鸭河口水库大坝工程地质条件及渗透变形分析

牛飞 李伟 张军 李万里

文章编号：1006-0081（2019）09-0029-04

摘要：鸭河口水库大坝为黏土心墙砂壳坝，建在砂卵石地基上。大坝运行50多年来，大坝下游排水沟内出现多处冒砂，由坝基渗流引起。在阐述坝体和坝基工程地质、水文地质条件的基础上，从坝基渗流量、测压管位势、渗透比降等方面分析了坝基的渗透稳定性;根据理论计算、浸润线管对坝体渗流进行了分析。研究结果表明，坝体、坝基渗流性态安全。

关键词：黏土心墙砂壳坝;工程地质条件;坝基渗流;渗透变形;鸭河口水库

中图法分类号：TV641.2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.007

1工程概况

鸭河口水库位于长江流域汉江支流唐白河水系白河上游，坝址在鸭河人白河交汇口处，属河南省南召县东抬头村。水库下游距南阳市40km，是白河上的主要防洪控制工程，控制流域面积3030km2。水库按1000a一遇洪水设计，设计水位179.5m，相应库容11.19亿m3;10000a一遇校核，校核水位181.3m，相应库容13.16亿m3。大坝为黏土心墙砂壳坝，坝长3294m，坝高34.0m，坝顶宽8.0m，设计防洪库容3.242亿m3，调洪库容5.212亿m3，兴利库容8.101亿m3。鸭河口水库是一座以防洪灌溉为主，兼顾发电、养殖、城市供水等综合利用的大（一）型水库。水库大坝系建筑在砂卵石地基上的黏土心墙砂壳坝，大坝于1958年11月动工兴建，1959年底建成。建成后，大坝下游排水沟内出现多处冒砂现象，为查明大坝的工程地质条件，对坝体及坝基进行地质钻探。根据地质资料、测压管及浸润线管资料，对坝基及坝体渗流进行了安全分析，可为以后同类工程提供有益借鉴。

2坝基工程地质条件

2.1地形地貌

坝址位于低山丘陵与平原的交界处，坝址以上为低山丘陵区，以下为平原。坝址左岸接杨庄后的茶儿岭，山坡自然坡度较缓，约10°-20°，山顶高程185.0m。右岸接黑山头，山坡自然坡度约50°～60°，山顶高程190.0m，河床最低高程149.0m。河流与坝轴线垂直，鸭河靠近坝轴线左端，左岸发育有一级阶地，呈条带状分布，宽约300m，鸭河漫滩及河床宽300m;白河分布于坝轴线右端，河床宽620m，河床两岸无阶地发育。

2.2地层岩性

坝址区的地层岩性从上至下依次为：①层砾砂（Q4al）。分布于鸭河漫滩及河床、白河河床，桩号1+734-2+530，厚3.5-8.1m。控制粒径d60=2.23mm，d30=0.623mm，有效粒径d10=0.278mm，卵砾含量约15%-20%，粒径2-5cm，不均匀系数Cu=33.1，曲率系数Cc=1.27，级配较好。②层砂卵石（Q4al）。分布于鸭河、白河河床及漫滩上，卵石含量约60%-70%，粗砂含量约30%-40%，卵石粒径一般5-7cm，最大30cm，控制粒径d60=56.2mm，d30=0.897mm，有效粒径d10=0.187mm，不均匀系数Cu=100.7，曲率系数Cc=0.58，级配较差。③层重粉质壤土（Q4al）。分布丁鸭河左岸一级阶地上，厚5.9-6.2m，可塑状态，偶见铁锰结核及斑点。④层花岗片麻岩及闪长片麻岩（Ptl-Gn）。分布于两坝肩，强风化厚度5.0-10.0m。

2.3坝基水文地质条件

坝基地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。①层砾砂渗透系数为116.6m/d，强透水;②层砂卵石渗透系数为166.8m/d，强透水;③层熏粉质壤土渗透系数为4.27x106cm/s，弱透水;④层花岗片麻岩及闪长片麻岩透水率为4.1-47.3Lu，弱一中等透水。

