某小型水库安全鉴定中坝体渗流稳定分析

唐 宏

(江西省大余县水库工程管理局，江西 大余 341500)

1 工程概况

某除险加固工程为IV等小(1)型水库，坝高19m，水库总库容313.93万m3，是一座以防洪灌溉为主，兼顾工业用水任务的水利工程，水库防洪标准为30a一遇洪水设计，300a一遇洪水校核[1]。水库建于1957年，后期进行了必要的扩建、加固和维修，达到现有规模。从水库工程档案资料来看，水库运行过程中未出现坝址漏水量增大的现象，坝下游坡面未出现“牛皮胀”、渗水等现象。从水库历史运行资料来看，水库主坝坝基及坝区、岸坡均无异常渗漏情况。从现场检查情况来看，该水库主坝除坝后坡排水棱体有2处存在少量的渗流量外，坝体、坝基、坝区及岸坡无异常渗流情况。文章主要对大坝进行渗流安全评价分析，通过分析得到坝体渗漏情况，指导坝体除险加固设计施工。

2 渗流安全评价

2.1 评价方法

根据该水库各枢纽工程布置及运行情况，渗流安全评价主要方法为：①根据本次除险加固水库工程中现场检查、运行管理资料，结合地质勘察报告分析，复核已实施的渗流控制措施能否保证大坝安全运行；②依据渗流复核计算成果、现场检查情况、渗流监测资料等资料进行综合分析，评价大坝渗流安全性。

2.2 渗流观测断面布设

本次在水库主坝共布置4个渗流观测断面，3排测压管(每个断面布置3根测压管)，大坝坝脚设有量水堰观测设施，用于观测渗水点的渗漏量。大坝观测设施布置见图1，大坝测压管观测数据见表1。根据大坝测压管观测数据，4个断面的同一排测压管水头值不同，表明各断面附近坝体填土土质存在不均匀情况。

图1 水库大坝观测设施平面布置图

表1 水库测压管数据摘录分析表 m

当库水位值为77.89m时，采用北京理正软件设计研究院的理正系列软件中的“理正渗流分析软件”，计算结果如图2所示。

分析测压管数据，经过采用北京理正软件设计研究院的理正系列软件中的“理正渗流分析软件”，计算结果与测压管中基本一致，表明渗流状况良好。

对4件坝体人工填土试样进行了室内渗透试验，渗透系数为4.3E-6cm/s-8.6E-4cm/s，平均渗透系数为3.00E-4cm/s，为中等透水性。

图2 实测值与计算值浸润线曲线对比图

综上所述，坝体填筑土土料质量满足均值土坝用料要求，但水库坝体填筑土压实度不满足《水库大坝安全评价导则》中对压实度的要求，应进一步进行大坝渗流计算分析后来评价大坝结构渗流稳定状况。

3 渗流计算分析

3.1 计算方法及工况

大坝计算参数、材料性质、布置等资料主要来源于现场调查收集资料、本次评价及复核的相关成果、钻探勘探试验数据以及相关工程经验类比等，计算参数见表2。作渗流计算分析时，对主坝段各选取其最大断面作为计算断面进行计算分析。大坝渗透稳定分析采用北京理正软件设计研究院的理正系列软件中的“理正渗流分析软件”，各运用条件的特征水位，即：

表2 主坝岩土层渗流计算主要物理力学性质指标表

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)来分析主坝计算工况，渗流及稳定计算应考虑水库运行中出现的各种不利条件，计算工况确定见表3。非稳定渗流计算的边界条件假设在骤降前已经形成稳定的渗流，拟定如表3工况4。

表3 甘坑水库主坝渗透稳定分析工况表

3.2 计算参数及计算原理

该水库大坝各土层的渗流计算参数采用本次地质勘察成果，计算采用二维饱和渗流的初流量有限元计算方法。饱和渗流的基本方程为：

(1)

式中：x,y为空间坐标；H为水头函数；kx、ky为以x、y轴为主轴方向的渗透系数。土坝非稳定渗流的定解条件为：

初始条件：h|t=0=h0(x,y,t) ；边界条件、水头边界：H|Г1=f1(x,y,t)

