基于坝基水泥土防渗的希尼尔水库大坝渗流分析

魏光辉

（1.新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒，841000；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐，830052）

1 工程概况

希尼尔水库位于新疆库尔勒市西尼尔镇境内，地理坐标介于 86°13′～86°18′E，41°33′～41°38′N。该水库是从孔雀河第一分水枢纽引水，经库塔干渠总干渠输水注入的中型平原水库[1]，总库容为9 800万m3。水库工程包括：水库大坝、引水闸、引水渠、放水闸、放水渠、坝后排水护坡及附属设施。大坝总长7.65 km，最大坝高20 m，平均设计水深6 m。坝体防渗采取斜铺复合膜（两布一膜）结构，其中膜厚0.75 mm，无纺布规格为200 g/m2；上游护坡设计为混凝土面板（C30W8F300），厚15～22 cm。根据地质情况的不同，坝基防渗分别采取PE塑膜、塑性混凝土防渗墙、水泥土搅拌桩防渗墙三种不同形式。

笔者以希尼尔水库主坝4+575与5+175断面为例，对坝基采用水泥土防渗下的水库坝体、坝基渗流情况（2004～2012年观测数据）进行分析，取得了一些有价值的研究成果。

2 主坝水泥土防渗典型断面渗流分析

2.1 主坝4+575断面

该断面共埋设五支测压管，编号分别为UP30～UP34，埋设高程分别为895.42 m、900.08 m、900.08 m、901.08 m和895.78 m。4+575断面仪器布置、测压管水位及渗流位势过程线分别见图1～5。

该断面坝基采用防渗深度约12.0 m的水泥土防渗墙，墙底坐落在厚约2.8 m、弱微透水性的第三系泥岩层上，泥岩层以下为透水率约5～10 Lu的第三系砂岩。由图2～5可知：

图1 4+575断面仪器布设及库水位912.26m时坝基渗压水位线与坝体水位线Fig.1 Instrument layout on section 4+575 and piezometric level at dam foundation and water level line of dam body with reservoir water level 912.26 m

图2 4+575断面测压管水位过程线图（坝基）Fig.2 Piezometric level of section 4+575(dam foundation)

图3 4+575断面测压管水位过程线图（坝体）Fig.3 piezometric level of section 4+575(dam body)

图4 4+575断面测压管渗流位势过程线图（坝基）Fig.4 Seepage potential of section 4+575(dam foundation)

图5 4+575断面测压管渗流位势水位过程线图（坝体）Fig.5 Seepage potential of section 4+575(dam body)

（1）坝基UP30、UP32、UP34三支测压管水位均持续较高，明显受库水位变化的影响，与库水位的相关性好；从上游至下游，管水位具有一定程度的削减。在高库水位912.26 m时，坝基渗压水位高出设置在建基面以上的坝体横向排水体顶高程约3.0～4.5 m，超过设计要求。

由表1可知，在库水位911.00 m左右及912.26 m时，坝轴线上游侧1.88 m处的坝基UP30测点渗流位势在37.94%～44.70%之间，位于坝轴线下游侧15.95 m、38.02 m处的坝基UP32、UP34两测点渗流位势分别在31.51%～36.94%、19.11%～38.29%之间。

在库水位911.00 m左右及912.26 m时，UP32、UP34两测点坝基水平向渗透坡降均小于0.07（见表1）；UP34至排水沟处坝基水平向渗透坡降在0.138～0.247之间。在2004年6月14日库水位910.95 m时，UP34测压管水位为902.85 m，渗流位势为20.90%，而在2004年6月21日库水位911.10 m及2006年10月24日库水位911.00 m时，管水位则分别抬升至904.39 m和904.65 m，渗流位势增大至35.42%和38.29%；相应地，排水沟处坝基水平渗透坡降在2004年6月14日为0.134，而在2004年6月21日及2006年10月24日分别增大至0.230和0.247。该断面清基后的坝基表层主要为遇水后呈散砂状的第三系砂岩，并在砂岩上部自上而下夹有亚砂土、较密实但遇水后呈变软的第三系坚硬泥岩，因此，以第三系砂岩为主进行临界渗透坡降分析。根据前述分析，临界坡降Jcr=1.069；考虑到主坝该断面坝段的重要性，坝基岩土体的允许渗透坡降J允许可用临界渗透坡降除以3.0的安全系数，按计算所得为0.356。可见，在库水位911.00 m及912.26 m时，UP32、UP34两测点坝基水平向渗透坡降小于允许值，满足规范要求[2]。