2.4坝基工程地质条件评价

两坝肩岩性为花岗片麻岩及闪长片麻岩，弱一中等透水，透水性不大;鸭河、白河河床、漫滩及一级阶地上分布有①层砾砂、②层砂卵石，均属强透水，存在坝基渗漏问题[1]。

鸭河、白河为砂质河床，勘察期间，坝上游库水位175.67m，坝下游水位153.01m。由于地下水具有承压性，且坝基砂层上下游贯通，在坝上游高水头作用下，在大坝下游排水沟内出现多处冒砂现象。根据测量，平均渗透流量为200L/s，为此大坝下游修建了38眼减压井。

3坝基渗流安全分析

3.1坝基渗流量分析

为检查水库运行过程中坝基渗漏量，在坝下游排水沟内设置2个流量堰，以便观测坝基及坝体渗透流量。经分析整理，在库水位高低变化的情况下，坝后渗流量随之变化，和库水位形成对应关系。当库水位超过170.0m时，1964年渗流量为540L/s，1974年滲流量为300L/s，减少44.4%;1984年渗流量为200L/s，比1974年渗流量减少33.3%。这表明坝后渗流量逐年减少，坝基渗流稳定。

3.2坝基测压管位势分析

在鸭河口水库坝基砂卵石层有压渗流场情况下，测压管水位是由上下游水位差、降雨等因素引起的，测压管水位高低与上下游水位变化幅度、降雨量大小和坝基砂卵石透水性等因素有关，计算位势时，认为管水位与库水位同步，不考虑管水位后问题。

从各断面测压管位势变化情况（见表1）可以看出，坝轴线下游16m处月平均位势为0.27-0.18m，说明防渗铺盖的防渗效果明显。40余年来，随着库内坝前淤积的不断增加，铺盖的防渗作用加强，所有的测压管位势随时间延长逐步减少，并趋于稳定。在分析的5个断面中，位势的变化可分为2个时段：①1986-1988年前为位势下降时段，下降幅度为40%-66.7%，说明坝基渗流条件日趋好转，这与坝前淤积明显有关;②1986-1988年以来为位势平稳时段，说明坝基渗流条件经过调整口趋平稳[3]。

3.3坝基渗透比降分析

坝基砂卵石层的不均匀系数Cu=14.58，曲率系数Cc=1.23，级配良好，计算粗细颗粒的区分粒径的公式[3]为

df=√d70d10

（1）

通过计算，df=0.85mm，对应的细颗粒含量为8.5%（小于25%）。根据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》[3]第G.0.4条，渗透破坏类型为管涌，管涌型渗透破坏临界水力坡降可采用式（2）计算：

Jcr=2.2（Gs-1）×（1一n）2d5/d20

（2）式中，Jcr为土的临界水力比降;Gs为土的比重，取2.65;n为土的孔隙率，取0.384;d5、d20分别为土的颗粒粒径，表示小于该粒径土的质量占总土质量的5%、20%，分别取0.015，0.065，单位为mm。

通过计算，砂卵石层的临界水力比降为0.32，安全系数取2，则砂卵石层的允许渗透坡降为0.16。运行期实际渗透比降及预测在设计库水位179.84m的渗透比降为0.03-0.08，均小于0.16，说明坝基渗流性态基本安全。

3.4坝基渗流稳定分析

鸭河口水库坝型为黏土心墙砂壳坝，坝前有水平铺盖，坝下游有表面式排水体和堆石盖重，台地段有减压井。1959-1986年，随着水库和坝前的淤积，坝基测压管位势逐年降低;但1993年以来，坝基测压管位势已趋平稳，坝基砂卵石的实际渗透比降小于允许渗透比降，渗流性态安全。

4坝体渗流安全分析

4.1坝体质量评价

大坝为黏土心墙砂壳坝，根据建坝设计资料及施工控制指标要求，黏土心墙坝体压实干密度不低于1.65g/cm3，干密度范围值1.620-1.812g/cm3，平均值1.746g/cm3，干密度合格率为97.1%，渗透系数4.66x10-6cm/S，弱透水，坝体质量较好;迎水坡、背水坡砂壳设计要求风化砂干密度pd≥1.80g/cm3，相对密度不低于0.67，全部满足设计要求。

