水库岩体三维渗流分析及坝基渗漏控制

朱伟国

(江西久源建设工程有限公司，江西 南昌 330038)

1 工程概况

江西省一中型水库正常蓄水位为241.5 m，总设计库容1093×104m3，总装机容量2380 kW，具备灌溉、发电、养殖等功能。水库工程包括溢洪道、发电隧洞、坝下涵管、泄洪隧洞、灌溉渠道等建筑物。水库大坝为土石坝形式，上下游分别为均质土体和堆石体，坝轴线为上凸弧形。坝顶长270 m、宽4.75 m，坝顶高程为240.8 m。坝址区以岩溶地貌为主，地表分布较多的溶洞、溶槽、溶沟，根据现场地质勘探结果，坝址区岩溶发育。坝基上部主要分布第四系全新统晚期冲洪积物，其上为4.8 m厚的低液限粉土，再上是结构松散、6.0 m厚的粉细砂层。

2 模型构建

该水库大坝坝顶向下游单向倾斜2%坡度，坝顶上游设置防浪墙，墙顶比坝面高出1.2 m；上游坝坡坡比1∶1.25，道路间坝坡坡比1∶2.10。上游坝坡采用25 cm厚的C30F300现浇混凝土板护坡，单个混凝土板长和宽均为4.0 m；下游坝坡则全部使用混凝土网格梁；下游坡脚处设置2.0 m宽的排水棱体。结合坝址区水文地质条件建立三维渗流模型，地表面则依据Auto CAD中等高线数据，通过Kriging插值法生成[1]。模型由29 165个单元和42 566个节点组成，通过水头差展开渗流分析。水库大坝坝体防渗土体为低液限黏土，粉粒及黏粒含量分别在78.46%～80.00%和20.00%～25.00%之间，液限26.0～28.1，塑性指数12.0～12.31，自由膨胀率4.0%～6.2%，不具膨胀性和分散性。

模型材料分区见图1。在材料表中录入该水库大坝各土层材料，并结合地勘资料录入各土层材料的物理力学参数，具体见表1，坝体、坝基渗透系数全部通过反演得到。坝体坡面和库水位以下河谷均为已知水头边界，岸坡及下游河谷控制水位根据河床水位设定，并将其上坡面设定为溢出面边界，底部和四周设定为自由透水边界[2]。

表1 各土层材料物理力学参数取值

图1 水库坝基材料分区

3 渗透参数反演

结合该水库大坝运行情况监测资料，水库大坝建成后历经数次岩溶渗漏处理，但坝基仍存在明显渗漏。当库水位为220.0 m时，下游坝脚处渗漏量实测值为44.1 L/s(以此为工况1)；水库于2019年5月开始坝基防渗帷幕施工，次年2月防渗墙完工，4月10日帷幕灌浆施工完成，在库水位为208.5 m时，下游坝脚渗漏量实测值为4.65 L/s(以此为工况2)。此处主要以两种渗漏条件的边界条件为输入，依据实测渗漏量结果，对以上两种渗漏条件下的渗透参数展开反演。值得注意的是，坝体、坝基、防渗墙和防渗帷幕渗透特性参数均对该水库坝基岩溶发育区渗漏量存在一定影响[3]。为简化计算过程，仅对坝基渗透系数展开反演，坝体因主要采用复合土工布材料，渗透系数较为稳定；帷幕渗透系数对渗流量的影响在本文渗漏原因中展开探讨。

3.1 工况1反演分析

以该工况下水库坝基渗漏量为目标值展开坝基渗透参数反演。分别计算表2中不同坝基岩溶发育区渗透系数对应的渗流量，据此确定出两者的函数关系，进而得出较为合理的坝基渗透系数取值。根据表中渗漏量计算结果可以得出5种方案下坝基岩体渗透系数变化与坝体下游渗漏量变化的关系，见图2。令坝体下游渗漏量为y，坝基岩体渗透系数为x，则根据最小二乘法拟合出两者的函数关系为y=-2.48+9628.34x。将工况1中下游渗漏量为44.1 L/s代入函数关系式，可以得出坝基岩体渗透系数为4.84×10-3cm/s。在模型中输入该渗透系数后重新计算，得出下游渗漏量为43.7 L/s，与44.1 L/s的渗漏量实际的误差不超出2%，满足《水库工程管理设计规范》(SL 106—2017)要求。

表2 工况1的渗漏量结果

图2 工况1坝基岩体渗透系数与坝体下游渗漏量的关系

3.2 工况2反演分析

以该工况下水库坝基渗漏量为目标值展开坝基渗透参数反演。分别计算表3中不同坝基岩溶发育区渗透系数对应的渗流量，据此确定出两者的函数关系，进而得出较为合理的坝基渗透系数取值。根据表中渗漏量计算结果可以得出5种方案下坝基岩体渗透系数变化与坝体下游渗漏量变化的关系，见图3，坝基岩体渗透系数和渗漏量基本呈线性关系。根据最小二乘法拟合出两者的函数关系为y=3.18+5567.85x，将该工况下渗漏量4.61 L/s代入函数关系式可以得出坝基岩体渗透系数为2.59×10-4cm/s。将该渗透系数反演结果输入模型，重新求得下游渗漏量为4.58 L/s，与4.61 L/s的渗漏量实测值相比误差不超出1%，满足设计及规范要求。

