库区淤积物对大坝渗流安全的影响评价分析

(博州水利水电勘测设计院，新疆 博乐 833400)

库区淤积物对大坝渗流安全的影响评价分析

王凯博

(博州水利水电勘测设计院，新疆 博乐 833400)

本文以博尔塔拉河五一水库库区淤积物为例，采用有限元法分析计算库区淤积物对大坝渗流安全的影响程度。结论表明：坝前淤积物对大坝安全有很好的促进作用。

淤积物；渗流安全；评价

1 工程概况

五一水库位于新疆博乐市境内的博尔塔拉河中下游河道上，坝址以上集雨面积6627km2，总库容1960万m3，是一座以灌溉为主，兼顾防洪和发电等综合利用的中型水库。1966年动工兴建，1976年完工投入运行，2005年完成除险加固。枢纽工程由拦河坝、溢洪道、放水洞、发电厂房等建筑物组成。大坝坝线总长3.15km。在近50年的运行过程中，水库坝前库区天然落淤形成一层淤泥质土。

2 大坝结构

大坝0+000～1+100段为黏土心墙加垂直混凝土防渗墙砂砾石坝，典型断面如图1所示。

大坝1+100～3+150段为黏土心墙砂砾石坝，典型断面如图2所示。

2.1 坝前淤积物特性

2.1.1 0+000～1+100段

坝前淤泥质土属低液限黏土(CL)，天然湿密度1.98～2.02g/cm3，天然含水率21.1%～23.6%，天然干密度1.62～1.63g/cm3，0.075mm以上砂粒含量约12.5%，0.075～0.005mm粉粒含量约55.5%，0.005～0.002mm黏粒含量约32%，小于0.002mm胶粒含量约17%，塑性指数约10.5，比重2.73。

图1 五一水库1+000断面示意图(单位： m)

图2 五一水库大坝1+900断面示意图(单位： m)

2.1.2 1+100～3+150段

由于地形变化较大引起库水位变幅相对较大，该段库内淤积厚度较薄，造成坝基渗漏较为严重，除险加固前坝后15～50m的坑槽内存在沼泽湿地。根据现场取样试验，淤积物属低液限黏土(CL)或低液限粉土(ML)，天然湿密度1.85～2.03g/cm3，天然含水率16.8%～26.6%，天然干密度1.58～1.64g/cm3，0.075mm以上砂粒含量8.5%～20.0%，0.075～0.005mm粉粒含量45.0%～59.0%，0.005～0.002mm黏粒含量23.0%～46.0%，小于0.002mm胶粒含量14.0%～24.0%，塑性指数9.2～12.1，比重2.72～2.75。

3 渗流有限元计算分析

3.1 0+000～1+100坝段

该段对坝体护坡采用现浇混凝土处理后，经过几十年运行，由于天然落淤，库内在厚约2.0～3.0m的坝基粉质壤土上又形成一层厚约1～3m的淤泥质土。

选择1+000断面作为该坝段渗流有限元计算典型断面，其各区渗透系数根据工程地质报告[1]确定，见表1。其中库区淤积物(淤泥质土)的渗透系数首先参考坝基粉质壤土取用，计算结果如图3和表2所示。可见，当库水位从正常蓄水位与设计洪水位528.50m上升到校核洪水位529.00m时，上游坝基粉质壤土垂直向下的水力坡降为0.690～0.758，大于其容许水力比降0.59，小于其临界水力比降0.89；坝基砂卵砾石层水平坡降为0.005，小于其容许水力比降0.1；下游坝脚附近渗流出口粉质壤土垂直向上坡降为0.766～0.840，大于其容许水力比降0.59，小于其临界水力比降0.89。因此，该坝段坝基粉质壤土的渗透稳定性不满足要求。对比表3，渗流量也比采取垂直混凝土防渗墙处理方案有显著增加，正常蓄水位情况下增长近8倍，校核洪水位情况下增长近7倍。

表1 五一水库左副坝1+450断面渗流场各区渗透系数

图3 1+750断面渗流场等势线分布示意图

编号取样深度比重液限塑限塑性指数粒径组成/mm5～22～0505～025025～00750075～0005<0005<0002m%%不均匀系数曲率系数有效粒径CuCcd10mm土样定名1+0000～20273255150105———12555532017016514000097CL1+9000～14273250147103———14056030017023412000094CL2+3350～16275355198157———8545546024011114000072CL2+6850～1327223214092———21054025016039319000084ML3+1500～09273250142108———19051030016022011000100CL

