板洞水库土坝渗流及渗透稳定计算与分析

李小闰

(清远市水利水电勘测设计院有限公司，广东清远511518)

1 工程概况

板洞水库工程位于连南瑶族自治县大麦山镇板洞村，坝址以上集雨面积为23.08 km2。水库建于1990年5月，水库总库容3 792万m3，是一座以供水为主，兼顾防洪、发电、灌溉等综合利用的中型水库。枢纽工程主要由主副坝、泄洪洞、发电输水隧洞、供水隧洞及电站厂房等建筑物组成，主要建筑物级别为3级。

主坝为均质土坝，最大坝高38.50 m，坝顶高程869.80 m，坝顶长120 m，坝顶宽6.60 m。迎水坡坡比自上而下为 1∶2.72、1∶2.91，背水坡坡比自上而下为 1∶2.31、1∶2.67、1∶2.94 和 1∶2，坝脚为干砌堆石排水棱体。水库正常蓄水位866 m，100 a一遇设计洪水位867.36 m，1000 a一遇校核洪水位868.23 m。工程建成蓄水后未进行过安全鉴定或加固工作，目前主坝坝脚渗漏量较大，渗漏点在棱体上部出露，存在工程隐患。因此需对主坝进行渗流及渗透稳定计算，分析问题所在，为下一步加固设计提供依据。

2 渗流及渗透稳定计算

2.1 渗流计算断面及参数

主坝布置有3排测压管，分别为桩号0+030(km+m)、0+065及0+085。考虑0+065断面为最大坝高横断面，测压管位于主河床，测压管水位受两岸山体地下水、坝头绕渗等影响最小，最能反应坝体的实际情况，渗流复核取该断面进行。工程渗流特性参数根据工程地质勘察报告和原设计资料确定，坝体为均质土坝，坝体渗透系数取大值平均值k=6 ×10－4cm/s，上、下游坡平均坡比为1∶2.88、1∶2.76。

2.2 渗流计算工况、方法及成果

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274－2001)规定，并参照相关规范要求，渗流计算考虑水库运行中出现的各种不利情况，结合水库工程实际情况，计算以下5种水位组合:

工况1:上游正常蓄水位866 m，下游无水。

工况2:上游设计洪水位867.36 m，下游无水。

工况3:上游校核洪水位868.23 m，下游无水。

工况4:上游1/3坝高水位844.10 m，下游无水。

工况5:泄洪洞堰顶高程862 m水位，下游无水。

根据规范，对1级、2级坝和高坝应采用数值法计算渗流场的各种渗流因素，其他情况可采用公式进行计算。本工程级别为3级，渗流计算可直接采用水力学公式计算，可满足工程精度要求，计算内容包括坝体渗漏量、浸润线等。主坝基础为花岗岩，坝体排水为褥垫与堆石棱体复合式排水，主坝浸润线按不透水地基的均质土坝情况计算。经计算，各工况下土坝渗流计算成果见表1。

表1 土坝渗流计算成果表

2.3 渗流实测值与理论计算值对比

2.3.1 观测资料整理与分析

对1999～2008年(2003年资料缺失)历年的测压管(测压管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)观测资料进行整理，经统计和分析为:①测压管水位变化规律基本正常，管中水位始终低于库水位，随库水位变化而变化;②选择2001年、2005年和2006年水库水位基本相同(2001年水位866.62 m、2005年866.76 m、2006年866.64 m)比较，测压管Ⅰ、Ⅱ与库水位的相关性明显，灵敏度高，测压管Ⅲ水位有逐年抬高的迹象，可能受下游棱体堵塞后水位抬高有关。

将历年最大渗漏量观测资料进行统计分析:①在运行最高水位866.76 m时主坝反滤体渗流量最大值为887 m3/d，坝脚渗漏量随水位的上升而增大，呈正比关系;②在历年相同水位下的渗流量基本较稳定，在865 m水位以上后渗漏量有逐年加大的趋势。

