红旗水库主坝防渗加固措施评价

孔 伟 周援衡 孙 志

（长沙理工大学水利工程学院 长沙市 410076）

1 概述

红旗水库位于湘阴县玉华乡长湖村的熊家组和张家冲组，水库所在河流属湘江水系洋沙湖支流。坝址下游距玉华乡政府2.0 km，距湘阴县城13.0 km。水库于1958年10月动工兴建，1966～1967年续建，1970年建成蓄水运行，直接保护人口5 600人，保护耕地280 hm2（4 200亩）。水库控制集雨面积3.1 km2，总库容271.62万m3。是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的小（Ⅰ）型水库。枢纽工程主要由主坝、副坝、输水高涵、输水低涵、溢洪道建筑物组成。主坝顶高程为88.50 m，坝顶宽4 m，最大坝高19.3 m，坝轴线长241。上游坝坡为二级坡，一级平台高程为81.00 m，宽为1.5 m；坝坡坡比自上而下分别为1∶2.25、1∶2.5，上游坝坡在高程（81.00～87.00）m 为预制块护坡。下游坝坡分二级，一级平台高程为77.50，宽为2.0 m；坝坡坡比自上而下分别为 1∶2.5、1∶2.75，下游坝坡为草皮护坡。

该水库属“三边”工程，先天不足，加之运行多年，建管不到位，工程留下许多隐患。主坝外坡左侧高程74.5 m处有5处湿润散浸，其中2处渗水水流浑浊并有细粉粒带处地表，属非正常渗漏，右端有3处湿润散浸。主坝右、左两岸坝肩接触处坡脚均见一股渗漏水，其流量约（0.04~0.08）L/s。

根据坝体的险情位置情况，防渗加固措施为沿主坝坝顶中心线上游19.5 m（一级平台81.0 m高程）处作坝体高压旋喷灌浆，构筑防渗墙，高喷下缘抵相对不透水层。高喷防渗墙顶缘至坝顶铺设复合式土工膜；高喷喷射直径为1.5 m，间距1.25 m。高压旋喷灌浆向坝左右岸延伸，使坝身、坝头、坝基形成封闭、连续的防渗体系。

本文根据2009年主坝防渗加固措施，运用北京理正软件设计研究所的渗流稳定分析软件，采用有限元法计算分析加固前后的主坝渗流性态，评价防渗加固措施的效果。

2 主坝除险加固前后的渗流计算

2.1 计算原理

在一定条件下,考虑土和水的压缩性,土石坝平面渗流（二维渗流）问题符合Dancy定律的各向异性连续体的渗流［1］,其基本方程为：

上式为非稳定渗流基本方程式。当为稳定渗流时,假定水和土均不可压缩,即 =0时，式（1）变为：

当渗透系数为常数时，上式为：

若为各向同性，kx=ky=kz，则式（3）变为 Laplace 方程：

式中h——水头函数；

x、y、z——空间坐标；

t——时间坐标；

kx、ky、kz——分别是以x、y、z轴为主轴方向的渗透系数；

Ss——单位存储量。

2.2 有限元计算方法［1］

对渗流场计算域进行有限元离散,采用三结点的三角形单元和线性插值函数,线性代数方程组用改进平方根法求解,方程（1）对应的有限元平衡方程组为：

式中[K]——总渗透矩阵,其元素由kx、ky、kz及单元结点坐标决定；

[S]——由Ss及单元结点坐标决定的矩阵,为Ss的线性式；

[P]——由给水度及非稳定渗流自由面边界单元结点坐标所决定的矩阵；

{F}——已知常数项列阵,由已知结点水头得出；

{h}t——时刻的渗流水头。

当上式中矩阵[S]等于零时，得不可压缩土体的非稳定渗流有限元计算公式。

稳定渗流有限元计算公式为式（6）特列，不计时间项且[S]、[P]矩阵均为零时，其有限元计算公式如下：

2.3 计算参数

高压旋喷渗透系数取1×l0-6cm／s。土工膜因渗透系数很小（8.17×10-12cm／s），厚度很薄（0.4 mm），因此在利用复合土工膜作防渗体土石坝的有限元渗流计算中,难以对其进行模拟。有关文献提出［1］,复合土工膜按当量渗透系数处理,即把复合土工膜看做具有一定渗透系数而厚度较大的等效土体。可换算为渗透系数2.04×10-6cm／s的2 m厚粘土层进行计算。坝体材料渗透系数见表1。

表1 坝体材料渗透系数表 cm/s

2.4 结果分析

基于上述的渗流模型,采用有限元法，选择主坝设计典型横断面为计算断面，按《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）进行各工况下主坝渗流计算。水库防渗加固后主坝典型断面渗流分析主要渗流性态的比较如表2。主坝加固前后设计洪水位稳定渗流复核结果见图1、图2，其它各工况稳定渗流期与非稳定渗流期计算结果图从略。

3 评价及结论

（1）根据二维有限元计算，加固前后，在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位下，上、下游坝坡逸出处的最大渗流坡降均小于按规范计算该坝体允许渗透坡降值0.65，可见渗透坡降满足规范要求。

表2 水库主坝加固前后渗流性态比较表

图1 主坝（加固前）稳定渗流计算成果图

图2 主坝（加固后）稳定渗流计算成果图

（2）水库加固前，当库水位较高时，坝体内浸润面较高，坝体渗流在下游坡出逸，且逸出点位置较高，导致大坝下游边坡存在多处较大面积湿润散浸，渗流性态不满足要求；水库防渗加固后，坝体上、下游侧的浸润面都明显下降，坝体在下游坡不产生出逸，有效解决了坝体下游的散浸现象，改善了坝体的运行状况。

（3）防渗加固后，在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位下，坝体渗透坡降有较大程度减小，坝体的渗透稳定性进一步提高。

（4）防渗加固后，在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位下，大坝典型断面的单宽流量分别减小了87.10%、87.01%、87.17%。可见防渗效果极为明显。

综上所述红旗水库坝体采用复合式土工膜结合高压旋喷灌浆的防渗加固措施，有效地解决了坝身渗透系数较大、坝身渗漏严重的问题，改善了坝体的运行状况。因此，防渗加固措施的效果良好。

1毛昶熙.渗流计算分析与控制［M］.北京:中国水利水电出版社,2000.