表1 坝基UP30、UP32、UP34测压管水位、渗流位势及水平向渗透坡降Table 1 Piezometric level,seepage potential and horizontal seepage gradient of UP30,UP32 and UP34

除对坝基水平渗透坡降进行分析外，还需对坝后坡排水沟处反滤垫层料进行渗透坡降分析。经计算，4+575断面坝后坡排水沟反滤垫层料的临界渗透坡降为Jcr=2.2×（2.69-1）×（1-0.274）2×0.13/0.39=0.653。考虑到主坝该断面坝段的重要性，反滤垫层料的允许渗透坡降可用临界渗透坡降除以3.0的安全系数，计算得允许渗透坡降J允许=Jcr/3.0=0.218。可见，在2004年6月21日库水位911.10 m及2006年10月24日库水位911.00 m时，排水沟处坝基水平向渗透坡降分别为0.230和0.247，超过允许值，不满足规范要求。

（2）坝体UP31和UP33两支测压管水位接近，与库水位的相关性一般，但均低于同期坝基测压管水位。在高库水位912.26 m时，坝体水位高出设置在建基面以上的坝体横向排水体顶高程约1.0～1.5m，超过设计要求。

由表2可知，在库水位911.00 m左右及912.26 m时，位于坝轴线上游1.88 m、下游15.95 m处的坝体UP31、UP33两测点渗流位势分别在2.23%～11.37%、9.65%～16.40%之间。值得关注的是，在2008年10月后的高库水位运行期，坝体UP33测点渗流位势有小幅度增大趋势，应予以关注。

在库水位911.00 m及912.26 m时，UP33测点坝体水平向渗透坡降均小于0.01（见表2）。据前所述，坝体Ⅰ区砂砾料的允许渗透坡降为J允许=0.167，Ⅱ区砂砾料允许渗透坡降为J允许=0.166。可见，UP33测点坝体水平向渗透坡降小于允许值，满足规范要求。但现场检查及运行过程中发现，下游坝后回填清基料出逸点高程较高，不利于下游坝坡、坝后回填清基料以及排水沟开挖回填料的渗透稳定。

2.2 主坝5+175断面

该断面共埋设五支测压管，编号分别为UP35～UP39，埋设高程分别为896.284 m、901.278 m、900.092 m、901.092 m和895.474 m。5+175断面仪器布置图、测压管水位、渗流位势过程线分别见图6～10。

表2 坝体UP31、UP33测压管水位、渗流位势及水平向渗透坡降Table 2 Piezometric level,seepage potential and horizontal seepage gradient of UP31 and UP33

图6 5+175断面仪器布设及库水位912.26 m时坝基渗压水位线与坝体水位线Fig.6 Instrument layout on section 5+175 and piezometric level of dam foundation and water level line of dam body with reservoir water level 912.26 m

图7 5+175断面测压管水位过程线图（坝基）Fig.7 Piezometric level of section 5+175(dam foundation)

图8 5+175断面测压管水位过程线图（坝体）Fig.8 Piezometric level of section 5+175(dam body)

图9 5+175断面测压管渗流位势过程线图（坝基）Fig.9 Seepage potential of section 5+175(dam foundation)

图10 5+175断面测压管渗流位势过程线图（坝体）Fig.10 Seepage potential of section 5+175(dam body)

该断面坝基采用防渗深度约16.05 m的水泥土防渗墙，墙底坐落在厚约2.1 m、弱微透水性第三系泥岩层上。由图7～10可知：

（1）坝基UP35、UP37、UP39三支测压管水位很高。其中，UP35、UP37两支测压管水位接近，且均明显受库水位变化的影响，与库水位相关性好；UP39测压管水位与库水位相关性一般，在高库水位912.26 m时，坝基渗压水位高出设置在建基面以上的坝体横向排水体顶高程约4.0～5.5 m，超过设计要求。

