卫星水库大坝渗流安全评价

魏光辉

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

卫星水库大坝渗流安全评价

魏光辉

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

根据卫星水库实际情况，通过渗流资料分析和渗流有限元计算，全面评价了卫星水库大坝的渗流安全状况。结果表明：坝体土料渗透系数在9.77×10－3～4.28×10－5cm／s之间，不满足规范要求；坝基清除不彻底，造成坝体与坝基间接触渗漏；当库水位达到1 124.90 m时，坝后出逸段及部分坝段下游坝基有发生管涌破坏的危险。大坝渗流安全评价为C级，建议采取相应加固处理措施，并完善渗流监测设施。

卫星水库；渗流；大坝填筑；安全评价

1 工程概况

卫星水库位于新疆巴楚县红海乡西北，东与红海水库相连，南接阿吉根洼地，北靠喀什噶尔河故道。水库距巴楚县城约18 km，地理位置介于78° 18′50″～78°23′00″E、39°43′04″～39°45′58″N之间。卫星水库为引水注入式平原水库，海拔1 121～1 127 m，设计主坝长9.30 km，副坝长1.80 km，最大坝高4.5 m，设计总库容2 500万m3，属中型水库，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级［1］。水库主要建筑物由均质土坝、进水闸、放水涵洞、引水渠、放水渠组成，水库调节灌溉面积2万hm2。

2 渗流安全评价目的与内容

2.1 评价目的

渗流安全评价的目的是复核当前实际渗流状态能否保证大坝按设计条件安全运行。

2.2 评价内容

（1）复核工程防渗体与反滤排水设施是否完善，设计、施工是否满足现行有关规范要求。

（2）检查工程运行中发生过何种渗流异常现象，判断是否影响工程安全。

（3）分析工程现状条件下各防渗和反滤排水设施的工作性态，并预测在未来高水位运行时的渗流安全性。

（4）对存在问题的大坝分析其原因和可能产生的危害。

3 渗流分析计算

渗流计算采用参数由室内试验资料确定，坝体填料物理力学指标见表1。

3.1 水库渗漏情况

卫星水库库区渗漏主要由库盘渗漏、坝体侧向渗漏和坝基侧向渗漏三部分组成，从库区的基本情况来看，水库地形低平，蓄水面积大，水头小，渗漏的主要途径为坝基渗漏。

从库区的整体地层情况可知，坝体填土渗透系数为1.36×10－3cm／s。坝基粉土层的渗透系数为6.44×10－4cm／s，粉砂层的渗透系数为1.61×10－3cm／s，粉质粘土层的渗透系数为5.28×10－5cm／s，细砂层的渗透系数为5.50×10－3cm／s，中砂层的渗透系数为9.45×10－3cm／s。除粉质粘土为弱透水层外，其余均为中等透水层。通过计算，水库大坝单宽渗流量为1.44 m3／d，坝长取11.1 km，根据水库实际蓄放水过程线和水库水位，计算得水库渗漏量约为525.05万m3／a。

3.2 水库大坝填筑情况

卫星水库建于1970年，由于当时的历史原因，该工程属“三边”工程，设计、施工、竣工资料早已遗失。工程施工期间，主要是由当地农民进行施工。大坝填筑土料直接从水库周边挖取，土质主要为当地的粉砂、粉土、粉质粘土，不能完全满足规范的要求，限于当时条件，坝体碾压无压实机械，仅靠来往行人车辆对坝体碾压，施工质量无法控制。

根据卫星水库大坝填筑材料取样的颗粒组成分析（见表2），坝体填筑材料主要由粉砂、粉土、粉质粘土构成。

表1 坝体填料物理力学指标

表2 卫星水库大坝坝体填料颗粒分析

根据（SL274－2001）《碾压式土石坝设计规范》，坝体土料压实标准应以0.96的压实度和0.70的相对密度控制。卫星水库坝体土料击实试验最大干密度为：主坝1.57～1.83 g／cm3，副坝1.68～1.8 g／cm3。通过现场钻孔、探坑取样进行试验，得出坝体现状干密度，并计算出土料的控制干密度，作为坝体填筑控制指标，结果见表3。

