排水棱体（4-2）、实际蓄水位下设置排水棱体（4-3）、实际蓄水位下未设置排水棱体（4-4）；求解（6）方程组,得t=∆t时刻渗流场分布,引用中线法计算过流断面单宽渗量,计算结果见表1。

表1 稳定渗流计算结果

经过《土石坝二向稳定渗流计算程序unsst2》软件分析,在4-1、4-2、4-3、4-4 四种工况下计算所得浸润线出溢点高程分别为873.92 m、877.85 m、873.77 m、874.47 m,所计算工况下的浸润线出溢点均位于排水棱体顶端高程见图1、图2。

图1 正常蓄水位下未设置排水棱体出溢点高程（877.85m）

图2 正常蓄水位下设置排水棱体出溢点高程（873.92m）

郝家坡水库管理站人员实地监测所得水库浸润线观测统计情况见表2,可知浸润线的部分观测点高程在软件理论计算的浸润线之上,且部分观测点位置和理论计算浸润线相吻合,实际浸润线的出溢点位置在排水棱体之上,通过软件计算和实际监测情况所得结果均肯定了结论一,排除了结论二,这充分说明排水棱体已无法正常发挥排水效能,并且由于排水棱体排水不畅导致浸润线出溢点位置抬高、出溢点范围土壤基本形成饱和。

表2 郝家坡水库浸润线观测统计表

3 处理措施

根据《千阳县郝家坡水库除险加固工程地质勘察报告》可知大坝坝体填土的干密度平均值1.47 g/cm3,填筑土质量不均一,存在低密度区,坝体填筑土料的质量远没有达到《碾压土石坝设计规范》（SL 274-2001）标准和设计要求,且在大坝蓄水后,坝体发生了不均匀沉陷。具体实施方案为：

对现有排水棱体进行全部清除开挖,根据《千阳县郝家坡水库除险加固工程地质勘察报告》（2005年陕西省水利电力勘察设计研究院编）,建议开挖坡比1∶0.5~1∶0.75,设计初定为1∶0.5进行开挖,开挖线上部与边坡相交处高程为889.28 m,相交点水平距二台外侧6.9 m,距排水棱体顶部内侧29.6 m。

新修排水棱体与原有排水棱体大小、所处位置均一致,其底端高程872.00 m,顶端高程为879.00 m,内侧坡比为1∶3.0,外侧坡比为1∶2.0,棱体顶部宽2 m,底端宽为37 m。排水棱体的反滤层由3 层不同粒径的砂石料组成,层面大体与渗流方向正交,粒径顺着水流方向由细到粗,反滤料由厚度200 mm的砂（其中中砂占15%,粗砂占50%,2 mm~15 mm砾石占35%）、厚度200 mm的卵石（其中5 mm~20 mm砾石占60%,20 mm~40 mm占40%）、粒径控制在200 mm~400 mm的干砌块石三部分组成。

4 意见建议

常见的坝体排水形式有：（1）棱体排水：其优点在于可以降低坝体浸润线,防止坝坡土的渗流破坏和冻胀,同时可作为坝坡的支撑,有利于坝坡的稳定；（2）贴坡排水：可以防止坝坡土发生渗流破坏,保护坝坡免受下游波浪淘刷,但不能降低坝体浸润线。

在实际蓄水位906.80 m情况下,运用中国水利水电科学研究院编的《土质边坡稳定分析程序STAB2009》分别对开挖坡比为1∶0.5和1∶0.75、1∶1以及水库没有蓄水的情况下开挖坡比为1∶1之后的边坡进行稳定计算,计算结果见表3。

表3 边坡稳定计算结果

依据《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386-2007）水利水电工程Ⅳ边坡的最小安全系数为1.10,可知在现有蓄水位下进行排水棱体开挖工作存在边坡失稳的安全风险,经过边坡稳定计算分析,建议将现有水库蓄水排空后以开挖坡比为1∶1对现有排水棱体进行全部清除开挖工作,开挖线上部与边坡相交处高程为892.01 m,相交点水平距二台4.4 m,距背水坡脚58.44 m,开挖起点距排水棱体顶部内侧21.0 m。

5 结语

运用渗流分析、边坡稳定计算软件和水库运行监测管理所获得的基础数据,经对比分析,能够更准确地确定坝坡渗漏的具体位置和成因,二者相辅相成,减少了工程监测的误差,确定了边坡开挖的安全坡比,保障了边坡施工安全。