广东某水库大坝渗流安全分析

刘群丽

（广东城华工程咨询有限公司,广东 广州 510660）

1 引言

水库渗流是常见的水库破坏形式,填筑土质量、坝基土性质是影响水库大坝渗流安全的重要因素。为了分析水库大坝的渗流情况通常采用数值模拟方法进行研究,通过模型建立,可以反映大坝的流网、流线等情况,计算结果较为可靠[1-4]。

某水库地处丘陵地带,位于广州市番禺区市桥城区西大夫山森林公园内。库长约400 m,库水面宽130 m～155 m,汇水区内最高点为大坝南西方向的大乌岗,高程226 m 左右。坝址区为丘陵前的冲积洼地,两岸低丘高程多在19.00 m～54.00 m,左岸低丘最高点高程110.00 m,右岸最高点高程88.00 m,地形坡度5°～38°。大坝下游河谷出口处地形较平缓,地面高程15.00 m～18.00 m,现为西大夫山森林公园。另紧临坝背水侧为红山湖。

2 大坝及基础渗漏现状

水库建于丘陵地区低洼地带,整体呈弯弧形,上游窄下游宽。库长约400 m,水库库底高程16.20 m～18.60 m,最大水深约6.10 m。库岸地形较平缓,雏形冲沟较发育,地表径流条件较好。岸坡地下水贫乏,未见泉水出露。

2.1 坝体渗漏情况

坝体局部为砾砂、角砾质粉质粘土。角砾质粉质壤土、角砾质粉质粘土,坝体填筑土厚2.00 m～11.40 m。坝体填筑土密实度及物质组成不均一,且具中等透水性。

2.2 坝基渗漏情况

坝基土体主要由Qal+pl粉质粘土、角砾粉质壤土组成,具中等～弱透水性,局部存在中等透水的粉细砂、砾砂层,但在库内与坝下游并未贯通,且上部有粘性土阻隔,因此不存在渗透破坏及渗漏问题。坝基下伏元古界云开岩群（Pty）片麻岩,呈全～中风化,具中等～弱透水性,两岸岩体封闭,不存在绕坝渗漏问题。坝基中等透水的土、岩体渗漏量小,对水库的安全运行不造成影响。

2.3 现场渗漏检查情况

根据现场检查,大坝坝顶及岸坡种植有灌木以及地被类植物,坝坡残留有已砍伐的乔木下部躯干等。坝坡面层多处有水流冲刷、植被生长造成的浅层裂隙,后坡发现处鼠洞、非洲大蜗牛穴一处。坡脚排水棱体有局部破损,墙身石块缺失。目前该水库大坝沿大坝下游坝坡、坡脚地带、浆砌石棱体未见有水渗出现象,库区未见冒泡和水面漩涡。

3 渗透稳定计算

3.1 计算工况

渗流计算时,应考虑水库运行中出现的不利条件,需考虑计算下列几种工况。

工况1：上游正常蓄水位与下游相应最低水位,此时坝内渗流的坡降最大,易产生渗透变形。

工况2：上游校核水位与下游相应最高水位,此时坝内浸润线最高,渗流也最大。

工况3：库水位由校核洪水位下降至正常蓄水位,对上游坝坡稳定不利。

3.2 渗流控制标准

渗流水可能溢出位置的坝体填土为含砾粉质壤土,发生流土的临界水力比降计算如下：

式中：Gs土的土粒比重；n 土的孔隙率；e 土的孔隙比；K 安全系数,取1.5～2.0。

进行渗流分析时,考虑坝体和坝基的主要土层,根据地质勘察报告相关大坝的纵横断面地质情况进行综合比较选取。

本次计算选用计算典型断面为大坝南侧距离溢洪道涵洞距离约80 m 的断面,考虑到该断面位置为大坝典型断面,坝体以含砾粉质壤土成分为主,典型代表了七盏灯水库大坝的断面,对应剖面地质参考地勘报告2-2'横断面位置。

