细冲沟水库大坝渗流分析及评价

邹 林，汤能见，覃智清

（1.长江工程职业技术学院，武汉 430212；2.咸宁水利勘查设计院，湖北 咸宁 437000）

1 概 况

细冲沟水库始建于1974年冬季，1976年春竣工，位于通城县大坪乡韩岭村，座落在陆水支流铁柱港上游的鸦雀山。水库承雨面积0.4km2，水库原总库容25.75万m3，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的小（2）型水库。该工程等级为Ⅴ等，主要建筑物是黏土心墙坝，级别为5级。细冲沟水库设计洪水标准为20年一遇，设计洪水位为188.44 m，相应下泄洪流量为5.5m3／s；校核洪水标准200年一遇，校核洪水位为188.8m，相应下泄流量为8.9 m3／s。水库正常高水位187.7m，死水位172.0m。

细冲沟水库运行30多年来，出现不少问题。如坝基透水性强，未做防渗处理；大坝填筑质量差，渗透系数较大，不满足规范要求，坝脚存在渗水现象，无排水设施；设计、校核水位高出心墙顶部，造成坝体渗流状态不安全等等。本次对细冲沟水库进行除险加固，需进行大坝渗流计算，为制定加固方案提供依据。

2 大坝渗流计算

2.1 心墙、代料土体透水特征

心墙填筑料物质组成主要为粉质黏土，局部夹有黏土、壤土、碎石、淤泥质壤土和少量植物根茎等，填筑较混乱，无明显的规律，粉质黏土呈黄褐色、灰褐色，可塑状，稍湿，黏性较强，可搓成细条。大坝心墙填筑土不均匀，其防渗性相对较差，渗透系数为6.79×10-5cm／s，具有弱透水性。

大坝代料主要为壤土料，呈褐黄色、灰褐色，稍湿，可塑，见有铁锰质浸染，夹有较多的风化块石、碎石，其成分主要为附近山体残积土，可见有原岩结构，但大部分矿物成分已经风化，块石浸水易崩解。壤土料分布于大坝上下游，是大坝代料的主要组成成分。渗透系数为3.1×10-3cm／s，具有中等透水性，渗透偏大。

表1 大坝体渗透系数表

渗流计算指标根据安全鉴定地质勘察土工试验物理力学指标，计算参数见表1。

2.2 大坝现状渗流计算

2.2.1 计算内容及工况选取

渗流计算的内容是根据上、下游水位，求出坝体浸润线及其出逸点位置、坝体和坝基渗流量以及坝体内部渗透坡降，为大坝坝坡稳定复核和水库除险加固工程设计提供可靠的依据。本工程土质心墙坝根据渗流计算需要拟定了2个正常工况和1个非常工况，如表2所示。

表2 大坝渗流计算工况表 （单位：m）

2.2.2 计算原理

平面稳定渗流计算的基本原理可归结为求解满足具体问题边界条件的拟调和方程：

式中：H＝y＋p／γ为渗流场的水头函数；p为压力；γ为水的容重；kx为土的水平方向渗透系数；ky为土的垂直方向渗透系数。

2.2.3 计算参数及结果

通过有限元软件对大坝现状进行渗流计算，结果如下：各种工况下大坝等势线图见图1；各种工况下坝体渗透坡降、渗流量、逸出点高程见表3。

图1 各种工况下大坝渗流计算等势线图

表3 大坝渗流计算成果表

3 渗流计算结果分析与安全评价

结合大坝安全鉴定及本次除险加固补充地质勘察及初步设计渗流计算复核，对细冲沟水库大坝渗流分析的结果归纳如下：

（1）坝基基岩透水性强，且未做防渗处理，致使坝体单位渗流量大。

（2）心墙防渗性能差，不能起到好的防渗作用，致使坝体浸润线位置较高。

（3）地勘报告建议心墙J允许取1.13，坝体代料J允许取0.15。计算成果表明心墙渗透坡降和坝壳代料逸出坡降均不满足要求，且下游逸出点高程较高，容易发生渗透破坏。

（4）设计洪水位和校核洪水位均高出心墙顶部，造成坝体渗流性态极不安全。

4 结论与建议

通过本次对大坝现状的分析，水库运行至今由于施工质量和运行管理不善等方面的原因，主要建筑物在渗流方面存在病险情，严重威胁水库的正常安全运行，水库大坝迫切需要整治加固，以消除水库建筑物的隐患，使水库达到规定的防洪标准，恢复正常兴利功能。

根据本工程的实际情况，大坝防渗处理的原则是“上堵下排”，上堵的措施有垂直防渗和水平铺盖防渗，下排的措施有反滤透水铺盖、导渗沟和减压井等。一般而言，垂直防渗措施能有效地解决渗漏问题，适用于新建坝的防渗处理和已建坝的防渗加固，水平防渗措施能在一定程度上控制大坝的渗透问题，但对改善大坝的渗透稳定效果不明显，且只适用于新建坝；下排措施虽然施工简单，但投资较大，只能在一定程度上控制大坝的渗透稳定问题，对减小大坝的渗漏问题不起作用，且易失效，日后维护工作量大，对水库大坝的防渗除险加固应根据大坝的工程地质条件、历年险情、水库的功能等因素，合理分析，使工程措施经济合理，行之有效。

该坝防渗处理措施主要考虑如下3种比选方案：

方案1：坝体高压喷射灌浆。高压喷射灌浆方法是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆和复合浆形成凝结体，以达到加固心墙和防渗的目的。

高喷灌浆，单排，灌浆孔距0.8m，根据经验，允许渗透坡降为60，设计有效成墙厚度1.0m。

方案2：坝体混凝土防渗墙。对坝体心墙采用混凝土防渗墙进行防渗处理，墙体有效成墙厚度为0.3m，防渗墙自坝顶从心墙中心线灌至心墙底深入基岩强风化层1.0m。

方案3：坝体黏土灌浆。黏土灌浆是将钻孔内的浆液在灌浆压力作用下，直径较小颗粒组成的浆液渗透到土体大颗粒的空隙内。其渗透程度随压力而增加，由于在渗透过程中能量消耗大，影响范围小，灌溉压力对地层的挤压作用也很有限，如果适当地增大灌浆压力，当其在孔壁上引起的切向拉应力大于地层的小主应力与土壤的抗拉强度之和时，应会使土体发生劈裂，浆液沿裂缝流动，能量消耗小，浸入范围大，当灌浆停止时，压力减小，土体回弹压缩浆液，促使浆体排水固结，进而提高浆体密度。

3个方案其他技术经济指标比较如表4。

表4 比选方案工程量及工程投资对照表

上述3种方案中，从工程技术方面来看，心墙加固采用高喷灌浆、混凝土防渗墙和粘土灌浆都是可行的，都是十分成熟的防渗处理技术，广泛用于堤防和水库大坝的加固工程中。

从投资来看，黏土灌浆投资最省，高喷灌浆最多，其次是混凝土防渗墙。

从施工难度看，混凝土防渗墙施工较简单，也易于保证工程质量，弹性模量低，适应变形能力强，从根本上控制坝身渗漏及白蚁隐患，且在其它工程上已积累了相当丰富的经验。本着投资合理，措施安全，技术可行的原则，综合比选，推荐混凝土防渗墙方案为大坝防渗除险加固处理措施。