小川水庫壩體滲漏成因與滲流計算

劉長春

（新疆喀什第三師勘測設(shè)計院，新疆 喀什 844000）

小川水庫壩體滲漏成因與滲流計算

劉長春

（新疆喀什第三師勘測設(shè)計院，新疆 喀什 844000）

結(jié)合小川水庫大壩現(xiàn)場檢查及地質(zhì)勘探情況，通過滲流觀測資料分析壩體滲漏成因，得到排水廊道的設(shè)置對繞壩滲漏起到了改善作用。通過AutoBank軟件建立平面典型斷面有限元模型，滲流參數(shù)計算得到浸潤線規(guī)律符合均質(zhì)壩分布；綜合判斷下游壩坡高水位工況下滲透穩(wěn)定不滿足要求。

土石壩滲流；滲流反演分析；穩(wěn)定滲流計算

1 工程概況

小川水庫位于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭縣，是一座解決農(nóng)業(yè)灌溉用水并兼顧城鄉(xiāng)供水、工業(yè)用水、發(fā)電、調(diào)洪等綜合利用的中型水庫。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計，1000年一遇洪水校核，設(shè)計洪峰流量138m3/s，校核洪峰流量283m3/s。多年平均出庫水量5640萬m3。攔河大壩為均質(zhì)土壩，壩頂長215.0m，壩頂寬8.0m，壩頂高程1563.90m，防浪墻頂高程1564.90m，最大壩高64.9m。

小川水庫存在下游壩坡滲漏量大的現(xiàn)象，通過二次帷幕灌漿，大壩主要滲漏點(diǎn)消失，但仍然存在滲水點(diǎn)。通過鉆孔壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、連通試驗(yàn)證實(shí)，下游壩坡滲水點(diǎn)為繞壩滲漏。本文分析了小川水庫壩體滲漏成因，并進(jìn)行了壩體滲流反演計算分析［1-2］。

2 壩體滲漏成因分析

2.1 下游壩坡滲漏點(diǎn)滲漏

通過各孔穩(wěn)定地下水位的觀測，1#，2#滲流場地下水流向該區(qū)域地下水主流向358°，近于正北方向，與右肩巖層一組節(jié)理（產(chǎn)狀90°～95°∠80°）的走向幾乎一致，該組節(jié)理產(chǎn)狀陡傾，線裂隙率達(dá)14條/m，裂面光滑平直，延伸較遠(yuǎn)，認(rèn)為庫水主要順此組節(jié)理走向繞右壩肩。而前期灌漿帷幕由于受其陡傾產(chǎn)狀的影響，2.0m孔距不易截斷其滲漏通道。如圖1。經(jīng)計算，水力坡降i=0.219，地下水流速V=1.15×10-3cm/s。判斷地下水主要由ZK617～ZK625間進(jìn)入壩體形成右岸坡的滲漏潮濕現(xiàn)狀［3］。

圖1 滲漏點(diǎn)地下水流方向示意圖

2.2 右壩肩排水廊道情況

因前3次帷幕灌漿未能完全消除下游壩坡滲漏，后經(jīng)勘察鉆孔壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)及連通試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

下游壩坡主要滲漏點(diǎn)為繞壩滲漏右岸排水廊道施工于2003年3月開工，當(dāng)年7月竣工。進(jìn)口高程1527.72m，出口高程1526.97m，底板坡比1∶100，洞軸線與壩軸線交角50°，廊道斷面為城門洞型，頂拱和兩側(cè)墻各布設(shè)一排水孔，孔距1.0m，孔徑42mm，匯水集中排至右岸排水溝。

地質(zhì)勘探揭示，排水廊道所在區(qū)域巖層呈單斜構(gòu)造產(chǎn)出，巖體風(fēng)化程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面多為張開狀，為Ⅲ類圍巖，鉆孔壓水試驗(yàn)求得滲透系數(shù)10-2～10-4cm/s，屬中等—強(qiáng)透水地帶。地下水位高程在1527.00～1534.00m之間。竣工后設(shè)于廊道出口的三角量水堰滲漏量觀測資料如表1。過程線如圖2。

表1 排水廊道滲漏量

圖2 排水廊道滲漏量與庫水位過程線

由表2和圖2可看出，排水廊道滲漏量與庫水位關(guān)系明顯，庫水位升高，滲漏量隨之增大，說明排水廊道部位滲漏水為繞壩滲漏所致。

雖然排水廊道的設(shè)置對繞壩滲漏起到了改善作用，但由于高程在1527.00m，未完全阻斷繞壩滲漏至下游壩坡，現(xiàn)狀下游壩坡1508.00m高程附近集水井內(nèi)仍存在滲漏，且隨庫水位周期性升降。

3 大壩滲流反演分析

3.1 模型建立與參數(shù)選取

選取小川水庫大壩竣工標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行滲流計算。由壩身黏土、下游側(cè)過渡砂層、風(fēng)化料、反濾排水體、壩基卵石層、壩基強(qiáng)透水層及防滲帷幕等組成。

考慮2000年壩身在壩軸線位置進(jìn)行了灌漿，此次滲流分析建模在壩軸線位置設(shè)置了2m寬防滲灌漿區(qū)。模型采用三角形和四邊形混合單元對其進(jìn)行了剖分。大壩各分區(qū)材料滲透系數(shù)通過地勘報告建議值并結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)確定各材料分區(qū)滲透系數(shù)初始值，如表2。

