錦江水庫大壩防滲墻防滲設計研究

林小聰

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程概況

錦江水庫位于廣東省仁化縣南部，北江一級支流錦江峽谷出口段，距仁化縣7 km，以發(fā)電、防洪為主的樞紐工程。設計裝機容量2.50 萬kW，總庫容1.89 億m3。水庫由攔河壩、電站廠房、開關站及上壩公路等等組成。攔河壩一座，為碾壓混凝土重力壩段與石渣混凝土心墻壩段組成的混合壩。攔河壩長總229.00 m，壩頂寬度7.00 m，最大壩高62.45 m，壩頂高程140.45 m，壩頂設防浪墻，墻頂高程141.65 m。混凝土壩段布置左岸擋水壩段、溢流壩段及引水壩段，左岸及右岸分設長28.50、49.00 m混凝土防滲刺墻，墻厚2.00 m。自左岸～右岸順序為：左岸擋水壩段（0+000～0+068）、溢流壩段（0+068～0+107）、引水壩段（0+107～0+132）、右岸擋水壩段（0+132～0+157）、石渣混凝土心墻壩段（0+157～0+229）；石渣混凝土心墻壩段通過衡重式擋墻與混凝土壩段連接。電站廠房緊接引水壩段下游布置，主廠房凈寬15.40 m，高29.77 m，總長44.90 m（含安裝間），主廠房尾水管以上分設水輪機層及發(fā)電機層，安裝單機容量1.25萬kW的水輪發(fā)電機組2臺；副廠房凈寬9.20 m，長45.30 m共四層，主要布置中控室、電氣設備、通信設備及檢修、值班、會議、休息室。開關站布置在廠房右側山坡與公路之間，110 kV 地面高程102.80 m，平面尺寸為：39 m×34 m。水庫中轉碼頭位于水庫右側，距壩軸線約200 m，為斜坡式碼頭，通過198.70 m 長公路與上壩公路連接。上壩公路長178.61 m，路面寬7.00 m，進廠公路長102.00 m，路面寬7.00 m，均為混凝土路面。

錦江水庫工程任務主要是防洪、發(fā)電和灌溉等綜合效益。錦江水庫原設計正常蓄水位135 m，庫容1.45 億m3；設計洪水位138.80 m，相應庫容1.83 億m3；混凝土重力壩段校核水位139.36（P=0.10%），相應庫容1.89億m3；石渣混凝土心墻壩段校核水位139.56 m（P=0.05%），相應庫容1.92億m3。

2 工程區(qū)氣象水文

錦江水庫工程所在地屬亞熱帶季風型氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，一般雨季來得早，春季陰雨連綿，夏日高溫濕熱，秋季少雨，冬有短期霜（冰）凍。據(jù)仁化氣象站資料，仁化縣年平均氣溫19.50℃，年極端最高氣溫40.20℃，極端最低氣溫-5.40℃，初霜于12 月上旬末，終霜于2 月初。年均蒸發(fā)量1 340 mm，多年平均降雨量1 662 mm，年最大降雨量2 060 mm，平均降雨天數(shù)153 d，一年中3—8月的降雨量占全年總降雨的73.50%，其中4—6月占47%。流域多年平均徑流深940 mm，變幅在800～1 100 mm。壩址多年平均流量39.30 m3/s，多年平均年徑流12.58 億m3，壩址百年一遇洪峰流量2 300 m3/s，相應三天洪量2.08 億m3，千年一遇洪峰流量3 090 m3/s，相應三天洪量2.78億m2，年平均含砂量0.11 kg/m3。

3 工程運行滲流異?，F(xiàn)象

工程日常巡查發(fā)現(xiàn)：①大壩：左岸擋水壩、引水壩水平施工縫有滲水流漿現(xiàn)象；②溢流壩閘門止水膠有漏水現(xiàn)象，流道完好；③引水壩壩后排氣孔分倉水平分縫蜂窩漏水；④石碴壩上游、下游壩面由于被混凝土覆蓋無法看出；⑤右岸下游邊坡?lián)跬翂π迯秃笥捎诮涤耆岳^續(xù)少量滑坡現(xiàn)土已經(jīng)溢出擋土墻；⑥廊道滲水穩(wěn)定，壩體廊道內有滲水流出處均有析出物沉積現(xiàn)象。