而根据库区淤积物现场取样颗分试验资料(见表2)，按下式计算淤积物的渗透系数约为10-6cm/s量级。

式中d10——淤积物的有效粒径，mm；

e——淤积物的孔隙比。

为此，按淤积物渗透系数k3=1×10-6cm/s，其他各区渗透系数同表2进行计算，结果一并列于表2和图3。此时，由于淤泥质土成了坝基相对不透水层，消杀大部分水头，其下粉质壤土层承担的水头则大大降低，当库水位从正常蓄水位与设计洪水位528.50m上升到校核洪水位529.00m时，上游坝基粉质壤土垂直向下的水力坡降为0.009～0.01，小于其容许水力比降0.59；坝基砂卵砾石层水平坡降为0.001～0.002，小于其容许水力比降0.1；下游坝脚附近渗流出口粉质壤土垂直向上的坡降为0.134～0.168，小于其容许水力比降0.59，坝基渗透稳定性满足要求，大坝渗流量也显著减小，与水库实际运行现状基本相符。

3.2 1+100～3+150坝段

选择1+900断面作为该坝段渗流有限元计算典型断面，其各区渗透系数根据工程地质报告[2]确定，见表3。其中库区淤积物(淤泥质土)的渗透系数参考坝基粉质壤土取用。

由于该坝段库内淤积厚度较薄，运行中坝后曾出现较为严重的坝基渗漏，同时假定不考虑淤积物的防渗作用进行计算。

表3 五一水库左副坝1+900断面渗流场各区渗透系数

计算结果见表4并如图4、图5所示。可见，在考虑库区淤积物的防渗作用时，当库水位从正常蓄水位与设计洪水位528.50m上升到校核洪水位529.00m时，上游坝基粉质壤土垂直向下的水力坡降为0.314～0.325，小于其容许水力比降0.59；坝基砂卵砾石层水平坡降为0.012～0.015，小于其容许水力比降0.1；下游坝脚附近渗流出口粉质壤土垂直向上的坡降为0.264～0.33，小于其容许水力比降0.59。因此，该段坝基渗透稳定性是有保证的。

当不考虑库区淤积物的防渗作用时，上游坝基粉质壤土垂直向下的水力坡降为0.391～0.441，小于其容许水力比降0.59；坝基砂卵砾石层水平坡降为0.013～0.016，小于其容许水力比降0.1；下游坝脚附近渗流出口粉质壤土垂直向上的坡降为0.29～0.363，小于其容许水力比降0.59。可见，即使不考虑库区淤积物的防渗作用，坝基渗透稳定性也满足要求。

图4 1+900断面考虑库区淤积物防渗作用时渗流场等势线分布示意图

图5 1+900断面不考虑库区淤积物防渗作用时渗流场等势线分布

表4 1+900计算断面在各种计算情况下关键部位渗流要素

4 结 语

a. 0+000～1+100坝段，考虑坝前淤积物的防渗作用时，坝基粉质壤土的渗透稳定性才能满足要求，由此可见坝前淤积物对渗流安全有很好的保护作用。

b. 1+100～3+150心墙坝段由于地面高程较高，坝高与挡水高度较低，在不采取坝基防渗处理措施和不考虑库盆淤积物的防渗作用下，坝基渗透稳定性满足要求，且有相当的安全裕度。

[1] 毛昶熙. 渗流计算分析与控制[M]. 北京： 水利水电出版社， 1990.

[2] 毛昶熙. 渗流数值计算与程序应用[M]. 南京： 河海大学出版社，1999.

Evaluationandanalysisoftheinfluenceofreservoiraccumulationondamseepagesafety

WANG Kaibo

(BozhouWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Bole833400,China)

In the paper, Bortala River Wuyi Reservoir accumulation is adopted as an example. Finite element method is adopted for analyzing and calculating the influence of reservoir accumulation on dam seepage safety. The conclusion shows that the accumulation before the dam plays a promoting role to dam safety.

accumulation; seepage safety; evaluation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.006

TV697.2+2

A

1005-4774(2017)012-0020-05