花凉亭水库大坝渗漏及安全性研究

徐子满 刘晓琳 位敏 何良金

摘要：花凉亭水库于2016年7月和2020年7月先后达到了水库历史最高水位，在经受了洪水考验的同时也暴露出下游坝脚存在局部渗水渗砂安全隐患。结合现场地质勘察成果，通过安全监测资料分析以及二维和三维渗流有限元计算分析，对大坝渗流安全进行了系统性研究。结果表明：大坝渗流设施完善，但存在左坝肩绕渗、左侧山体地下水补给影响、坝脚排水棱体反滤失效等安全隱患。

关键词：黏土心墙坝; 渗漏分析; 安全性评价; 混凝土防渗墙; 渗流监测;三维有限元; 花凉亭水库

中图法分类号：TV698 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.016

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0085 - 07

0 引 言

水库大坝是国家重大基础设施，是经济社会发展和国家重大战略实施的基本保障[1]。大坝安全事关防洪安全、供水安全、粮食安全、能源安全、生态安全[2]，是国家水安全和公共安全的重要组成部分。目前，中国有各类水库大坝9.8万多座，其中土石坝占比92%以上，这些水库中约80%建于20世纪50～70年代[3]。限于当时的经济技术条件，这一时期建设的水库大坝存在较多安全隐患，大坝渗流问题突出 [4]。

大坝渗流安全对水库大坝整体安全具有重要影响。据调查统计，国内外大坝的失事原因中，因渗流问题而失事的比例仅次于洪水漫顶，高达30%～40% [5]。对土石坝而言，除渗透水流浸湿土体造成强度指标降低外，当渗透力达到一定程度时还可能导致坝坡滑动、防渗体被击穿、坝基管涌、流土等重大渗流事故，直接影响大坝安全[6]。因此，大坝渗漏分析及安全性评价对确保水库大坝安全运行具有重要意义。

1 工程概况

花凉亭水库位于长江流域皖河支流长河上游，在安徽省安庆市太湖县城西北约5 km处，水库控制流域面积1 870 km2，总库容23.66亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼有发电、供水、养殖、航运、旅游等综合利用的大（1）型水利枢纽工程。水库正常蓄水位88.0 m，设计洪水位95.21 m，校核洪水位97.30 m。水库于1958年8月动工兴建，1960年6月开始蓄水，1976年基本建成并初步发挥效益，后经多次续建和加固，现由大坝、溢洪道、泄洪隧洞、放空隧洞以及电站等建（构）筑物组成[1]。大坝为设有混凝土防渗墙的黏土心墙砂壳坝，混凝土防渗墙位于原坝轴线上游侧0.4 m，坝顶高程99.25 m，最大坝高58.0 m，坝顶长566 m。大坝上游坝坡坡比自上而下依次为1∶2.75， 1∶3.00， 1∶3.00， 1∶3.50和1∶3.50，高程72.0 m以上坝坡采用混凝土预制块护坡，高程66.5～72.0 m坝坡采用干砌石护坡，其中在高程88.5， 88.0 m和72.0 m分别设置马道或平台;下游坝坡坡比自上而下依次为1∶2.35， 1∶2.50， 1∶3.00， 1∶3.75和1∶1.80，高程66.0 m以上坝坡采用混凝土格构草皮护坡，高程53.5～66.0 m采用混凝土预制块护坡，高程53.5 m以下为排水棱体，下游坝脚靠右侧设长约300 m集渗沟，沟底高程43.0 m。坝体黏土心墙断面复杂，上下游坝壳为中砂和风化土，坝基设水平黏土铺盖防渗。

2016年7月6日库水位达85.67 m时，下游左侧坝脚高程48.70 m出现集中渗水点，并伴有少量砂粒，于2017年对渗水部位排水棱体进行了翻修处理。2018年12月20日，库水位74.94 m，坝脚集渗沟左端有股状水流流出，流量0.11 L/s。2020年6月下旬，水库所在区域发生持续性强降雨，随后水库坝脚集渗沟排水棱体出现渗砂现象（图1～2），并伴有水流声，由于受后坝脚受下游尾水及集渗沟水位上涨影响，无法观测集渗沟排水棱体渗水点的渗水渗砂现象，大坝左侧下游坝脚R46测压管管口出现溢流现象，管口溢流持续约60 d后逐渐减小，溢流水量最大值约0.03 L/s[7]。

2 大坝工程地质条件

大坝坝基地层为第四系冲积物（[Qal4]）及下伏的太古界大别山群桥岭组（Arq）基岩。岩性主要为黑云母片麻岩、混合花岗岩、角闪斜长片麻岩及角闪片麻岩。坝基岩体相对不透水层顶板（透水率q<5 Lu）呈左右两侧高、中部低。