錦江水庫大壩壩基集水井滲漏量觀測統(tǒng)計詳見表1，上游水位與滲漏量相關系數(shù)見表2。

表1 1993—2019年壩基集水井滲流量統(tǒng)計表 單位：m3/h

表2 1999—2019年上游水位與滲漏量相關系數(shù)表

結合施工記錄和統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，1993 年剛蓄水時滲漏量較大，主要當時有一艙面沖洗出水口與上游連通，蓄水三日即被庫水打通，造成此現(xiàn)象，后經(jīng)灌漿封堵處理。至1994年3月31日左右岸灌漿帷幕完成后滲漏量明顯減小；2000—2002 年間由于受0+193廊道壩塊分縫（鍍鋅止水鐵片銹蝕漏水）影響，總滲量增加約6 m3/h，經(jīng)灌漿處理后2003 年至今情況趨于穩(wěn)定，且滲漏量有逐年減小的跡象。正常年份滲漏總量與上游水位關系密切。

根據(jù)大壩局部滲流異常現(xiàn)象初步分析：①左岸擋水壩、引水壩水平部分施工縫有滲水流通道，導致滲流水漏漿；②）部分溢流壩閘門止水膠損壞；③引水壩壩后排氣孔分倉水平分縫有蜂窩現(xiàn)象是由于施工碾壓不充分造成；④壩體廊道內結構縫有變形，縫內止水效果減弱導致縫內有滲水和白色晶體析出。建議盡快針對大壩不同滲漏部位，原因采取有針對性解決措施，防治滲流事態(tài)進一步加大。

4 研究方法

4.1 計算模型構建

錦江水庫大壩0+157～0+229 為石渣混凝土心墻壩段，壩身防滲采用混凝土心墻，心墻底與壩基防滲齒墻相接，石渣壩混凝土防滲心墻底部厚2.00 m，頂部0.05 m，中部有2 道水平縫，縫內設止水銅片；順壩軸線方向每隔15 m 設結構縫，縫內設銅片止水及瀝青模板充填。

根據(jù)石渣混凝土心墻壩段設計資料及地勘資料，此次復核擬按最不利原則，選取最大壩高斷面作為石渣混凝土心墻壩段的典型計算斷面，按照《碾壓式土石壩設計規(guī)范》，對典型斷面上游壩坡進行抗滑穩(wěn)定復核，計算模型見圖1。

圖1 石渣混凝土心墻壩段的典型計算斷面圖

4.2 石渣混凝土心墻壩段滲流計算參數(shù)

根據(jù)《錦江水電站工程初步設計報告第五篇》相關資料，石渣混凝土心墻壩段堆石填料物理力學指標濕容重20.90 kN/m3，浮容重11.65 kN/m3，內摩擦角37.55°，滲透系數(shù)均值K=2×10-3cm/s；其余參數(shù)參照類似工程的經(jīng)驗值。

各壩段各土層物理力學指標如表3所示。

表3 壩體各土層物理力學參數(shù)表

4.3 計算方法及工況

此次復核采用有限元方法，按二維平面問題進行滲流計算。通過對土壩各工況的滲流場進行計算分析，判斷土壩的滲透穩(wěn)定情況。土壩滲流采用河海大學開發(fā)的Autobank6.00 軟件進行計算。

