廣東某水庫大壩滲流安全分析

劉群麗

（廣東城華工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510660）

1 引言

水庫滲流是常見的水庫破壞形式,填筑土質量、壩基土性質是影響水庫大壩滲流安全的重要因素。為了分析水庫大壩的滲流情況通常采用數值模擬方法進行研究,通過模型建立,可以反映大壩的流網、流線等情況,計算結果較為可靠[1-4]。

某水庫地處丘陵地帶,位于廣州市番禺區市橋城區西大夫山森林公園內。庫長約400 m,庫水面寬130 m～155 m,匯水區內最高點為大壩南西方向的大烏崗,高程226 m 左右。壩址區為丘陵前的沖積洼地,兩岸低丘高程多在19.00 m～54.00 m,左岸低丘最高點高程110.00 m,右岸最高點高程88.00 m,地形坡度5°～38°。大壩下游河谷出口處地形較平緩,地面高程15.00 m～18.00 m,現為西大夫山森林公園。另緊臨壩背水側為紅山湖。

2 大壩及基礎滲漏現狀

水庫建于丘陵地區低洼地帶,整體呈彎弧形,上游窄下游寬。庫長約400 m,水庫庫底高程16.20 m～18.60 m,最大水深約6.10 m。庫岸地形較平緩,雛形沖溝較發育,地表徑流條件較好。岸坡地下水貧乏,未見泉水出露。

2.1 壩體滲漏情況

壩體局部為礫砂、角礫質粉質粘土。角礫質粉質壤土、角礫質粉質粘土,壩體填筑土厚2.00 m～11.40 m。壩體填筑土密實度及物質組成不均一,且具中等透水性。

2.2 壩基滲漏情況

壩基土體主要由Qal+pl粉質粘土、角礫粉質壤土組成,具中等～弱透水性,局部存在中等透水的粉細砂、礫砂層,但在庫內與壩下游并未貫通,且上部有粘性土阻隔,因此不存在滲透破壞及滲漏問題。壩基下伏元古界云開巖群（Pty）片麻巖,呈全～中風化,具中等～弱透水性,兩岸巖體封閉,不存在繞壩滲漏問題。壩基中等透水的土、巖體滲漏量小,對水庫的安全運行不造成影響。

2.3 現場滲漏檢查情況

根據現場檢查,大壩壩頂及岸坡種植有灌木以及地被類植物,壩坡殘留有已砍伐的喬木下部軀干等。壩坡面層多處有水流沖刷、植被生長造成的淺層裂隙,后坡發現處鼠洞、非洲大蝸牛穴一處。坡腳排水棱體有局部破損,墻身石塊缺失。目前該水庫大壩沿大壩下游壩坡、坡腳地帶、漿砌石棱體未見有水滲出現象,庫區未見冒泡和水面漩渦。

3 滲透穩定計算

3.1 計算工況

滲流計算時,應考慮水庫運行中出現的不利條件,需考慮計算下列幾種工況。

工況1：上游正常蓄水位與下游相應最低水位,此時壩內滲流的坡降最大,易產生滲透變形。

工況2：上游校核水位與下游相應最高水位,此時壩內浸潤線最高,滲流也最大。

工況3：庫水位由校核洪水位下降至正常蓄水位,對上游壩坡穩定不利。

3.2 滲流控制標準

滲流水可能溢出位置的壩體填土為含礫粉質壤土,發生流土的臨界水力比降計算如下：

式中：Gs土的土粒比重；n 土的孔隙率；e 土的孔隙比；K 安全系數,取1.5～2.0。

進行滲流分析時,考慮壩體和壩基的主要土層,根據地質勘察報告相關大壩的縱橫斷面地質情況進行綜合比較選取。

本次計算選用計算典型斷面為大壩南側距離溢洪道涵洞距離約80 m 的斷面,考慮到該斷面位置為大壩典型斷面,壩體以含礫粉質壤土成分為主,典型代表了七盞燈水庫大壩的斷面,對應剖面地質參考地勘報告2-2'橫斷面位置。

