柳塘水庫粘土心墻壩的滲流分析

蔣明星

（福建省尤溪縣柳塘水庫管理處，福建 三明 365116）

1 工程概述

尤溪縣柳塘水庫位于閩江二級支流青印溪上游的管前鎮(zhèn)柳塘村，壩址以上控制集雨面積100 km2，總庫容4 400 萬m3。該水庫于1977 年9 月動工，1980 年6 月建成并發(fā)揮效益。1988 年樞紐工程經(jīng)福建省水利廳驗收后納入規(guī)范化管理軌道，1991 年升格為省重要中型水庫。

樞紐工程由大壩、副壩、溢洪道、輸水隧洞和壩后電站等建筑物組成。大壩為粘土心墻土石混合壩，原設(shè)計壩高43.60 m，竣工最大壩高44.40 m，壩頂高程585.40 m，壩頂長250 m，壩頂寬6 m。大壩基礎(chǔ)巖性為花崗巖，基礎(chǔ)防滲采用淺槽混凝土墊層，鼻坎挑流消能。

2 滲流表現(xiàn)

柳塘水庫經(jīng)過近40 年蓄水運行，保持維修養(yǎng)護，整體情況基本正常，但壩體滲漏存在不少隱患。主要有：大壩滲漏，下游壩腳539 m 平臺水草豐盛，高水位時可見滲水；溢洪道底板滲漏，水位達580 m 以上時，溢洪道底板右側(cè)存在滲漏現(xiàn)象；輸水隧洞洞內(nèi)存在少量滲漏現(xiàn)象。

3 滲流分析

3.1 測壓管觀測資料分析

3.1.1 測壓管的布設(shè)

柳塘水庫大壩滲流監(jiān)測項目為測壓管水位觀測。在大壩頂和背水坡分別在樁號0+110、0+145、0+185 這3個斷面布設(shè)12 根測壓管（每個斷面4 根）。其中：0+145斷面為最大壩高處。測壓管的布設(shè)為了解壩體及山體水位變化情況提供了數(shù)據(jù)。測壓管為敞開式測壓管，外徑為52.9 mm 的鍍鋅管，由進水管段、導(dǎo)管、沉淀管和管口保護設(shè)備構(gòu)成，各部分的長度和高度埋設(shè)資料如表1。

表1 測壓表各部分長度、高度埋設(shè)信息

3.1.2 測壓管觀測資料分析

1）壩頂測壓管水位與庫水位變化在庫水位上升時的同步現(xiàn)象是正常的，一般情況都是測壓孔水位低于庫水位，當庫水位下降時，測壓孔水位高于庫水位。由于庫水位下降屬緩降，從記錄表還可能看出在降雨時，庫水位下降，測壓管水位反而上升，這是由于雨水滲入壩體引起所致。壩體測壓管水位受降雨量影響顯著的測壓管是因為筑壩土質(zhì)差，壩面、壩坡不平，易積水，使地表水容易滲入壩體引起的。

2）左岸山體測壓管（0+110 斷面）水位與庫水位變化也呈同步現(xiàn)象但明顯低于庫水位，由于斷面測壓管為觀測左岸繞壩（或壩基）滲流。測壓管進水段從粘土心墻進入壩基的風(fēng)化變化變質(zhì)巖，因此測壓管水位偏低要用壩基的滲透特性來解釋，根據(jù)壩址工程地質(zhì)：左岸因被東西向、北東向3 條巖脈侵入，致使大部分巖石被擠壓成塊狀，風(fēng)化深，巖性較弱，局部已成風(fēng)化土；高程574 m 以上，經(jīng)洞探均為風(fēng)化石和紅絕粘土層，需加處理，以防繞壩滲漏，特別沿東西向侵入的巖脈寬達3.2 m；破碎帶寬達12 m；破碎帶將給大壩滲漏創(chuàng)造通道，由于壩基可能存在滲漏通道，排泄條件較好，所以測壓管始終保存較低的水位[1]。

3）測壓管實測水位總體上是埋設(shè)在心墻內(nèi)的測壓管水位較高，埋設(shè)在代替料內(nèi)的水位略低，這與粘土和代替料滲透性有關(guān)，代替料及粉質(zhì)土砂滲透性系數(shù)大，粘土心墻防滲性好，浸潤線經(jīng)粘土心墻后，有一個降低的過程，說明粘土心墻對減少滲漏、降低浸潤線有明顯效果。

從觀測總體情況來看，測壓管內(nèi)水位隨著庫水位的變化而變化，其中測壓管1-1、1-2、1-3、1-4、2-3、3-3、3-4 的水位隨著庫水位變化較為敏感。2-1、2-2、3-1、3-2 的測壓管只有在庫水位高于某一數(shù)值時才會隨著水位變化而有所改變。

3.2 滲透系數(shù)的選擇

本次柳塘水庫大壩滲透系數(shù)采用2013 年4 月福建華東巖土工程有限公司提供的《福建省尤溪縣柳塘水庫安全鑒定工程工程地質(zhì)勘察報告》。大壩壩體為粘土心墻壩，粘土心墻滲透系數(shù)建議值為Kc=2.54×10-4cm/s。大壩填土料主要有粘性土、代料土，土料滲透系數(shù)K 見下表2。

表2 大壩填土料類別及滲透系數(shù)

3.3 壩體滲流計算

計算斷面選用土壩最大斷面進行計算。計算程序采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編制的水工有限元分析軟件Autobank 6.0 進行計算，大壩滲流計算成果見表3。