（1） 左岸坝基段（D0+360至左岸山体段）。左岸坝基段在建坝时经过了稍微削坡，风化岩体未彻底清除，山体单薄，基岩面上缓下陡，坡度10°～24°。地层岩性为太古界大别山群桥岭组（Arq）角闪片麻岩、黑云母片麻岩及混合花岗岩夹角闪斜长岩脉，发育两组裂隙，全风化带岩石强度很低，手可揉成砂，岩石破碎，风化裂隙发育，厚1～5 m;强风化带岩石破碎，风化裂隙发育，厚0.8～16 m;弱风化带岩石较破碎，裂隙较发育，厚6～24 m;微新岩石完整，裂隙不发育。坝基全、强风化带片麻岩及岩脉渗透系数为i×10-5 cm/s（i的取值范围1～10），弱风化带片麻岩及岩脉的透水率q为0.50～15.81 Lu，微风化片麻岩透水率q多在2.0 Lu以下。

（2） 河床段（D0+098～D0+360）。河床段为原河床，坝基上部为第四系冲积层（[Qal4]），主要为中粗砂、含砾中粗砂等，含泥量较高，夹少量粉质壤土及淤泥层，厚度一般为8～11 m，最厚处达14 m，坝基中粗砂在建坝时采取了爆炸震密处理。河床段下伏基岩为黑云斜长片麻岩夹黑云二长片麻岩及斜长角闪岩、角闪石片麻岩、钾长片麻岩，基岩顶面高程为31～35 m。坝基岩体中发育一条顺层小断层F2，其破碎带宽2 m左右，为构造角砾岩及断层泥，透水率较大，局部达92.0 Lu。河床段岩体风化不均一，强风化带岩石强度较低，岩石破碎，风化裂隙发育，厚3～14 m，在河床中部沿断层上盘形成一个风化槽;弱风化带岩石裂隙较发育，厚4～7 m;微新岩石完整，裂隙不发育。

（3） 右岸基岩段（D0+000～D0+098）。右岸基岩岩性为太古界大别山群桥岭组（Arq）黑云母石英片麻岩夹二长片麻岩夹榴辉岩及混合花岗岩，片理产状185°～230°∠42°～54°。地质构造较为简单，揉皱现象明显，裂隙不发育，基岩体较完整，透水率q均小于5 Lu。

3 大坝渗漏原因分析

3.1 渗漏监测分析

為分析大坝渗流安全情况，对大坝各测压管的渗流监测资料进行了统计分析[8-12]。2016年7月和2020年7月先后分别达到历史最高库水位85.89 m和85.97 m，因此选取这两个时段的渗流监测资料进行对比分析。

3.1.1 大坝渗流监测资料分析

分别对大坝9个断面的渗流监测资料进行统计分析，其中D0+455断面测压管水位监测数据统计见表1，D0+335和D0+455测压管布置及实测浸润线分布见图3～4。

对大坝渗流监测资料的分析表明：① 防渗墙下游坝体测压管水位沿顺水流方向逐渐降低，符合渗流场的位势分布规律;② 经过混凝土防渗墙及黏土心墙、铺盖后，水位到达下游坝坡高程82.0 m平台部位测压管的水头损失一般超过85%，河床坝段下游坝壳浸润线下降明显，表明大坝防渗体（含混凝土防渗墙、上游铺盖和原黏土心墙）防渗作用较好。③ 坝体部位除D0+335 断面防渗效果相对较差外，其余部位防渗墙的墙前与墙后测压管间水位差较大，说明其余部位坝体防渗墙隔渗效果较好。④ 河床坝段坝体下游坝壳料中水头损失一般在90%以上，其管水位受库水位影响较小，变幅也较小，主要受下游湖水影响。⑤ 大坝左、右坝端部分测压管水位偏高，分析认为这主要与两岸山体地下水补给或绕坝渗流有关，左岸渗流更明显，山体地下水对坝体左端测压管影响较大。⑥ 坝体下游坝壳出逸点渗透比降除大坝左、右坝端D0+025， D0+545断面外，其余断面出逸渗透比降均在0.12以下，左坝端的渗透比降相对较大，因此左坝脚渗砂可能与此有关。⑦ 量水堰测得的渗流量在77 L/s 以下，平均值为31 L/s，但由于量水堰受发电尾水及下游湖区水顶托影响，量水堰测得的渗流量并不能真实反映大坝的实际渗流量[13]。

