板洞水庫土壩滲流及滲透穩定計算與分析

李小閏

(清遠市水利水電勘測設計院有限公司，廣東清遠511518)

1 工程概況

板洞水庫工程位于連南瑤族自治縣大麥山鎮板洞村，壩址以上集雨面積為23.08 km2。水庫建于1990年5月，水庫總庫容3 792萬m3，是一座以供水為主，兼顧防洪、發電、灌溉等綜合利用的中型水庫。樞紐工程主要由主副壩、泄洪洞、發電輸水隧洞、供水隧洞及電站廠房等建筑物組成，主要建筑物級別為3級。

主壩為均質土壩，最大壩高38.50 m，壩頂高程869.80 m，壩頂長120 m，壩頂寬6.60 m。迎水坡坡比自上而下為 1∶2.72、1∶2.91，背水坡坡比自上而下為 1∶2.31、1∶2.67、1∶2.94 和 1∶2，壩腳為干砌堆石排水棱體。水庫正常蓄水位866 m，100 a一遇設計洪水位867.36 m，1000 a一遇校核洪水位868.23 m。工程建成蓄水后未進行過安全鑒定或加固工作，目前主壩壩腳滲漏量較大，滲漏點在棱體上部出露，存在工程隱患。因此需對主壩進行滲流及滲透穩定計算，分析問題所在，為下一步加固設計提供依據。

2 滲流及滲透穩定計算

2.1 滲流計算斷面及參數

主壩布置有3排測壓管，分別為樁號0+030(km+m)、0+065及0+085。考慮0+065斷面為最大壩高橫斷面，測壓管位于主河床，測壓管水位受兩岸山體地下水、壩頭繞滲等影響最小，最能反應壩體的實際情況，滲流復核取該斷面進行。工程滲流特性參數根據工程地質勘察報告和原設計資料確定，壩體為均質土壩，壩體滲透系數取大值平均值k=6 ×10－4cm/s，上、下游坡平均坡比為1∶2.88、1∶2.76。

2.2 滲流計算工況、方法及成果

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274－2001)規定，并參照相關規范要求，滲流計算考慮水庫運行中出現的各種不利情況，結合水庫工程實際情況，計算以下5種水位組合:

工況1:上游正常蓄水位866 m，下游無水。

工況2:上游設計洪水位867.36 m，下游無水。

工況3:上游校核洪水位868.23 m，下游無水。

工況4:上游1/3壩高水位844.10 m，下游無水。

工況5:泄洪洞堰頂高程862 m水位，下游無水。

根據規范，對1級、2級壩和高壩應采用數值法計算滲流場的各種滲流因素，其他情況可采用公式進行計算。本工程級別為3級，滲流計算可直接采用水力學公式計算，可滿足工程精度要求，計算內容包括壩體滲漏量、浸潤線等。主壩基礎為花崗巖，壩體排水為褥墊與堆石棱體復合式排水，主壩浸潤線按不透水地基的均質土壩情況計算。經計算，各工況下土壩滲流計算成果見表1。

表1 土壩滲流計算成果表

2.3 滲流實測值與理論計算值對比

2.3.1 觀測資料整理與分析

對1999～2008年(2003年資料缺失)歷年的測壓管(測壓管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)觀測資料進行整理，經統計和分析為:①測壓管水位變化規律基本正常，管中水位始終低于庫水位，隨庫水位變化而變化;②選擇2001年、2005年和2006年水庫水位基本相同(2001年水位866.62 m、2005年866.76 m、2006年866.64 m)比較，測壓管Ⅰ、Ⅱ與庫水位的相關性明顯，靈敏度高，測壓管Ⅲ水位有逐年抬高的跡象，可能受下游棱體堵塞后水位抬高有關。

將歷年最大滲漏量觀測資料進行統計分析:①在運行最高水位866.76 m時主壩反濾體滲流量最大值為887 m3/d，壩腳滲漏量隨水位的上升而增大，呈正比關系;②在歷年相同水位下的滲流量基本較穩定，在865 m水位以上后滲漏量有逐年加大的趨勢。