由表3可知，主、副坝坝体填筑干密度抽样合格率均为0%，说明坝体填筑质量不合格。

表3 坝体现状干密度与控制干密度统计

3.3 坝体、坝基渗流计算

3.3.1 计算断面的确定

水库主坝右2＋000、右2＋600、右3＋900、左0＋200、左3＋800断面坝后均有较严重的渗水现象，且室内试验也反映这5处断面渗透系数较大，因此选取这5处断面进行渗流分析。

3.3.2 渗流分析计算

计算采用理正岩土计算3.52版程序，该程序利用有限元法求解渗流场的拉普拉斯方程。

P——为水压力；

KX、KY——分别为x、y方向的渗透系数。

（1）计算工况

上游库水位：1 124.90 m，下游水位：1 122.30～1 123.50 m。

（2）计算方法

大坝在设计水位和现状水位两种情况下的出逸比降比较见表4。

表4 坝体坝基渗流计算成果

3.4 渗透稳定分析计算

坝体、坝基土渗透变形应首先判别土的渗透变形类型，然后确定其临界水力坡降，最后确定土的允许水力比降。

3.4.1 粉砂层

3.4.1.1 土的渗透变形类型的判别

根据坝体、坝基所揭露的土层，现以细颗粒含量Pc值分析判断渗透变形类型是管涌型还是流土型，判别式如下：

式中 Pc——为土的细粒颗粒含量，以质量百分率计；

n——为土的孔隙率。

土的细粒含量可按下列方法确定：不连续级配的土，级配曲线中至少有一个以上的粒径级的颗粒含量小于或等于3%的平缓段，粗细粒的区分粒径df以平缓段粒径级的最大和最小粒径的平均粒径区分，或以最小粒径为区分粒径，相应于此粒径的含量为细粒含量。现分别计算各种土层的渗透变形形式及允许水力比降。

式中 df——为粗细粒的区分粒径，mm；

d70——为小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径，mm；

d10——为小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径，mm。

由表2得3组指标：（1）d70＝0.205 mm，d10＝0.009 8 mm；（2）d70＝0.213 mm，d10＝0.011 4 mm；（3）d70＝0.185 mm，d10＝0.009 2 mm。所对应的df1＝0.045 mm，df2＝0.049 mm，df3＝0.041 mm。