4.2理论计算分析坝体渗透稳定

渗流计算运用河海大学编制的Autobank计算程序，该程序采用有限元分析法求解渗流场。

根据SL274-2013《碾压式土石坝设计规范》，坝体渗流计算工况有：正常水位、设计水位、校核水位。通过计算提出渗流逸出点的渗透坡降、坝体渗流量及浸润线。以白河坝段坝体渗流计算为例进行分析。

4.2.1正常水位渗流计算

（1）浸润线计算。由程序计算得浸润线在坝内的位置和浸润线逸出点高程为154.002m，结果见图1。大坝2+360断面浸润线测压管水位与库水位历时曲线见图2。

（2）滲流量计算。由程序计算出的渗流量q=1.88x10-3m3（s.m），日渗流量Q=1.62m3（d.m）。

（3）渗透坡降分析。从计算结果看，在渗流逸出点附近单元的渗透坡降J最大值为0.20。渗透坡降计算公式[3]为

J允=（Gs-1）×（1-n）/K

（3）式中，Gs为土的比重，取2.72;n为土的孔隙率，取0.403;K为安全系数，取值范围为1.5-2.0，取1.75。通过计算可知，J允=0.576，大于0.20，因此，渗流逸出点渗流稳定。

4.2.2设计水位渗流计算

（1）浸润线计算。由程序计算得浸润线在坝内的位置和浸润线逸出点高程为154.002m，结果见图1。

（2）渗流量计算。南程序计算出的渗流量q=2.13x10-5m3（s.m），日渗流量Q=1.84m3（d.m）。

（3）渗透坡降分析。在渗流逸出点，渗透坡降计算结果为0_576，在渗流逸出点附近单元的渗透坡降J最大值为0.29，因此设计水位逸出点稳定。

4.2.3校核水位渗流计算

（1）浸润线计算。由程序计算得浸润线在坝内的位置和浸润线逸出点高程为154.23m，结果见图1。

（2）渗流量计算。由程序计算出的渗流量q=2.25x10-5m3（s.m），日渗流量Q=1.94m3（d.m）。

（3）渗透坡降分析。在渗流逸出点，渗透坡降计算结果为0.576，在渗流逸出点附近单元的渗透坡J最大值为0.32，因此设计水位逸出点是稳定的。

4.3利用浸润线资料分析坝体渗透稳定

为观察鸭河口水库坝体渗流场变化情况，在大坝桩号1+325、1+475、2+360三个断面各埋设一排浸润线观测管。由图3可以看出，随着库水位的变化，浸润线保持相对稳定状态，表明水库坝体处于稳定渗流状态。由实测浸润线观测断面（见图3）可以看出，浸润线测压管水位正常，黏土心墙渗流未发现异常。

5结论

（1）通过对鸭河Lj水库坝体、坝基工程地质条件进行分析论证，坝体黏土心墙属弱一微透水，坝基砾砂、砂卵石属强透水，坝下游排水沟内多处出现冒砂现象[4]。

（2）通过分析坝基渗流量、测压管位势、坝基渗透比降，得出渗流性态是安全的。

（3）根据理沦计算、浸润线观测管，对坝体渗流进行了分析，对临控与评价坝坡渗流安全具有重要意义。

参考文献：

[1]刘海宁，王俊梅，南湾水库坝基工程地质条件分析与评[J].中国水运，2010，10（5）：138-139.

[2]魏志远，鸭河口大坝坝基渗流分析[J].人民长江，1994，25（2）：44-47.

[3]GB50487-2008水利水电工程地质勘查规范[S].

[4]罗长军，胡峰，张磊奇，等，陡坡水库大坝渗透稳定性及渗透变形分析Ⅲ，岩土力学，2006，27（8）：1305-1311.

（编辑：唐湘茜）

收稿日期：2019-03-06

作者简介：牛飞，男，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail： niufei2388@163.com