河北唐山陡河水庫大壩滲流穩(wěn)定性分析

見立紅

(唐山市陡河水庫事務(wù)中心，河北 唐山 063021)

1 工程現(xiàn)狀

陡河水庫位于河北省唐山市東北15 km處陡河上，控制流域面積530 km2，占流域總面積的39.5%，總庫容5.152億m3，是一座防洪、城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉綜合利用的大(2)型水庫。水庫樞紐工程由主壩、副壩、輸水洞、溢洪道等建筑物組成，大壩壩型為均質(zhì)土壩。樞紐工程采用千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬年一遇洪水校核，設(shè)計(jì)抗震烈度為8度。攔河壩為均質(zhì)土壩，全長7364.0 m，設(shè)計(jì)頂高程44.0 m，防浪墻頂高程45.3 m，壩頂寬度5.0 m。當(dāng)前工程安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-5]。

2 主壩滲流分析

2.1 壩基的透水性

據(jù)地勘資料，主壩河床壩段壩基巖體透水率q=3.95～9.25 Lu，左壩段壩基巖體透水率q=4.5～7.1 Lu，右壩段壩基巖體透水率q=3.1～9.6 Lu，均屬弱透水性等級(jí)。參照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)要求，主壩壩基透水層厚度約為2.20 m，透水性主要受巖石構(gòu)造裂隙影響，一般隨巖石風(fēng)化程度減弱及深度增加呈減小趨勢。

2.2 壩基及繞壩滲漏

根據(jù)運(yùn)行情況及原左壩肩防滲處理情況，帷幕灌漿防滲性能一般，局部灌漿質(zhì)量存在缺陷。考慮已運(yùn)行十余年，后期帷幕防滲作用將遞減，難以保證大壩防滲要求。根據(jù)地勘資料，大壩清基至弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖，壩基混凝土厚度約1 m，壩體與壩基弱風(fēng)化變質(zhì)巖體接觸地段透水率q=9.25～9.6 Lu。參照按透水率q≤5 Lu作為相對不透水層控制標(biāo)準(zhǔn)，存在壩基滲漏。經(jīng)調(diào)查，大壩左、右壩肩山體結(jié)合部均存在滲漏，其中左壩肩存在管涌狀滲漏，2006年進(jìn)行了補(bǔ)充帷幕灌漿處理，效果良好；右壩肩山體結(jié)合部高程33.0 m處見管涌狀漏水，滲漏量與庫水位正相關(guān)，庫水位32.8 m時(shí)滲漏量約2.2 L/s。綜合分析，大壩存在壩基滲漏及繞壩滲漏問題。

2.3 壩體滲漏

依據(jù)地勘資料，大壩壩體為砌石體，由塊石、水泥砂漿組成。ZK2鉆孔0～10.2 m(標(biāo)高38.2～37.5 m)深度施工過程中鉆孔全漏水，注水試驗(yàn)流量>42 L/min，于孔底滲漏，無法維持水頭穩(wěn)定，滲透系數(shù)>2.213×10-2～7.709×10-3cm/s。

混凝土防滲墻位于大壩上游側(cè)，墻厚0.8 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。防滲墻混凝土粗骨料礫石成份主要為花崗巖及石英巖，礫石粒徑一般為2～5 cm，礫石含量約為30%，總體混凝土質(zhì)量一般，可見有許多蜂窩狀小氣孔，氣孔直徑一般為1～3 mm，不影響防滲效果。據(jù)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，溢流壩下游面左側(cè)高程約39.0 m左右處可見兩處滲漏痕跡。因此，大壩混凝土防滲墻防滲性能總體良好，壩體存在局部滲漏[6]。

3 副壩滲流穩(wěn)定分析

3.1 計(jì)算斷面及滲流參數(shù)的選擇

(1)計(jì)算代表斷面采用地處主河槽、壩高最大、受三維繞滲影響較小的斷面。

(2)計(jì)算參數(shù)：計(jì)算參數(shù)據(jù)以本次地勘資料分析選用，陡河水庫副壩壩基無區(qū)域性斷裂構(gòu)造通過，地勘時(shí)也未發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙存在，因此本次滲流計(jì)算可不考慮壩基分區(qū)計(jì)算。各土層的滲數(shù)系數(shù)以室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)成果為主，壩體土層及滲透系數(shù)取值詳見表1。

表1 大壩滲透系數(shù)分區(qū)

3.2 滲流計(jì)算

3.2.1 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)規(guī)定，滲流計(jì)算應(yīng)包括以下水位組合情況：① 上游正常蓄水位34.0 m與下游相應(yīng)的最低水位。② 上游設(shè)計(jì)洪水位40.3 m與下游相應(yīng)的水位。③ 上游校核洪水位43.4 m與下游相應(yīng)的水位。