表3 大壩滲流計算成果表

說明：①工況Ⅰ：正常蓄水位情況，上游水位為正常蓄水位582.80 m，下游無水；②工況Ⅱ：校核洪水位情況，上游水位為校核洪水位583.22 m，下游無水；③工況Ⅲ：校核洪水位驟降情況，上游水位為校核洪水位583.22 m驟降至正常溢洪道堰頂高程576.80m，下游無水。

根據(jù)顆分試驗成果，大壩粘土心墻處壩體填土的主要成分均為粘性土，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）附錄G，粘性土和不均勻系數(shù)小于和等于5 的無粘性土的滲透變形主要為流土。經(jīng)判定其滲透變形式為流土型。其臨界水力比降按下式確立：

流土型臨界水力比降：Jcr=（Gs-1）×（1-n）

計算結(jié)果為：

Jcr=（Gs-1）×（1-n）=（2.72-1）×（1-0.450）=0.947；

經(jīng)綜合考慮工程條件與地質(zhì)條件，安全系數(shù)采用2，故大壩處容許水力比降J允許=Jcr/2=0.47。

大壩填筑土料為粘土，根據(jù)地質(zhì)報告提供，壩體粘土心墻的臨界水力坡降為0.947，容許水力坡降為0.47。從表中計算成果看，大壩水力坡降均高于容許水力坡降，且實際運行中壩腳存在滲漏現(xiàn)象。因此大壩在滲流方面存在較大隱患[2]。

3.4 壩基及繞壩滲漏分析

3.4.1 壩基滲漏分析

根據(jù)野外鉆探成果，大壩河床壩基巖性主要為強風(fēng)化花崗巖及弱風(fēng)化花崗巖，參照巖土層滲透系數(shù)建議值表，弱風(fēng)化花崗巖屬于弱透水層，但強風(fēng)化花崗巖屬于中等透水層，因此大壩河床壩基存在滲漏。

以大壩壩軸線剖面進行估算，以正常蓄水位線與底部相對隔水層（以透水率q≤5 Lu）交線為界，根據(jù)地形分左岸、河床、右岸三個區(qū)選用卡明斯基公式近似計算壩基滲漏量，計算結(jié)果詳見表4。

3.4.2 繞壩滲漏分析

大壩左右岸山體巖性主要為粉質(zhì)粘土、強風(fēng)化花崗巖及弱風(fēng)化花崗巖，參照巖土層滲透系數(shù)建議值表，粉質(zhì)粘土及弱風(fēng)化花崗巖屬于弱透水層，但強風(fēng)化花崗巖屬于中等透水層，因此大壩左右岸均存在繞壩滲漏。左右岸繞壩范圍線取設(shè)計正常蓄水線與隔水層頂板交線，按簡單水文條件（層流）考慮，選用公式Q=KH（H1+H2）粗略計算大壩繞壩滲漏量，經(jīng)計算大壩繞壩滲漏約為658.873 m3/d，建議要進行灌漿處理[3]。

表4 壩基滲漏量計算表

3.5 其它建筑物滲流分析

溢洪道基礎(chǔ)為弱風(fēng)化花崗巖，勘察期間經(jīng)現(xiàn)場檢查及多年管理經(jīng)驗，溢洪道底板存在滲漏現(xiàn)象，且溢洪道混凝土底板厚度太薄，局部裂縫非常嚴重。經(jīng)分析，溢洪道產(chǎn)生滲漏及裂縫的原因為溢洪道與基底弱風(fēng)化花崗巖結(jié)合部膠結(jié)程度較差，導(dǎo)致結(jié)合部出現(xiàn)滲漏通道，滲水過程中對溢洪道底板產(chǎn)生擠壓作用，從而出現(xiàn)裂縫。觀點表明要對溢洪道進行工程處理。輸水隧洞基礎(chǔ)為弱風(fēng)化花崗巖，勘察期間經(jīng)查詢水庫日常運行資料，發(fā)現(xiàn)輸水隧洞存在少量滲漏，未發(fā)現(xiàn)明顯位移、變形等不良現(xiàn)象，輸水隧洞整體質(zhì)量良好[4]。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)壩體測壓管鉆孔試驗數(shù)據(jù)及滲流穩(wěn)定理論計算數(shù)值，可以證明大壩在各種工況下的水力坡降均大于允許水力坡降，不滿足規(guī)范要求。大壩下游壩腳539 m 平臺水草豐盛，高水位時可見滲水，但是由于大壩滲流觀測設(shè)施不完善，測壓管部份失效，且壩后也未設(shè)置量水堰，所以無法準確觀測大壩滲漏情況。另外，溢洪道混凝土底板厚度太薄，最大厚度不超過20 cm，裂縫非常嚴重。水位達580 m 高程時明顯發(fā)現(xiàn)滲水。

根據(jù)以上情況，對照《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258-2000）的規(guī)定，可以認為，柳塘水庫經(jīng)過40 年運行，存在較大的滲流安全隱患。

為此，要對大壩進行防滲加固處理。大壩壩基以及壩肩基巖強風(fēng)化層采取帷幕灌漿，漿液進入穩(wěn)定的相對隔水層一定深度，并與壩體防滲體連為一體。對于溢洪道基礎(chǔ)存在局部滲漏的現(xiàn)象，要對基礎(chǔ)進行防滲加固處理。另外，大壩要增設(shè)量水堰，進行除險加固，加強大壩安全監(jiān)測和安全鑒定工作，并做好觀測記錄、資料整理歸檔等工作。