可得Pc1＝32.3%，Pc2＝24.8%，Pc3＝29.1%。

经计算得平均值：Pc＝28.7%。

粉砂的孔隙率n＝47.53%，

故主坝坝基土层的渗透破坏形式为管涌型。

3.4.1.2 临界水力比降和允许水力比降的确定

管涌型的临界水力比降按下式进行计算：

式中 Jcr——为土的临界水力比降；

Gs——为土粒比重，取2.65；

d5、d20——分别为占总土重5%和20%的土粒粒径，mm。

由表2得平均值：d5＝0.006 4 mm，d20＝0.030 6 mm。

计算得Jcr＝0.21，安全系数取2，得J允＝0.105。

3.4.2 粉土层

3.4.2.1 土的渗透变形类型判别

由表2得2组指标：（1）d70＝0.068 mm，d10＝0.006 6 mm；（2）d70＝0.049 mm，d10＝0.005 6 mm。

根据式（2）得到对应的df1＝0.021 mm，df2＝0.017 mm

可得Pc1＝38.2%，Pc2＝38.9%。

经计算得平均值：Pc＝38.6%。

粉砂的孔隙率n＝49.07%，

故主坝坝基土层的渗透破坏形式为管涌型。

3.4.2.2 临界水力比降和允许水力比降的确定

管涌型的临界水力比降按式（3）进行计算，由表2得平均值：d5＝0.004 5 mm、d20＝0.009 3 mm。

计算得Jcr＝0.467，安全系数取2，则J允＝Jcr／2＝0.234。

3.4.3 粉质粘土层

3.4.3.1 土的渗透变形类型的判别

由表2得2组指标：（1）d70＝0.002 5 mm，d10＝0.034 mm；（2）d70＝0.002 2 mm，d10＝0.038 mm。

根据式（2）得到对应的df1＝0.009 2 mm，df2＝0.009 1 mm。

可得：Pc1＝36.2%，Pc2＝36.5%。

经计算得平均值：Pc＝36.4%。

粉砂的孔隙率n＝44.12%，

所以坝基粉质粘土层的渗透破坏形式为管涌型。

3.4.3.2 临界水力比降和允许水力比降的确定

管涌型的临界水力比降按式（3）进行计算，由表2得平均值：d5＝0.001 55 mm，d20＝0.004 3 mm。

计算得Jcr＝0.426，安全系数取2，则J允＝0.213。

3.4.4 细砂层

3.4.4.1 土的渗透变形类型的判别。

由表2得3组指标：（1）d70＝0.219 mm，d10＝0.035 mm；（2）d70＝0.319 mm，d10＝0.035 mm；（3）d70＝0.232 mm，d10＝0.043 mm。

根据式（2）得到对应的df1＝0.088 mm，df2＝0.107 mm，df3＝0.100 mm。

可得：Pc1＝17.8%，Pc2＝20.5%，Pc3＝20.0%。

经计算得平均值：Pc＝19.43%。

粉砂的孔隙率n＝45.28%，

故坝基细砂层的渗透破坏形式为管涌型。

3.4.4.2 临界水力比降和允许水力比降的确定

管涌型的临界水力比降按式（3）进行计算，由表2得平均值：d5＝0.010 6 mm、d20＝0.090 3 mm。

计算得Jcr＝0.128，安全系数取2，则J允＝Jcr／2＝0.064。

坝坡出逸段和下游坝基表面在设计水位和现状水位两种情况下的最大出逸比降均可通过计算确定。计算依据有限元分析法求解渗流场的拉普拉斯方程，计算成果见表5。

表5 坝体坝基渗透稳定计算成果

由表5可知，在水库正常蓄水位时，下游坝坡出逸段水力坡降均大于允许坡降，下游坝基在右3＋900断面处也存在管涌的危险。水库在现状蓄水位时，仍有部分坝体的下游出逸段水力坡降大于允许坡降。因此判断坝体、坝基均存在渗透破坏的危险。

4 结 论

根据卫星水库现场检查及分析计算，水库坝体、坝基渗流安全存在如下问题：

（1）筑坝材料不合格，主要为粉砂、粉土、粉质粘土构成，坝体施工质量差，施工手段落后，坝体填筑干密度较低，合格率为0%。

（2）坝体土料渗透系数在9.77×10－3～4.28× 10－5cm／s之间，不满足（SL274－2001）《碾压式土石坝设计规范》［2］要求的小于1×10－4cm／s。

（3）鼠害、蚁害及植物破坏等较严重，造成坝体内存在渗透通道。

（4）坝基清除不彻底，造成坝体与坝基间接触渗漏。

（5）通过对水库大坝进行渗透稳定计算，当库水位达到1 124.90 m时，坝后出逸段及部分坝段下游坝基有发生管涌破坏的危险。

综上所述，根据（SL258－2000）《水库大坝安全评价导则》［3］，综合评定卫星水库大坝渗流安全性为C级。建议对其采取防渗加固措施，进一步完善渗流监测设施。

［1］新疆兴利水利水电勘察设计所.卫星水库除险加固工程设计报告［R］，2003.

［2］SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》［S］.北京：中国水利水电出版社，2002.

［3］SL258－2000《水库大坝安全评价导则》［S］.北京：中国水利水电出版社，2000.

TV698.12

B

1003－9805（2015）01－0012－04

2013－03－20

魏光辉（1981－），男，汉，新疆石河子人，工程师，在读博士，从事水资源利用与工程运行管理工作。