2.3.2 正常蓄水位下实测成果与计算值

从现有测压管观测资料看，在正常蓄水位附近时间分别为1999年9月21日、2005年6月15日、2006年8月19日和2008年7月22日，绘制实测和计算浸润线图，见图1。

图1 正常蓄水位下计算浸润线与实测对比图

从上图看，实测浸润线均比计算的高，局部测点最大达3 m。分析造成实测浸润线偏高的可能因素:①理论计算是假设坝体为均质土坝，各层的渗透性是一样的;实际施工时坝体是分层碾压的，各层碾压的均匀程度和密实度相差较大，各层的渗透性是不一样的，因此造成理论计算与实测成果的偏差;②坝脚棱体发生局部堵塞，抬高了坝体渗流水的出露点，从而抬高了整个测压管的水位;③坝体表层土疏松，压实不够，在雨季时表层水渗入到测压管内，影响到测压管水位的抬高。由以上情况，坝体实际浸润线可在实测与理论计算成果间拟合一条浸润线，拟合时以靠近实测资料为准。

在正常蓄水位实测渗漏量为603 m3/d，比理论计算值大1.40倍，分析造成实测渗漏量大的可能因素:①坝体实际并非为均质土坝，各层的密实度及渗透性都是不一样的，资料显示高程853.80～854.80 m干密度达不到原设计要求;②坝体填土以黏土质砂为主，27件土工试样中有11件小于设计干密度，约占40%，可见大坝总体上压实效果较好，但局部欠压实;③地勘资料显示左坝基局部存在中等透水的全风化土，可能存在坝基或接触带渗漏。

2.3.3 设计和校核洪水位下实测成果与计算值

水库建成后最高蓄水位为866.76 m，未达到过设计和校核洪水位，无法进行直接论证对比。在正常蓄水位测压管资料和设计洪水位的理论计算成果基础上，拟合坝体在设计洪水位下的实际浸润线，作为坝坡稳定分析的数据。坝体填土平均渗透系数K=6×10－4cm/s，预计在未来高水位运行时坝体可能出现渗漏量增大或下游坝坡出现渗水点，对坝体安全有一定影响，需进行防渗处理，如灌浆或防渗墙等。

2.4 渗透稳定计算

根据地勘资料，坝体填土为中壤土，不均匀系数Cu＞5的粗粒土。根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487－2008)附录G，细颗粒含量(孔隙率n=0.43)，背水坡渗透变形判别为流土。流土型临界水力比降 Jcr=(Gs－1)(1－n)=0.94(土料比重 G=2.65)，考虑安全系数 K=2，则［J］=Jcr/2=0.47。参照《堤防工程设计规范》(GB50286－98)附录E，主坝背水坡面渗透比降与水库水位组合工况无关，背水面平均坡降m2=2.76，则浸润线渗出点的渗透比降JA=1/(1+m22)1/2=0.34，堤坡与不透水面交点JB=1/m2=0.36，计算渗透比降均小于允许比降［J］，背水坡满足渗透稳定要求，同时坝脚也设置了堆石排水棱体。

3 结论

综上所述，坝体目前在正常水位时渗流基本正常，未出现异常渗流，但实测渗漏量较计算值偏大，这与坝体平均渗透系数K大于规范要求的大坝土料渗透系数≤1×10－4cm/s有关。排水棱体溢出点集中且较高，水流为清水。背水坡逸出段满足渗透稳定要求。按《水库大坝安全导则》，渗流安全性评级可评为B级，在运行管理中需加强监测。

水库未经受设计洪水位等高水位运行，大坝存在局部不密实和左坝基渗透性较大，坝坡表层土松散等，下一步加固时建议坝体进行截渗处理，排水棱体疏通等措施，使坝体浸润线降低，渗漏量减小，加大坝坡抗滑稳定最小安全系数。

［1］李想，蔺慧敏，李磊.土坝的渗流问题分析及其挖制措施［J］.黑龙江水利科技，2009，37(4):114 －115.