三溪浦水库防渗墙下游侧水位偏高的成因分析

夏 冰，刘海华，熊国文，姜晓桢

(1.宁波市鄞州区三溪浦水库管理处， 浙江 宁波 315113；2.南京水利科学研究院 岩土工程研究所， 江苏 南京 210024)

三溪浦水库位于浙江省宁波市鄞州区，总库容3 310万m3，是一座以防洪、供水为主的中型水库。该水库是建设于二十世纪五六十年代的老坝，原设计的防渗心墙的齿槽未能完全截断透水坝基，存在较大的坝基渗漏问题，在2005年的安全鉴定中被鉴定为“二类坝”。2014年水库利用维修加固工程，采用工程中常用的在坝体心墙内设置了深入基岩混凝土防渗墙的方法[1]，将透水坝基完全截断，同时在坝体和坝基内埋设渗压计对整个大坝的渗流场进行监测[2]，从而能够科学地对大坝的渗透稳定进行实时分析。

根据目前已有的渗流监测数据分析来看，混凝土防渗墙下游侧的测点实测水位要高于维修加固工程设计报告中维修加固工程后的大坝渗流场水头的计算结果[3]，距离设计的防渗效果有一定的差距。为了分析其中的原因，本文通过分析维修加固工程前大坝渗流场水头分布情况以及水库地勘、工程验收等资料，排除了混凝土防渗墙施工质量的问题，并初步判断大坝坝体内的细颗粒在长期的较大渗透坡降作用下随着渗透水流被带入松散的砂砾石坝基内，导致坝基发生淤堵，从而改变了坝基部分区域的渗透系数，抬升了浸润线。同时，通过对该部分坝基的渗透系数反演分析发现当其渗透系数与心墙相近时，测点的水头计算值与实测值最为接近，从而初步验证了该判断。

1 渗流监测资料分析

图1为三溪浦水库大坝典型断面渗流监测仪器布置图[4]，整个大坝共布置4个监测断面，各个断面仪器布置较为相似。每个断面均布置了7根测压管，其中坝体测压管3根，坝基测压管4根，两者在坝轴线方向上间距2 m布置。坝基测压管布置在坝顶防渗墙上、下游，大坝下游28 m高程马道上和21 m高程马道上。坝体测压管则位于坝顶防渗墙上、下游，大坝下游28 m高程马道上。

图1渗流监测测点布置断面图

图2为典型断面上大坝蓄水前后坝体与坝基渗压计水位过程线图。由图2可知，2015年6月底水库完成维修加固工程后开始蓄水，水库水位短时间内(至7月初)快速上升，而后2016年与2017年年内各测点的测压管水位变化过程平稳，位于防渗墙上游的坝体P2-1测压管与坝基J2-1号测压管水位测值基本与库水位的变化过程同步。J2-1测压管水位与库水位基本保持有1 m～2 m的差距。说明此处坝基消减了部分水头，而防渗墙下游的测压管水位基本不发生较大变化，其中更靠上游的P2-2和J2-2测压管水位在库水位变化剧烈的时期，还能随着库水位变化产生一定的小幅波动，位于大坝下游的P2-3、J2-3及J2-4测压管水位一直很稳定，即使在2015年6月9日至2015年7月13日之间水库蓄水库水位短时间内快速上升的时间段内也未见明显的水位波动，说明其与库水位基本无关。位于大坝下游坝基内的J2-3及J2-4测压管测值稳定在8.0 m左右，且两个测点测值非常接近，几乎不存在渗透坡降，表明此处坝基透水性能良好，所以可认为J2-3和J2-4测压管水位已为大坝下游地下水位。

图2实测测压管水位过程线图

图3为三溪浦水库维修加固工程设计报告中所做的水库正常蓄水位下渗流计算结果及其与实测浸润线的对比图，表1为该计算所取的坝体和坝基渗透系数。由图3可知，由于坝基渗透系数与心墙相差较大，浸润线在心墙后迅速下降至几乎与下游水位(8.32 m)齐平，这与图2中2015年11月至2016年5月之间的大坝渗流观测情况不符：防渗墙下游侧P2-2与J2-2测点在这段时间内平均水位分别为18.07 m和13.25 m，与计算值相差可到3 m～6 m，而这段时间内由于库水位在正常蓄水位附近长时间未见大的波动，可视大坝已达到稳定渗流状态，其渗流状态应与设计计算的正常蓄水位工况相对应。

2 成因分析

图4为三溪浦水库维修加固工程设计报告中所做的水库维修加固前无混凝土防渗墙时正常蓄水位下大坝渗流计算结果，通过与图3对比可以发现：混凝土防渗墙的截渗作用是很明显的，通过设置混凝土防渗墙能够大大地消杀下游坝体和坝基的水位，如此则很容易让人推断出混凝土防渗墙渗透系数达不到设计标准的结论，事实上，通过查验维修加固工程验收材料，排除了混凝土防渗墙的施工存在质量问题的原因。

图3 维修加固工程后正常蓄水位下大坝渗流场分布(单位：m)