由表3可知，在库水位911.00 m左右及912.26 m时，UP37测点坝基水平向渗透坡降均小于0.10；UP39测点坝基水平向渗透坡降在2004年6月14日和2006年6月21日分别为0.178和0.142，而2006年6月21日后，减小到0.10以下。值得关注的是，在2004年6月21日和2006年6月21日库水位分别为910.95 m和911.10 m时，UP39测压管水位分别为903.16 m和903.72 m，渗流位势分别为19.94%和25.30%，而在2006年10月24日后库水位911.00 m左右时，管水位则抬升至905.20 m以上，渗流位势增大至40.00%以上；相应地，排水沟处坝基水平渗透坡降在2004年6月14日和2006年6月21日分别为0.153和0.188，但2006年6月21日后，在0.280～0.328之间。根据前述分析，坝基土体的允许渗透坡降J允许为0.356。可见，在库水位911.00 m及912.26 m时，UP37与UP39这两测点坝基水平向渗透坡降均小于允许值，满足规范要求；排水沟处坝基水平向渗透坡降较大，稍小于允许值。

此外，通过计算[3]，5+175断面坝后排水沟上游侧（靠坝一侧）反滤垫层料的临界渗透坡降为Jcr=2.2×(2.69-1)×(1-0.262)2×0.20/0.59=0.686。取安全系数为3.0，计算得允许渗透坡降J允许=Jcr/3.0=0.229。可见，2004年6月21日后虽经排水沟处理及增设排水沟后减压井，但排水沟处坝基水平向渗透坡降在库水位911.10 m左右时基本在0.28～0.30之间，在库水位912.26 m时达到了0.328，超过反滤垫层料的允许渗透坡降，不满足规范要求。

（2）坝体UP36、UP38两支测压管水位均较高且接近，均明显受库水位变化影响，与库水位的相关性显著，但均低于同期坝基测压管水位。在高库水位912.26 m时，坝体水位高出设置在建基面以上的坝体横向排水体顶高程约2.0～3.0 m，超过设计要求。

由表4可知，在库水位911.00 m左右及912.26 m时，位于坝轴线上游2.10 m、下游15.60 m处的坝体UP36、UP38两测点渗流位势分别在24.73%～27.75%和21.89%～26.34%之间。

在库水位911.00 m及912.26 m时，UP38测点坝体水平向渗透坡降均小于0.030（见表4）。据前所述，坝体Ⅰ区砂砾料的允许渗透坡降J允许=0.167，Ⅱ区砂砾料允许渗透坡降J允许=0.166。可见，UP38测点坝体水平向渗透坡降小于允许值，满足规范要求。

表4 坝体UP36、UP38测压管水位、渗流位势及水平向渗透坡降Table 4 Piezometric level,seepage potential and horizontal seepage gradient of UP36 and UP38

3 结语

（1）主坝4+575断面在高库水运行期坝基渗压水位较高、渗透压力较大，坝体水位及下游坝后回填清基料出逸点高程高，坝轴线下游至排水沟处的坝基水平向渗透坡降虽小于坝基表层岩土体（或排水沟反滤垫层料）的允许渗透坡降，但依然较大，且运行过程中曾出现排水沟处水平向渗透坡降超过反滤垫层料允许渗透坡降的现象，存在渗流安全隐患。主坝5+175断面，坝体水位及下游坝后回填清基料出逸点高程高，排水沟处坝基水平向渗透坡降较大，接近或稍小于坝基岩土体的允许渗透坡降，并超过反滤垫层料的允许渗透坡降，存在渗流安全隐患。上述两典型断面的渗流监测结果表明，坝基水泥土防渗墙及坝体PE复合土工膜组成的防渗体系防渗效果不佳。

（2）建议加强大坝渗流观测，采取必要措施降低坝基渗压水位、坝体水位及下游坝后回填清基料出逸点高程，确保大坝安全。

[1]SL 252-2000,水利水电工程等级划分及洪水标准[S].

[2]SL 258-2000,水库大坝安全评价导则[S].

[3]GB 50487-2008,水利水电工程地质勘察规范[S].