基于水文調(diào)洪計(jì)算成果，陡河水庫正常蓄水位為34.0 m；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000 a一遇洪水，設(shè)計(jì)洪水位40.3 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 000 a一遇，校核洪水位為43.4 m。校核洪水位降至溢洪道進(jìn)口底高程的降落時(shí)間為24 h。下游水位的確定：均取下游壩腳高程20.0 m。

3.2.2 計(jì)算內(nèi)容

(1)確定壩體浸潤線位置，繪制壩體壩基等勢線分布圖。

(2)確定壩體壩基滲流量。

(3)計(jì)算壩體土的滲透比降。

(4)確定庫水位降落時(shí)上游壩坡內(nèi)浸潤線位置[7]。

3.2.3 滲流計(jì)算結(jié)果

采用北京理正軟件研究所編著的《理正滲流計(jì)算軟件》，按有限元數(shù)值分析法計(jì)算的各工況的壩體浸潤線位置、壩體及壩基等勢線和滲漏量以及壩體最大水平滲透坡降見表2。

表2 大壩穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

3.2.4 滲流計(jì)算結(jié)果分析

穩(wěn)定滲流計(jì)算成果表明：計(jì)算工況下大壩穩(wěn)定滲流性態(tài)符合心墻土壩滲流場分布規(guī)律，滲流量較小，最大水平滲透坡降0.38小于壩體土允許滲透坡降0.42，但設(shè)計(jì)及校核洪水工況下壩后出逸點(diǎn)高出現(xiàn)有排水體頂高程，不利壩坡穩(wěn)定。

非穩(wěn)定滲流計(jì)算表明：庫水位自校核洪水位降至正常蓄水位時(shí)，上游水位下降5.09 m，降落歷時(shí)為72 h，壩體內(nèi)自由水面降低較小，壩體內(nèi)孔隙水壓力未消散，不利于壩坡穩(wěn)定。庫水位自正常蓄水位降至壩基278.00，上游水位僅下降5 m，降落時(shí)間較長(10 d)，壩體內(nèi)自由水面降低較小，壩體內(nèi)孔隙水壓力消散較慢，不利于壩坡穩(wěn)定。

4 討論與分析

4.1 主 壩

主壩帷幕灌漿防滲性能一般，局部灌漿質(zhì)量存在缺陷。后期帷幕防滲作用將遞減，難以滿足大壩防滲要求。大壩壩基為弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖，壩體與壩基接觸段透水率q>5 Lu，存在壩基滲漏。右壩肩有管涌狀漏水，滲漏量與庫水位正相關(guān)，滲流量較大。綜合分析，大壩存在壩基滲漏及繞壩滲漏。大壩砌石壩體施工質(zhì)量較差，壩體空隙率較大、透水性較強(qiáng)，但大壩上游側(cè)設(shè)有混凝土防滲墻，防滲性能總體較好。溢流壩下游面見有兩處滲漏痕跡。綜上所述，大壩防滲性能總體良好，壩體存在局部滲漏。陡河水庫防滲設(shè)施基本完好，但存在壩基滲漏及繞壩滲漏問題，右壩肩呈現(xiàn)集中滲漏，結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析成果，認(rèn)為大壩的滲流性態(tài)已不安全。參照《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258—2017)分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，主壩滲流安全性為C級(jí)。

4.2 副 壩

副壩穩(wěn)定滲流性態(tài)符合心墻土壩滲流場分布規(guī)律，滲流量較小，最大水平滲透坡降0.38小于壩體土允許滲透坡降0.42，但設(shè)計(jì)及校核洪水工況下壩后出逸點(diǎn)高出現(xiàn)有排水體頂高程，在壩坡出逸，存在滲透破壞安全隱患。結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析成果，認(rèn)為大壩的滲流性態(tài)基本安全。參照標(biāo)準(zhǔn)SL 258—2017分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，大壩滲流安全性為A級(jí)。

5 結(jié) 語

(1)主壩河床壩段壩基巖體屬弱透水性，大壩存在壩基滲漏及繞壩滲漏問題，大壩混凝土防滲墻防滲性能總體良好，壩體存在局部滲漏。大壩滲流性態(tài)已不安全，主壩滲流安全性為C級(jí)。

(2)副壩穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果表明，滲流性態(tài)符合土壩滲流場分布規(guī)律，滲流量較小；非穩(wěn)定滲流計(jì)算表明，庫水位自校核洪水位降至正常蓄水位時(shí)，壩體內(nèi)自由水面降低較小，壩體內(nèi)孔隙水壓力未消散，不利于壩坡穩(wěn)定。

(3)陡河水庫均質(zhì)土壩壩體滲流存在一定隱患，建議采取有效工程措施完善大壩防滲體系，提高壩體、壩基及壩體與壩基的防滲性能，必要時(shí)可增設(shè)大壩滲流觀測系統(tǒng)，及時(shí)監(jiān)測大壩滲流狀況，確保大壩安全運(yùn)行。