七盏灯水库大坝坝体和坝基土层分区见图1。

图1 水库坝体及坝基土层分区

本次计算坝体和地基各土层物理力学参数取值见表1。

表1 坝址区土层物理力学性质及渗透系数取值

续表1

安全系数K 取2.0,经计算,坝体含砾粉质壤土的临界水力比降Jcr1=0.429,坝体碎石土的临界水力比降Jcr2=0.444。

4 渗流分析

（1）工况1：上游水位为正常蓄水位22.30 m（溢洪道进水口底）,下游水位取下游蓄水塘常水位（蓄水塘溢流堰堰顶高程）14.00 m。

采用AutoBank v5.6 软件进行计算,坝体下游坝面单宽单日渗流量q=0.1175040 m3/d,大坝渗流浸润线分为两部分,一部分位于大坝库区迎水面位置的钢筋砼挡墙、斜坡砼护面（图中计算分层为代号T）,另一部分为钢筋砼挡墙下部的土体位置的浸润线,本次计算着重分析大坝内部非砼结构的土体部分的浸润线。浸润线逸出点位于下游坝坡浆砌石排水棱体坡脚位置,高程15.81 m,逸出口坡降0.066；浸润线坡降0.00508～0.177,平均比降J=0.09104,不会发生流土现象。

（2）工况2：上游水位为校核洪水（P=2%）水位23.23 m,下游水位取下游蓄水塘常水位（蓄水塘溢流堰堰顶高程）14.00 m。

采用AutoBank v5.6 软件进行计算,坝体下游坝面单日渗流量q=0.134784 m3/d,大坝渗流浸润线分为两部分,一部分位于大坝库区迎水面位置的钢筋砼挡墙、斜坡砼护面（图中计算分层为代号T）,另一部分为钢筋砼挡墙下部的土体位置的浸润线,本次计算着重分析大坝内部非砼结构的土体部分的浸润线。浸润线逸出点位于下游坝坡浆砌石排水棱体坡脚位置,高程15.81 m,逸出口坡降0.122；浸润线坡降0.021～0.179,平均比降J=0.100,不会发生流土现象。

（3）工况3：水位持续下降,各时刻坝体坝基流网图均在变化,上游水位由23.23 m（P=2%）经36.67 h 后,降至正常蓄水位22.30 m,坝内渗流从不稳定渗流恢复到稳定渗流期间,初始时坝渗流量最大,为qmax=0.026784 m3/d。大坝渗流浸润线分为两部分,一部分位于大坝库区迎水面位置的钢筋砼挡墙、斜坡砼护面（图中计算分层为代号T）,另一部分为钢筋砼挡墙下部的土体位置的浸润线,本次计算着重分析大坝砼结构部分的浸润线。水位骤降后,一部分坝内水向上游坝坡渗漏,渗透坡降0.411～2.33,初始时浸润线平均比降最大,Jmax=2.33,该部分渗流发生在砼挡墙内部,不会发生流土现象。

5 渗流安全评价结论

（1）根据现场检查,大坝沿大坝下游坝坡坡脚地带未见有地下水渗出现象,无管涌、流土等渗透破坏现象发生,现场检查时亦未发现其他坡面浸润、渗水浑浊等明显不安全迹象。库区未见冒泡和水面漩涡。坝坡面层多处有水流冲刷、植被生长造成的浅层裂隙,坡面有一处鼠洞,坡脚排水棱体有局部破损,墙身石块缺失。

（2）根据工程地质勘察报告,坝基土体局部存在中等透水的粉细砂、砾砂层,但在库内与坝下游并未贯通,且上部有粘性土阻隔,因此不存在渗透破坏及渗漏问题。两岸岩体封闭,不存在绕坝渗漏问题。

（3）根据渗透稳定计算,在工况1 下,大坝渗流量较小,内部浸润线平均比降均小于发生流土的临界比降,浸润线逸出点位于下游坝坡浆砌石排水棱体坡脚位置,坝体下游侧无发生流土的危险。在工况2 下,内部浸润线平均比降均小于发生流土的临界比降,浸润线逸出点位于下游坝坡浆砌石排水棱体坡脚位置,坝体下游侧无发生流土的危险。在工况3下,浸润线位于砼挡墙内部,比降小于发生砼允许的临界比降,上游坝坡无发生流土的危险。