从另一个角度对图3进行细致观察可知，图3中浸润线在混凝土防渗墙内有很明显的降低，说明混凝土防渗墙与心墙之间的渗透系数存在较大的差异，初步说明了混凝土防渗墙存在施工质量问题的可能性较低，但之后浸润线从心墙出来后，由于心墙与坝基之间渗透系数相差3个数量级，此处浸润线也急剧降低，直接从心墙与坝基的交接的齿槽部位进入坝基，所以有可能是靠近心墙部位的坝基渗透系数与心墙相差太大，所以造成此处浸润线下降过快，从而造成下游测点的实测水位高于计算结果的现象。另外，由于心墙与坝壳A分别为含砂砾黏土和砂壤土，且渗透系数相差不大，所以图4中浸润线的在下降过程较为平缓，浸润线是在坝壳A与坝壳B分界线处的进入坝基，通过观察图4浸润线的坡度可以发现维修加固工程前心墙以及部分坝体和坝基内的渗透坡降较大，数值在1～2左右，且越靠近心墙，渗透坡降也越大，而浸润线进入坝基以后渗透坡降就大大减小，基本在0.1左右。根据相关文献可知[5-7]，在没有可靠反滤保护的条件下，一般砂砾土在渗透坡降1～2的渗流作用下是极易产生渗透变形，据此笔者推断三溪浦水库在维修加固工程前，原有心墙已发生了一定程度的渗透变形，心墙内细颗粒土在顺着流线方向进入坝基中，而坝基内的渗流场的渗透坡降很小，导致细颗粒失去了继续向下游运动的动力而沉积下来，从而逐步将坝基淤堵，导致了心墙下游侧的浸润线升高。

图4维修加固前水库正常蓄水位下坝体与坝基水头分布(单位：m)

通过查阅相关资料笔者发现不少透水性坝基发生淤堵的实例[8-10]，例如西藏山南地区高山宽谷河流区是当地重要的农业区，由于其分布有深厚粗大的强渗透性冲洪积层，因此在这类地区兴建水库工程时，由于坝基防渗处理不当，往往存在坝基渗漏问题，但同时也发现这些发生渗漏的水库，在没有增加任何附加防渗处理的情况下，经过几年的运行，坝基土体出现渗透性降低、渗漏问题明显好转等现象，且后期的水库蓄水位可以达到设计要求。同时发现，也有不少建于河床透水坝基上的二十世纪五六十年代老水库与三溪浦水库相类似，受限于当时的技术水平，存在较大的渗漏问题，但随着运行年限的增长，渗漏量逐年减少，例如1960年建成的河北西大洋水库[11]，到1990年渗漏量已减少了80%。另外，根据三溪浦水库维修加固工程前的地勘工作中也发现了坝基靠近心墙的砂砾卵石层，因水库多年蓄水，细颗粒沉积较多，透水性能变弱[12]。上述几个实例说明在一定条件下，透水性坝基发生淤堵的可能性是客观存在的。

3 坝基渗透系数修正

为确定坝基淤堵后的真实渗透系数，本文利用已有的测点实测值对进行反演，根据前文中的分析，维修加固前的大坝浸润线是从坝壳A与坝壳B的交界处进入坝基，在该交界处上游侧的坝基有较大可能发生淤堵，同时结合图4中的渗流场分布情况判断初步拟定了发生淤堵的坝基范围为图5中坝基E的部分。

图5修正后坝体与坝基各部分分布范围

渗透系数的反演方法一般采用数值优化方法[13-15]，其基本方法是：首先选取一组参数进行渗流计算，将计算值与实测值进行比较，根据计算值与实测值的差异，按不同的优化方法对参数进行调整，再进行数值分析，直至计算值与实测值之间的差异达到最小，此时的参数即为最优参数，本文定义了计算测压管水头值与实测值之间差异的函数如下：

(1)

图6坝基渗透系数修正后正常蓄水位下

坝体与坝基水头分布(单位：m)

通过对比表1中的渗透系数，可以发现反演获得的坝基E的渗透系数与心墙和坝壳A的渗透系数在同一数量级上，比心墙和坝壳A略大，但与坝基渗透系数相比要相差2～3个数量级。这也能从一定程度上验证坝基发生淤堵的可能。另外值得一提的是，通过反演确定的坝基淤堵部位的渗透系数与坝基淤堵的范围密切相关，淤堵范围越大，在相同渗透系数下，浸润线抬升越明显，所以准确的坝基淤堵部位渗透系数，需做进一步的地质勘察工作来确定，但可基本确认淤堵部位的坝基渗透系数应比原设计采用的数值要小。

表2 坝基渗透系数修正后断面测压管水位计算值与实测值对比

4 结 论

通过比较三溪浦水库大坝蓄水后半年内的稳定渗流期观测数据与设计计算结果可知，防渗墙下游侧的测点实测值明显高于设计计算结果，在排除防渗墙施工质量问题的原因后，初步判断在维修加固工程前由于坝体内渗透坡降较大，发生了一定的渗透变形，心墙内细颗粒在渗透坡降的作用下随着渗透水流被带入松散的砂砾石坝基内沉积下来，导致坝基发生淤堵，从而降低了坝基部分区域的透水性，抬高了该区域的浸润线，同时通过采用测点水位实测值对淤堵的坝基进行渗透系数反演，发现反演获得的淤堵坝基的渗透系数要大于原设计值，与原心墙的渗透系数较为接近，初步验证了坝基发生淤堵的这一结论。