3.1.2 2020年与2016年高水位大坝渗流监测对比分析

（1） 现场渗漏情况对比。① 2016年7月，下游坝脚（D0+464）高程48.70 m处出现3处集中冒水点，水流清澈，携带少量细砂流出，数天后消失;2020年7月，这3处冒水点未出现渗水现象。② 2020年7月，下游坝脚导渗沟左端在降雨后局部有排水声和少量渗砂现象。③ 下游坝脚左侧R46测压管管口出现溢流现象，持续近2个月，且测压管管口高于地面，分析认为溢水主要来自左侧山体地下水。

（2） 坝体及坝肩渗流对比。① 坝体渗流渗压基本遵循从上游向下游、从两岸向河床逐渐降低的分布规律。② 2020年7月的坝体测压管水位整体比2016年7月低，降雨强度、持续时间及累计雨量对大坝渗流存在影响。③ 左坝肩绕渗测压管2020年的测值较2016年有所降低，测压管所在处地面高程越高，测值降低越多。④ 库水位达到最高前，2016年的降雨量比2020年降雨量大。⑤ 左坝肩测压管水位异常偏高（如：图5中2016年左坝肩R42测压管水位91.88 m，远高于同期85.27 m的库水位;R44测压管水位73.26 m，高于R32测压管的70.56 m水位;R45测压管水位64.16 m，高于R34测压管的57.87 m水位。图6中，2020年R44测压管水位71.76 m，高于R52测压管的67.97 m水位;R54测压管水位69.04 m，高于R52测压管的67.97 m水位）。⑥ 2020年6～8月，R46测压管（管底深入基岩超过10.0 m）管口持续出现溢流现象，溢水量随库水位下降减小不明显。考虑到左岸绕渗测压管施工钻孔发现此处地下水丰富且水位较高，并综合以上分析，认为左坝肩渗流受左侧山体地下水影响较大。

3.1.3 渗流量监测分析

由于大坝下游量水堰受发电尾水及下游湖区水顶托影响，测得的渗流量并不能真实反映大坝的实际渗流量，渗漏量观测成果可靠性较差，难以准确判断大坝渗流量大小和大坝加固前后渗流量的变化情况。

3.2 大坝渗流理论计算分析

3.2.1 大坝渗流二维有限元计算分析

（1） 计算工况及计算参数。结合大坝渗流现状，选取左坝肩桩号D0+464， 河床段最大坝高剖面（桩号D0+350）和右坝肩桩号D0+246等剖面开展大坝二维渗流计算分析。大坝渗流计算工况见表2，根据工程地质勘察成果所取参数见表3。

（2） 计算成果。计算结果表明：① 黏土心墙附近的坝体浸润线降低明显，表明由混凝土防渗墙、黏土心墙以及黏土铺盖等组成的防渗体系效果较好;② 各种工况下，混凝土防渗墙最大渗透比降为25.23，黏土心墙出逸点最大渗透比降为1.29，左坝肩下游坝壳砂出逸点最大渗透比降为0.07，河床断面下游坝壳砂出逸点最大渗透比降为0.03，均小于允许渗透比降;③ 不考虑防渗加固效果，左坝肩D0+464剖面计算浸润线水位比测压管实测水位低0.8～2.4 m，说明左坝肩存在绕坝渗流或山体地下水补给。大坝桩号D0+246剖面稳定渗流计算成果见图7。

3.2.2 大坝渗流三维有限元计算分析

（1） 计算原理。将坝区渗流场视为符合达西定律的非均质各向异性不可压缩土体的三维空间稳定渗流场，则三维稳定达西渗流场的渗流支配方程为

[h=x3+p/γ]                            （2）

式中：[xi]， [xj]为坐标;[kij]为二阶对称的达西渗透系数张量，表示岩体渗透的各向异性;[h]为总水头，[x3]为位置水头，[p/γ]为压力水头;[Q]为渗流域中的源或汇项。

（2） 三维有限元模型及边界条件。大坝三维有限元网格模型见图8，共划分1 236 381单元，220 158个节点。计算域四周截取边界条件假定如下：① 计算域的四周截取边界及底边界均视为隔水边界面;② 对于地表边界，坝轴线上游侧低于库水位处为已知水头边界;③ 下游坝坡均为可能渗流出逸面。

（3） 计算成果。大坝三维有限元渗流计算工况及计算参数同二维渗流计算，其中正常蓄水位工况大坝渗流场分布和渗透比降见图9～10。计算结果表明：① 河床段和右坝肩大坝渗流等势线相对集中，由混凝土防渗墙、黏土心墙、黏土铺盖和帷幕灌浆等组成的防渗体系防渗作用明显;② 混凝土防渗墙、灌浆帷幕、黏土心墙不会发生渗透破坏;③ 随着库水位升高，左侧坝体下游出逸部位的渗透比降超出坝壳砂允许渗透比降的范围逐渐扩大，在下游排水棱体反滤失效情况下，可能产生渗透破坏;④ 库水位75.20 m时，左岸山体地下水补给量约占整个大坝渗流量的42%，即左岸山体地下水补给对左坝肩渗流场有较大影响。