七盞燈水庫大壩壩體和壩基土層分區見圖1。

圖1 水庫壩體及壩基土層分區

本次計算壩體和地基各土層物理力學參數取值見表1。

表1 壩址區土層物理力學性質及滲透系數取值

續表1

安全系數K 取2.0,經計算,壩體含礫粉質壤土的臨界水力比降Jcr1=0.429,壩體碎石土的臨界水力比降Jcr2=0.444。

4 滲流分析

（1）工況1：上游水位為正常蓄水位22.30 m（溢洪道進水口底）,下游水位取下游蓄水塘常水位（蓄水塘溢流堰堰頂高程）14.00 m。

采用AutoBank v5.6 軟件進行計算,壩體下游壩面單寬單日滲流量q=0.1175040 m3/d,大壩滲流浸潤線分為兩部分,一部分位于大壩庫區迎水面位置的鋼筋砼擋墻、斜坡砼護面（圖中計算分層為代號T）,另一部分為鋼筋砼擋墻下部的土體位置的浸潤線,本次計算著重分析大壩內部非砼結構的土體部分的浸潤線。浸潤線逸出點位于下游壩坡漿砌石排水棱體坡腳位置,高程15.81 m,逸出口坡降0.066；浸潤線坡降0.00508～0.177,平均比降J=0.09104,不會發生流土現象。

（2）工況2：上游水位為校核洪水（P=2%）水位23.23 m,下游水位取下游蓄水塘常水位（蓄水塘溢流堰堰頂高程）14.00 m。

采用AutoBank v5.6 軟件進行計算,壩體下游壩面單日滲流量q=0.134784 m3/d,大壩滲流浸潤線分為兩部分,一部分位于大壩庫區迎水面位置的鋼筋砼擋墻、斜坡砼護面（圖中計算分層為代號T）,另一部分為鋼筋砼擋墻下部的土體位置的浸潤線,本次計算著重分析大壩內部非砼結構的土體部分的浸潤線。浸潤線逸出點位于下游壩坡漿砌石排水棱體坡腳位置,高程15.81 m,逸出口坡降0.122；浸潤線坡降0.021～0.179,平均比降J=0.100,不會發生流土現象。

（3）工況3：水位持續下降,各時刻壩體壩基流網圖均在變化,上游水位由23.23 m（P=2%）經36.67 h 后,降至正常蓄水位22.30 m,壩內滲流從不穩定滲流恢復到穩定滲流期間,初始時壩滲流量最大,為qmax=0.026784 m3/d。大壩滲流浸潤線分為兩部分,一部分位于大壩庫區迎水面位置的鋼筋砼擋墻、斜坡砼護面（圖中計算分層為代號T）,另一部分為鋼筋砼擋墻下部的土體位置的浸潤線,本次計算著重分析大壩砼結構部分的浸潤線。水位驟降后,一部分壩內水向上游壩坡滲漏,滲透坡降0.411～2.33,初始時浸潤線平均比降最大,Jmax=2.33,該部分滲流發生在砼擋墻內部,不會發生流土現象。

5 滲流安全評價結論

（1）根據現場檢查,大壩沿大壩下游壩坡坡腳地帶未見有地下水滲出現象,無管涌、流土等滲透破壞現象發生,現場檢查時亦未發現其他坡面浸潤、滲水渾濁等明顯不安全跡象。庫區未見冒泡和水面漩渦。壩坡面層多處有水流沖刷、植被生長造成的淺層裂隙,坡面有一處鼠洞,坡腳排水棱體有局部破損,墻身石塊缺失。

（2）根據工程地質勘察報告,壩基土體局部存在中等透水的粉細砂、礫砂層,但在庫內與壩下游并未貫通,且上部有粘性土阻隔,因此不存在滲透破壞及滲漏問題。兩岸巖體封閉,不存在繞壩滲漏問題。

（3）根據滲透穩定計算,在工況1 下,大壩滲流量較小,內部浸潤線平均比降均小于發生流土的臨界比降,浸潤線逸出點位于下游壩坡漿砌石排水棱體坡腳位置,壩體下游側無發生流土的危險。在工況2 下,內部浸潤線平均比降均小于發生流土的臨界比降,浸潤線逸出點位于下游壩坡漿砌石排水棱體坡腳位置,壩體下游側無發生流土的危險。在工況3下,浸潤線位于砼擋墻內部,比降小于發生砼允許的臨界比降,上游壩坡無發生流土的危險。