表2 大壩材料分區(qū)滲透系數(shù)初始值 單位：cm/s

3.2 反演計算分析

有限元計算采用AutoBank軟件。結(jié)合運(yùn)行，高水位工況下下游壩坡1517.90m高程以下已出現(xiàn)滲漏，故將可能溢出邊界設(shè)置在此部位，微調(diào)壩體填土和風(fēng)化料滲透系數(shù)，直至計算值與實(shí)測值較接近為止。最終得出各材料滲透系數(shù)如表3，反演得到的壩體亞黏土水平向滲透系數(shù)高于原始地勘建議值，而豎向滲透系數(shù)略大于原始地勘建議值，下游風(fēng)化料滲透系數(shù)略低于原始值［3-5］。

計算浸潤線與實(shí)測浸潤線位置如圖3。從反演計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比可見，標(biāo)準(zhǔn)剖面計算浸潤線與實(shí)測浸潤線總體反演結(jié)果吻合度高，計算浸潤線在實(shí)測浸潤線上下波動，計算浸潤線規(guī)律符合一般均質(zhì)壩分布。

3.3 特征水位下穩(wěn)定滲流計算分析

根據(jù)反演確定的滲透系數(shù)，計算特征工況下大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面的二維滲流場。具體計算工況如表4。

為充分反映大壩二維滲流計算成果，整理了標(biāo)準(zhǔn)剖面水頭分布圖和關(guān)鍵部位的滲流要素統(tǒng)計如表5，水頭等值線如圖4。

表5 標(biāo)準(zhǔn)剖面關(guān)鍵部位滲流要素 單位：m3/m·d

圖4 各工況下水頭線等值線

由表5單寬滲流量統(tǒng)計結(jié)果可以看出，各控制工況下標(biāo)準(zhǔn)剖面計算所得的單寬滲透流量，隨水位的降低而減小，在1.908～16.031m3/m·d之間。以壩頂長215m計，大壩日滲漏量410.2～3504.7m3，年滲漏量14.97萬～127.92萬m3。高水位工況下滲漏損失巨大。

采用公式Jcr=（Gs-1）（1-n）計算下游風(fēng)化料臨界滲透坡降，得Jcr=0.920，根據(jù)GB50287—99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》要求，取安全系數(shù)為2，得到允許滲透坡降為0.460，可見高水位工況下壩基滲透坡降大于其允許滲透坡降，下游壩坡出逸處滲透不穩(wěn)定。運(yùn)行表現(xiàn)，高水位工況下下游壩坡已出現(xiàn)水平滲漏帶，且現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)下游壩坡多處存在老鼠洞，土質(zhì)疏松，易產(chǎn)生滲透破壞，綜合判斷下游壩坡高水位工況下滲透穩(wěn)定不滿足要求［6］。

4 結(jié)語

（1）地下水主要由ZK617～ZK625間進(jìn)入壩體形成右岸坡的滲漏潮濕現(xiàn)狀。

（2）雖然排水廊道的設(shè)置對繞壩滲漏起到了改善作用，但由于高程較高（1527.00m），未完全阻斷繞壩滲漏至下游壩坡，現(xiàn)狀下游壩坡1508.00m高程附近集水井內(nèi)仍存在滲漏，且隨庫水位周期性升降。

（3）滲流計算表明，壩體填土防滲性能差，高水位工況下下游壩坡滲透穩(wěn)定不滿足要求，壩體滲漏量大。建議對大壩砂礫石基礎(chǔ)進(jìn)行全面防滲灌漿處理，加強(qiáng)下游滲漏量與心墻內(nèi)觀測孔水位觀測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉俊發(fā).水利工程中土石壩滲漏的原因及處理措施［J］.科技與企業(yè)，2014（12）：198.

［2］華靜，楊華舒.土石壩滲流計算中的有限元應(yīng)用研究［J］.中國水能及電氣化，2012（7）：15-18.

［3］欒艷.土石壩滲透規(guī)律與滲漏機(jī)理研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

［4］陳衛(wèi)忠，伍國軍，戴永浩，等.錦屏二級水電站深埋引水隧洞穩(wěn)定性研究［J］.巖土工程學(xué)報，2008（8）：1184-1190.

［5］鄧苑苑，劉建軍，張小燕.土石壩工程滲流計算的理論發(fā)展及方法探析［J］.甘肅農(nóng)業(yè)，2006（6）：363-364.

［6］劉潔，毛昶熙.堤壩飽和與非飽和滲流計算的有限單元法［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1997（3）：242-252.

（責(zé)任編輯：王艷肖）

Study on seepage leakage causes and seepage calculation of Xiaochuan Reservoir

LIU Chang-chun
（Kashi Third Division Survey and Design Institute，Kashi844000，China）

This paper combined with the on-site inspection of Xiaochuan reservoir dam and geological exploration，through the analysis of the seepage observation data of dam，the leakage causes are analyzed，the conclusion found that the setting of drainage gallery can improve the leakage around the dam.The finite elementmodel of plane section is established by AutoBank software，and the seepage coefficient is calculated by parameter inversion analysis of seepage parameters.The seepage stability cannotmeet the requirements under the condition of high water level of downstream dam slope.

earth rock dam seepage；seepage inversion analysis；seepage flow stability calculation

TV85

：B

：1672-9900（2017）04-0009-04

2017-04-28

劉長春（1981-），男（漢族），重慶人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計工作，（Tel）18999088026。