表3 工况2的渗漏量结果

图3 工况2坝基岩体渗透系数与坝体下游渗漏量的关系

4 渗漏原因及大坝渗流分析

基于该水库大坝坝基渗漏分析及参数反演，对正常蓄水位下大坝渗流情况展开分析，为渗漏量预估提供依据。

4.1 渗漏原因

坝体渗漏、坝基岩溶通道渗漏、坝基岩体渗漏等共同构成该水库下游坡脚渗漏。库水位在220.0 m时的坝体计算渗漏量和实测渗漏量分别为0.50 L/s和44.10 L/s，表明坝脚渗漏量受坝体渗漏的影响并不大。为此，只进行坝脚渗漏与坝基渗漏、岩溶渗漏关系的分析。

库水入渗补给是该水库岩溶水主要的补给渠道，而库水渗漏以溶洞为通道，并促使坝基岩体渗透性能的改变，因此，可将岩溶水渗漏简化为坝基渗漏问题。防渗墙的施工对坝基渗漏造成两方面影响：一是因防渗墙渗透系数过小，大坝渗漏路径受到影响渗漏量随之减少；二是因防渗墙施工使部分溶洞得到充填，岩溶水渗漏路径受到影响，坝基综合渗透系数得以提升，渗漏量也相应减小。故通过对防渗墙施工前后坝基渗透系数变动趋势的分析，便可明确下游坝脚渗漏的主要原因。

通过以上对两种不同渗漏条件下坝基岩体渗透系数反演过程及结果的分析看出，防渗墙施工前后相应的渗透系数值分别取4.85×10-3cm/s和2.56×10-4cm/s，坝基岩溶发育区工后的渗透系数值约为防渗墙施工前渗透系数的5.56%，意味着防渗墙的施工对水库坝基岩溶水的阻隔作用十分显著，而岩溶水渗漏也是引发下游坝脚渗漏的主要原因。

此外，防渗墙自身渗透系数对水库坝基渗漏量也存在一定程度的影响，而防渗墙渗透系数取值与水文地质条件、施工工艺、施工质量控制、原材料等有关，且存在较大的确定难度。为排除不确定因素对防渗墙渗透系数取值的影响，以渗漏条件一定的坝基渗透系数反演结果为依据展开防渗墙渗透系数敏感性分析[4]。通过对国内外类似水库工程坝基防渗帷幕灌浆前后渗透系数的统计分析，确定防渗墙渗透系数敏感性分析的合理范围。根据统计分析结果，该水库坝基防渗帷幕渗透系数敏感性分析范围应确定在1.0×10-4～1.0×10-6cm/s之间，并提出5种计算方案，渗透系数取值及渗漏量计算结果详见表4。根据表中计算结果，防渗墙渗透系数增大后帷幕处等水头线集中的现象得到一定程度缓解；敏感性范围内的渗漏量在24.2～37.7 L/s之间取值，与防渗帷幕建造前相比，渗漏量减少了19.9～6.5 L/s，表明防渗墙具备较好的防渗效果。但下游坝脚渗漏量与实测值存在较大差距，仅考虑防渗帷幕的作用则无法解释防渗墙施工后下游渗漏量变化的原因，因为岩溶水渗漏是引起下游坝脚渗漏的主要原因。

表4 防渗帷幕渗透系数敏感性分析

4.2 大坝渗流分析

正常蓄水位下该水库大坝三维渗流模拟结果见图4和图5。由图可知，防渗墙周围地下水等压力水头变化较为剧烈，帷幕上下游压力水头差达到16 m；距离防渗墙较远处的等压力水头基本随埋深的增大而增大；上游、坝肩地下水压力水头依次大于下游和中部地下水压力水头。防渗帷幕周围的地下水等水位面明显集中，意味着防渗帷幕的修建发挥了较好的防渗作用；帷幕周围地下水等水位面最为集中，下游坝脚处次之，上游地下水等水位面最为分散。

图4 地下水等水位面(单位：m)

图5 地下水等水位线(单位：m)

5 结 论

该水库大坝坝址区以岩溶地貌为主，地表溶洞、溶槽、溶沟等分布较多，且坝址区岩溶发育，在裂隙及断层影响下形成断块结构，在地表浅层强风化作用下，岩体渗透性较大，库水渗漏也成为坝体安全稳定运行所面临的主要问题。根据分析结果，在设置防渗帷幕，并且坝体渗漏、坝基岩溶通道渗漏、坝基岩体渗漏等引起坝基渗漏的深层次原因均解决后，库水渗漏得到有效遏制。以上分析结果可作为该水库坝基渗漏控制及除险加固的基础资料。