2.3.2 正常蓄水位下實測成果與計算值

從現有測壓管觀測資料看，在正常蓄水位附近時間分別為1999年9月21日、2005年6月15日、2006年8月19日和2008年7月22日，繪制實測和計算浸潤線圖，見圖1。

圖1 正常蓄水位下計算浸潤線與實測對比圖

從上圖看，實測浸潤線均比計算的高，局部測點最大達3 m。分析造成實測浸潤線偏高的可能因素:①理論計算是假設壩體為均質土壩，各層的滲透性是一樣的;實際施工時壩體是分層碾壓的，各層碾壓的均勻程度和密實度相差較大，各層的滲透性是不一樣的，因此造成理論計算與實測成果的偏差;②壩腳棱體發生局部堵塞，抬高了壩體滲流水的出露點，從而抬高了整個測壓管的水位;③壩體表層土疏松，壓實不夠，在雨季時表層水滲入到測壓管內，影響到測壓管水位的抬高。由以上情況，壩體實際浸潤線可在實測與理論計算成果間擬合一條浸潤線，擬合時以靠近實測資料為準。

在正常蓄水位實測滲漏量為603 m3/d，比理論計算值大1.40倍，分析造成實測滲漏量大的可能因素:①壩體實際并非為均質土壩，各層的密實度及滲透性都是不一樣的，資料顯示高程853.80～854.80 m干密度達不到原設計要求;②壩體填土以黏土質砂為主，27件土工試樣中有11件小于設計干密度，約占40%，可見大壩總體上壓實效果較好，但局部欠壓實;③地勘資料顯示左壩基局部存在中等透水的全風化土，可能存在壩基或接觸帶滲漏。

2.3.3 設計和校核洪水位下實測成果與計算值

水庫建成后最高蓄水位為866.76 m，未達到過設計和校核洪水位，無法進行直接論證對比。在正常蓄水位測壓管資料和設計洪水位的理論計算成果基礎上，擬合壩體在設計洪水位下的實際浸潤線，作為壩坡穩定分析的數據。壩體填土平均滲透系數K=6×10－4cm/s，預計在未來高水位運行時壩體可能出現滲漏量增大或下游壩坡出現滲水點，對壩體安全有一定影響，需進行防滲處理，如灌漿或防滲墻等。

2.4 滲透穩定計算

根據地勘資料，壩體填土為中壤土，不均勻系數Cu＞5的粗粒土。根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487－2008)附錄G，細顆粒含量(孔隙率n=0.43)，背水坡滲透變形判別為流土。流土型臨界水力比降 Jcr=(Gs－1)(1－n)=0.94(土料比重 G=2.65)，考慮安全系數 K=2，則［J］=Jcr/2=0.47。參照《堤防工程設計規范》(GB50286－98)附錄E，主壩背水坡面滲透比降與水庫水位組合工況無關，背水面平均坡降m2=2.76，則浸潤線滲出點的滲透比降JA=1/(1+m22)1/2=0.34，堤坡與不透水面交點JB=1/m2=0.36，計算滲透比降均小于允許比降［J］，背水坡滿足滲透穩定要求，同時壩腳也設置了堆石排水棱體。

3 結論

綜上所述，壩體目前在正常水位時滲流基本正常，未出現異常滲流，但實測滲漏量較計算值偏大，這與壩體平均滲透系數K大于規范要求的大壩土料滲透系數≤1×10－4cm/s有關。排水棱體溢出點集中且較高，水流為清水。背水坡逸出段滿足滲透穩定要求。按《水庫大壩安全導則》，滲流安全性評級可評為B級，在運行管理中需加強監測。

水庫未經受設計洪水位等高水位運行，大壩存在局部不密實和左壩基滲透性較大，壩坡表層土松散等，下一步加固時建議壩體進行截滲處理，排水棱體疏通等措施，使壩體浸潤線降低，滲漏量減小，加大壩坡抗滑穩定最小安全系數。

［1］李想，藺慧敏，李磊.土壩的滲流問題分析及其挖制措施［J］.黑龍江水利科技，2009，37(4):114 －115.