土坝稳定渗流的定解条件，只有边界条件式(3)式中n为边界Γ2的外法向。渗流计算时事先不能确定土坝渗流自由面位置，所以应把确定自由面的位置作为计算的重要部分。因为渗流自由面上的水头压力等于大气压，所以该面上任一点的位置高程应该等于该点的水头值。为确保式(1)存在唯一解，在渗流自由面上应满足条件h=z。对非稳定渗流情况，自由面应同时满足h=z和单宽流量关系式，即计算自由面下降时由渗流自由面流进坝体内的单宽流量q。

(2)

式中：h为渗流自由面上的水头大小；μ为渗流自由面变动范围内的土体有效孔隙率；θ为铅垂线与渗流自由面外法向的夹角。

3.3 计算成果及分析

1)计算坝体浸润线：

依据相关设计规范，当计算渗透流量时，选取渗透系数大值平均值，相反当计算水位降落时的浸润线时，选取渗透系数小值平均值。本次计算采用北京理正公司推出的渗流计算软件。主坝计算断面见图3所示，渗流计算成果见表4，计算成果见图4。

表4 甘坑水库主坝单宽渗流量计算成果表

图3 主坝计算断面图

图4 主坝断面工况1时的渗流浸润线

2)计算成果分析：

分析主坝坝体浸润线计算成果，在能形成渗流场的情况下，浸润线遵循随库水位上涨而提高、随库水位跌落而下降的规律，表明主坝段防渗状况良好，计算结果合理，可用于边坡稳定分析。

3.4 渗透稳定分析

根据本次安全鉴定的岩土勘察报告，主坝坝体填土为素填黏性土，坝基地层为粉质黏土层、砾砂层、强风粉砂岩组成。根据“理正渗流分析软件”计算成果，主坝坝体最大出逸比降为0.212。根据水利地质勘察相关规范，可初步判断主坝坝体填土渗透变形类型为流土。流土与管涌的临界水力比降应采用下式计算：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(3)

式中：Jcr为土的临界水力比降；Gs为土的颗粒密度与水的密度之比；n为土的孔隙率，%，n=e/(1+e)，e为孔隙比。水库属比较重要的工程，渗流破坏对主坝危害较大，本次流土安全系数取2.0。渗透稳定分析计算成果见表5。

表5 水库主坝坝体渗透稳定分析计算成果表

从上述计算成果可见主坝段在各工况下的渗透比降均低于允许水力比降，计算结果表明主坝段均不会发生流土破坏。

3.5 大坝渗流安全评价

根据本次安全鉴定的岩土勘察报告，主坝段填土为素填黏性土，坝基冲积粉质黏土、砾砂层、粉砂岩强风化带。根据土工实验，主坝段填土平均渗透系数为3×10-4cm/s，主坝段填土渗透系数均不满足《碾压式土石坝设计规范》中“均质坝≤1×10-4cm/s”要求[2]。根据本次安全鉴定的岩土勘察报告，坝体填筑土压实度介于72%-93%之间，主坝段的压实度均不满足规范要求，与规范要求相差较大。

虽然该水库主坝的坝体填土渗透系数、压实度均不满足规范要求，但从水库主坝历史运行状况、现场检查情况来看，主坝段防渗状况良好，未发现牛皮胀等渗漏现象从渗透稳定分析计算成果来看，主坝段不会发生渗透破坏。

4 结论及建议

综合分析水库主坝填筑质量、运行过程中的渗流情况、渗流计算成果、现场检查情况、地质勘察成果，可得出：①虽然该水库主坝的主坝段填土渗透系数、压实度均不满足《碾压式土石坝设计规范》要求，但经渗透分析，主坝段不会发生渗透破坏。②从该水库历史运行情况及现场检查情况来看，渗流正常，其它坝基及坝区、岸坡均无异常渗漏情况。从分析结果可见，主坝无渗流异常，不影响到主坝安全，依据《水库大坝安全评价导则》评定主坝渗流安全性为A级。