渭南市湭河水库浸润线及渗流稳定论证研究

苏平定

(渭南市水利水电勘测设计院,陕西 渭南 714000)

0 引言

湭河水库坝址位于渭南市临渭区向阳办蒋家村南1.0 km处,北距渭南市主城区约4 km,距离渭南市城郊2.0 km,坝址控制流域面积224 km2,是一座以城市供水、农业灌溉为主兼有防洪功能的中型水利枢纽工程,水库总库容3 028万 m3,设计年供水量1 490万 m3;湭河水库1995年成为渭南市临渭区供水水源地,水源类型为地表水,水源级别为市级,目前主要向陕西省渭河重化有限公司及渭南市高新区渭河洁能有限公司两个公司提供企业生产与生活用水,年供水量1 367万 m3。湭河水库对渭南市社会经济发展发挥重要作用,考虑到坝址距渭南市主城区较近,是典型的城市头上“一盆水”,本文从坝体渗流稳定角度分析了现状大坝的结构安全,为渭南市主城区防洪安全提供理论支撑。

1 工程概况

水库枢纽工程由大坝、溢洪道、东放水设施、西放水设施及排沙底洞五部分组成。

2 地质勘察相关结论

坝址区位于湭河下游,河流走向在此近于南北向,河谷形态呈宽敞的“U”型谷,谷底宽度约290 m,高程约377 m,东、西两岸为黄土塬区。河床两岸发育有一、二级基座阶地。左、右岸坝肩处分别发育1个大型黄土滑坡体,分布于坝顶高程以上,目前处于稳定状态。

工程区Ⅱ类场地地震动峰值加速度α=0.20 g,特征周期T=0.40 S,相应地震基本烈度为Ⅷ度。

根据现场坝体水位观测及监测井水文监测数据,在库水位抬升或下降1米时,浸润线变化幅度不大,但在2021年秋季的暴雨工况下,浸润线抬升较明显。通过现场调查未发现坝后排水棱体有明显渗水、泉水溢出现象,坝体防渗性能良好。

培厚体填筑土(2009年)的干密度ρd=1.36～1.75 g/cm3,填筑质量不均一,存在低密度区;原坝体填筑土(1959年)的干密度ρd=1.51～1.80 g/cm3,填筑质量不均一,存在低密度区。坝体土填筑料的物理力学建议值如表1。

表1 坝体土填筑料的物理力学建议值

3 大坝浸润线观测

按照规范规程要求水库在运行管理中建立观测制度,按制度对水库运行过程中大坝及其它建筑物的工情进行观测,并对资料及时进行分析整理归档。依据已归档大坝浸润线观测资料,结合地质钻孔资料,地质勘察单位绘制了两组大坝实际浸润线图,浸润线观测时间分别为2022年2月20日和2022年3月10日,对应库水位分别为404.67 m、403.44 m,实际浸润线分布如图1。

图1 实际浸润线分布图

4 现状坝体渗流参数复核

结合实际浸润线分布图,复核地质勘察报告提供的各地层渗透系数值合理性,现状坝体渗流参数复核库水位选用403.44 m,与观测库水位数据一致。

4.1 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020),结合运行方式,本次渗流稳定分析计算工况为:稳定渗流期,上游库水位为403.44 m,下游水位376.24 m。

4.2 计算参数

结合坝体分区进行指标选取,渗透系数考虑各填筑材料的各项异性,渗透系数采用平均值。棱体及坝基渗透指标依据地勘资料选取,具体渗流稳定计算参数成果见表2。

表2 渗流稳定计算参数成果表

4.3 典型断面选择

依据规范,本次选择最大坝高断面作为渗流分析的典型断面,大坝最大断面桩号为0+300。

4.4 渗流计算方法

计算方法采用渗流场数值分析有限单元法,按照河海大学工程工学研究所研制的水工结构有限元分析系统《AutoBank 7.7》计算程序具体分析计算。现状坝体材料分区见图2,现状坝体有限元网格分区见图3,理论计算浸润线图见图4。

