平原水库土石坝渗流特性及防渗措施分析

张宗坤

（滨州市水利勘测设计研究院，山东 滨州 256600）

打渔张渠首水库位于博兴县乔庄镇，设计库容1340万m3，是一座以农业灌溉、人畜饮水和企业供水为主的平原水库，围坝为碾压式均质土坝。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），水库工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，库区地震基本烈度为Ⅶ度。本文运用理正岩土软件对其加固后大坝进行渗流分析计算，从而验证所采取的加固措施防渗效果的有效性。

1 工程概况

1.1 大坝现状

水库始建于1997年，从打渔张引黄闸后通过十三条渠引黄河水，经入库泵站直接入库，对黄河水带来的泥沙采取以挖待沉的方式。围坝长13.1 km，库底高程7.5 m，坝顶高程14.0 m，坝顶宽6.0 m，坝内外边坡均为1∶3，沿围坝四周布置截渗沟一条，场区地下水位9.29 m。现状大坝迎水坡没有进行防渗、截渗和混凝土板护坡，受风浪剥蚀局部坍塌严重。经计算，现状大坝年渗漏总量239.26万m3，为总库容的17.86%，渗漏严重，不满足《平原水库工程设计规范》（DB 37/1342-2009）7.6规定，在一般情况下平原水库的年渗漏量宜控制在总库容的6%～10%以内。

1.2 加固措施

拟采取加固措施有：库底清淤下挖1.0 m，迎水坡采用联锁预制混凝土砌块护砌，背水坡为草皮护坡。坝体采用复合土工膜结构、坝基采用悬挂式截渗墙作为防渗措施。经加固后，坝顶高程14.0 m，库底高程6.5 m，水库设计水位12.5 m，平均蓄水位11.5 m，死水位8.5 m。

2 大坝渗流稳定分析

2.1 计算方法

本次渗流计算采用二维有限元法，具体分析原理是将连续的渗流分析域离散为有限个相互连接的单元，在每个单元内用假设的插值函数近似代替未知场函数，通过求解插值函数计算各单元内场函数近似值，进而求得整个渗流分析域的场函数近似值。具体的实施步骤为：

1）转化问题。将渗流的偏微分方程的定解问题转化为变分问题。

2）离散区域。将求解区域划分为一定几何形状的单元。

3）确定插值函数。

4）求解单元渗透矩阵。对单元进行分片插值，以结点水头值为未知量的代数方程组，组装形成单元渗透矩阵。

5）集成求解域总渗透矩阵。

6）计算各节点渗流水头。将总渗透矩阵联合定解条件，确定整个求解域上的有限元方程，并对其求解得到各节点水头情况。

7）由节点水头推算其他渗流物理量并进行结果分析。

本次计算程序采用北京理正渗流分析计算系统，其基本方程为：

式中：[K]为透水系数矩阵；｛H ｝为总水头向量；[M]为单元储水量矩阵；｛Q ｝为流量向量；t为时间。

通过数值解法可将此方程解求出，从而得到各节点未知水头值及渗流的其他水力要素值。

2.2 计算工况

根据《平原水库工程设计规范》（DB 37/1342-2009），平原水库库区及围坝渗流计算应包括以下水位组合工况。

1）水库设计蓄水位与背水面相应的最低水位。2）水库平均蓄水位与背水面相应的水位。3）水库水位由设计蓄水位降落至1/3坝高水位时围坝迎水面坝坡稳定最不利的情况。

鉴于库水降落时对上游坝坡稳定不利，需考虑坝坡稳定最不利情况，本文不涉及边坡稳定分析，故对此工况不进行分析计算。主要渗流计算工况详见表1。

表1 主要渗流计算工况

2.3 计算参数

坝体及坝基渗流计算参数见表2。

表2 坝体及坝基渗流计算参数表

2.4 计算成果

渗流计算成果见表3，根据渗流分析计算结果绘制的浸润线流网图见图1、图2。

图1 设计蓄水位下浸润线流网图

图2 平均蓄水位下浸润线流网图

表3 渗流计算成果表

经计算，坝体采取防渗措施后，各工况下坝体均能满足渗透稳定，年渗漏量最大为10.76万m3，较防渗前减少228.50万m3，防渗效果显著。

2.5计算结果合理性分析

本次计算为采用理正软件进行，由于渗流分析问题本身很复杂，需要考虑的影响分析结果的因素也很多，本文在利用软件进行分析模型建立的过程中对基本条件进行了简化，现对计算结果进行合理性分析。两种计算工况下，设计蓄水位工况下上下游水头差较大，坝内浸润线偏高，渗流量偏大。这与按照达西定律推求的有限公式法中单宽渗流量与上下游水头差成正比、浸润线高度与上游水位成正比的规律相一致。

综上所述，本次计算结果合理。打渔张渠首水库经采取相应加固措施后，水库渗漏问题得到有效控制。

3 结语

本文以滨州市博兴县打渔张渠首水库为例，针对现状水库渗漏严重问题，经对大坝坝体采用复合土工膜结构、坝基采用悬挂式截渗墙作为防渗措施后，根据渗流特性原理运用二维有限元法，通过渗流分析计算，防渗效果明显，在实际工程加固中可以开展实施。