4 大坝渗流安全性评价

根据大坝建设情况、地质勘察成果、监测资料分析和渗流计算分析，对大坝渗流安全评价如下。① 坝体测压管水位沿顺水流方向逐渐降低，符合渗流场的位势分布规律;坝体内原黏土心墙、黏土铺盖及混凝土防渗墙及墙下帷幕联合防渗体系防渗效果较好。② 坝體混凝土防渗墙、坝基灌浆帷幕、黏土心墙最大渗透比降均小于其允许渗透比降值，不会发生渗透破坏;河床段下游坝脚坝壳砂的渗流出逸比降小于其允许渗透比降值。③ 左坝肩岩体局部呈中等透水性，存在绕坝渗流问题。④ 坝体二维和三维渗流敏感性分析结果表明：即使在左坝肩防渗墙及灌浆帷幕完全失效的情况，坝体计算浸润线也低于测压管水位，出逸渗透坡降也小于坝壳砂允许渗透比降值;另外，左坝肩测压管水位值高低相互关系及部分测值高于库水位，综合理论计算成果和实际测值分析认为左坝肩渗流受山体地下水补给影响较大，且越靠近山体，所受影响越明显。⑤ 在较高库水位下，左坝肩下游坝壳渗流出逸比降大于允许渗透比降，在排水棱体反滤层局部失效情况下将发生渗透破坏，出现渗水渗砂现象。

5 结 论

大坝左坝肩岩体局部呈中等透水性，存在绕坝渗流问题;左坝肩遵循由左岸山体向河床及下游渗压逐渐降低的分布规律。综合理论计算成果和实际测值分析认为：左坝肩渗流受山体地下水补给影响较大，且越靠近山体则所受影响越明显。在较高库水位下，左坝肩下游坝壳渗流出逸比降大于允许渗透比降，在排水棱体反滤层局部失效情况下将产生渗透破坏、渗水渗砂。

水库发生强降雨后，坝脚集渗沟排水棱体出现渗砂现象，并伴有水流声;集渗沟左端坝面排水沟在改造前每年渗砂1～2 m3，改造后渗砂量显著减少，表明坝脚集渗沟渗砂与天然降雨排水通道的布设存在密切关系。

花凉亭水库地理位置十分重要，防洪责任重大。由于水库兴建时受资金和施工技术限制，建成后历年来出现了较多工程安全隐患，水库长期于限制水位运行。2016年7月，大坝左侧坝脚出现集中渗水，大坝安全备受关注，大坝渗流安全的系统性评价迫在眉睫。通过总结大坝建设情况，从地质勘察、监测资料分析和渗流计算分析等方面综合分析认为：大坝经历2009～2012年除险加固，防渗设施完善，大坝渗流总体处于安全状态，但也存在左坝肩绕渗、左侧受山体地下水补给影响、坝脚排水棱体反滤失效等安全隐患，应尽快采取处理措施。

因中国水库大坝以土石坝居多，存在坝基、坝体或绕坝渗漏问题，部分水库大坝有管涌、流土破坏迹象，大坝渗流安全存在隐患。因此，应针对大坝实际情况采取相应的安全评价方法。研究成果可为类似土坝渗流安全评价提供参考。

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Research on safety and dam leakage for Hualiangting Reservoir

XU Ziman1，LIU Xiaolin2，3，WEI Min2，3，HE Liangjin4

（1. Hualiangting Reservoir Administration Office， Anqing 246400， China; 2. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.， Wuhan 430010， China; 3. National Dam Safety Research Center， Wuhan 430010， China; 4. Water Conservancy Bureau of Kaizhou District， Chongqing  405400， China）

Abstract： Hualiangting Reservoir successively experienced the historical highest water level in July 2016 and July 2020 respectively. Although the dam has withstood the test of flood， it has also exposed the hidden danger of water seepage and sediment seepage at the downstream dam foot. Based on the results of geological investigation， the analysis of safety monitoring data， and the finite element analysis of 2D and 3D seepage， the seepage safety of dam was systematically studied in this paper. The results showed that： the seepage facilities of the dam were complete， but there were also some hidden troubles such as left dam abutment seepage， groundwater recharge of the left side of the mountain， draining prism filter failure， etc.

Key words： earth dam with clay core; leakage evaluation; safety evaluation; concrete cut-off wall; seepage monitoring; three-dimensional finite element; Hualiangting Reservoir