图2 现状坝体材料分区图

图3 现状坝体有限元网格分区图

图4 理论计算浸润线图

经分析,理论计算浸润线在截渗槽下游降落至坝基位置,管理单位观测浸润线在褥垫36 m处降落至坝基位置,两者差距较大。说明两点:其一坝基砂卵石层渗透系数2.3×10-2cm/s不能客观反映坝基砂卵石渗透系数;其二褥垫前端36 m存在淤塞情况。结合以上问题,本次通过现状观测浸润线反演确定坝基砂卵石层及褥垫前端36 m渗透系数,经计算坝基砂卵石层及褥垫前端36 m渗透系数采用10-6cm/s能够客观反映现状浸润线分布。反演浸润线见图5。

图5 反演浸润线图

5 现状坝体渗流稳定分析

5.1 计算工况

结合实测浸润线上升较快及洪水历时较长(设计洪水历时26 h,校核洪水历时23 h),从安全角度出发,本次考虑洪水位形成稳定渗流工况;排沙洞运行期设计流量为40 m3/s,依据库容曲线,每天水位降幅1.0～5.0 m,本次分别按1.0 m、4.0 m计算降落期。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020),结合运行方式,本设计渗流分析计算工况为:

(1)稳定渗流期(上游水位为正常蓄水位405.1 m,下游水位376.24 m);

(2)稳定渗流期(上游设计洪水位406.97 m,下游水位376.24 m);

(3)稳定渗流期(上游校核洪水位408.80 m,下游水位376.24 m);

(4)洪水前应急降落期(由正常蓄水位405.1 m降至404.1 m),降幅1.0 m;

(5)排沙洞正常运用降落期(由蓄水位398.0 m降至淤积面393.0 m),降幅5.0 m。

5.2 计算参数

渗流计算渗透系数采用大值平均值,降落期渗透系数采用小值平均值,坝基砂卵石层及褥垫前端36m依据反演参数,其他地层同表2,具体渗流稳定计算参数成果见表3。

表3 渗流稳定计算参数成果表

5.3 典型断面选择及渗流计算方法

典型断面同现状坝体渗流参数复核。

5.4 渗流计算

渗流计算方法同现状坝体渗流参数复核。

现状实测模拟正常蓄水位浸润线位于正常蓄水位405.1 m反演浸润线与设计洪水位406.97 m反演浸润线之间,局部高于设计洪水位406.97 m反演浸润线,各工况反演浸润线与实测浸润线位置图见图6,大坝渗流分析成果图较多这里不在展示。

图6 各工况反演浸润线与实测浸润线位置图

5.5 渗流计算结果

计算成果见表4。

表4 坝体填土渗流计算成果表

从表4可以看出,坝体整体渗透比降小于允许渗透比降,满足规范要求。仅存在局部高于允许渗透比降,不影响大坝整体渗流稳定。

6 结语

土石坝坝体渗流稳定分析是新建改建水库枢纽工程设计的控制性环节,是坝体能否经受正常运用及非常运用的定量化分析手段。本文依据水工结构有限元分析系统,通过反演现状土石坝坝体各层土料渗透系数,合理确定关键土层的渗透系数,分析认为现状大坝在稳定渗流期及非常运用条件Ⅰ下,坝体渗流稳定满足规范要求,坝体渗流稳定安全,总结如下:

(1)大中型水库枢纽工程土石坝必须定期开展渗流浸润线观测,为管理运行及除险加固提供详实资料准备;小型水库枢纽工程土石坝应布置浸润线监测设施,为浸润线监测提供可能。

(2)地质勘察工作报告提供的推荐渗透系数可能存在不客观的问题,这个应得到地质工作者重视,通过优化操作流程,减少试样扰动,尽量详实的反应各地层运行实际。

(3)大中型水库除险加固设计应该把浸润线反演作为一个标准程序,验证各工况浸润线位置及各层渗透系数,为客观评价大坝稳定提供支撑。