4.3.1 浸潤線計算

考慮到水和土的可壓縮性，建立了符合達西定律的二維非均質各向異性土滲流基本方程：

該公式是土壩非穩(wěn)定滲流的基本方程。當水和土壤不可壓縮時，上述公式變?yōu)椋?/p>

式（3）中：h 為邊界水頭，n為邊界的外法線方向，Z 為浸潤線上各點的幾何坐標值。可以使用邊界上每個節(jié)點的水頭值繪制浸潤線。

4.3.2 軟件應用方法

軟件的應用應按照以下程序進行：①啟動autobank（相關的AutoCAD也相應啟動）軟件，進入軟件主界面。②建模。在軟件主界面建立模型；定義各種可能材料的滲透特性。如果是穩(wěn)定滲流，只需給出滲透系數(shù)；在非穩(wěn)定滲流情況下，需要給出滲透系數(shù)和產(chǎn)水量（可根據(jù)孔隙比使用程序中的經(jīng)驗公式計算產(chǎn)水量）。定義材質屬性后，將值指定給相應的土層。③單位司。劃分單元可分為兩種方式：半自動網(wǎng)格劃分或全自動網(wǎng)格劃分。文章采用全自動三角測量方法。④定義邊界條件。有固定水位邊界、可能逃逸邊界和水位變化邊界；確定水位和水位與上游坡度交點后，從該點向上游繪制水位線，輸入水位信息；繪制水位線后，從水位線與上游坡度的交點開始，沿接觸面與水的每個拐點連接的線為滲透邊界線。沿下游邊坡連接拐點的線是可能的滲流邊界。⑤保存圖形文件并生成數(shù)據(jù)文件。⑥解決。求解滲流場。⑦后處理。檢查各種滲流場成果，包括等位線、浸潤線、速度等值線圖、速度矢量圖、水力梯度等值線圖等。

4.3.3 計算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》第8.1.2 條，土石壩滲流計算按以下三種工況計算，大壩滲流計算的主要工況見表4。

表4 大壩滲流主要工況表

5 計算結果與分析

根據(jù)錦江水庫均質土壩的結構斷面及相關參數(shù)，采用上述計算分析方法進行滲流穩(wěn)定性計算。根據(jù)巖土工程試驗資料，大壩填筑料為全強風化料或殘積料，嚴格意義上不是黏土均質壩。滲透系數(shù)如表4所示。autobank軟件主界面建模如圖1所示。圖1 中的模型尺寸與原始剖面一致。根據(jù)全自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分為三角形單元。不同的顏色表示不同的土壤條件。對典型斷面進行了相應工況的滲流計算，其滲流計算成果見圖2～圖4。

圖2 石渣混凝土心墻壩段滲流工況1計算浸潤線成果圖

圖3 石渣混凝土心墻壩段滲流工況2計算浸潤線成果圖

圖4 石渣混凝土心墻壩段滲流工況3計算浸潤線成果圖

從各工況計算浸潤線成果圖可以看出：石渣混凝土心墻壩設有防滲混凝土心墻，防滲墻進入弱透水層——弱風化層，各種工況下等水頭線在防滲混凝土心墻區(qū)域集中，水頭驟減，表明大壩采用混凝土防滲墻的防滲措施，混凝土心墻底部與壩基常態(tài)混凝土相接，并于壩基混凝土齒槽相連，防滲墻頂部與壩頂連接，已超過水庫校核洪水位139.56 m，起到了良好的防滲、截滲效果。由于滲流場在防滲混凝土心墻區(qū)域以下的水頭降到很低，已基本與大壩下游壩區(qū)地下水位一致，防滲混凝土心墻上、下兩側設有反濾料，這些工程滿足規(guī)范要求，運行效果良好。

6 結語

現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)大壩存在以下局部異常滲流現(xiàn)象：①左岸擋水壩、引水壩水平施工縫有滲水流漿現(xiàn)象；②溢流壩閘門止水膠有漏水現(xiàn)象，流道完好；③引水壩壩后排氣孔分倉水平分縫蜂窩漏水；④廊道滲水穩(wěn)定，壩體廊道內有滲水流出處均有析出物沉積現(xiàn)象。經(jīng)過工程的防滲、排水系統(tǒng)結構復核及工程運行滲流異常現(xiàn)象復核，認為錦江水庫大壩防滲和排水系統(tǒng)設計復核現(xiàn)行規(guī)范要求；大壩防滲、排水設施基本完善；通過觀測資料分析，大壩滲透壓力及滲流量變化趨勢穩(wěn)定，滲流量逐年減小。綜合以上結論，錦江水庫大壩滲透穩(wěn)定安全評價為B級。