以闫庄水库为例探析均质土坝安全鉴定

李元旗

(陕西省延安市黄陵县水库管理处，陕西 延安 727300)

1 概 况

闫庄水库位于延安市黄陵县店头镇闫庄村沮河支流东川河上游，水库以防洪为主，兼灌溉下游农田和人畜饮水。闫庄水库于1970年开工，1974年完成并投入运行，水库总库容115万m3，设计洪水标准为30 a一遇洪水设计，相应洪峰流量40.4 m3/s，300 a一遇洪水校核，洪峰流量80.5 m3/s。设计洪水位1187.63 m，校核洪水位1188.21 m。该水库枢纽大坝为均质土坝，坝顶高程1190.00 m，坝长210.00 m，坝顶宽4.00 m，坝顶为沥青路面结构，其中路基设砂砾石稳定层，厚度10.00 cm，碎石沥青罩面层厚度8.00 cm。上游坝坡坡比1∶3采用干砌石护坡，砌石厚0.30 m，其下设0.15 m砂砾石垫层，砌护范围从死水位1178.20 m至坝顶1190.00 m，砌护斜长37.30 m。

2 现场勘察与检查

2.1 坝体检查

经现场勘察检查，闫庄水库大坝堤顶路面不平整，有积水现象，坝顶靠下游侧有明显路面沉降现象，沉降2～5 cm不等。堤顶路面有明显结构缝变形拉开现象，坝顶上游侧无照明设施。坝顶、上游坝坡均有植物滋生，坡面不平整，局部出现沉降、隆起现象。下游坡面不平整，坝坡面有流土、管涌等现象，渗水比较严重，现场设有6处反滤围井。

2.2 坝基及坝区检查

大坝经过多年的沉降基本趋于稳定，但大坝坝基基岩强风化，左右坝肩与岸坡连接处有裂缝、异常渗水现象，其中左坝端库岸岩石有明显裂缝，存在绕坝渗透现象。基础排水设施年久失修，坝基下部存在强透水砂卵石，坝基基岩强分化，坝基渗漏严重。现场检查及访问库区、近坝区，无水面旋涡，冒泡等现象，水库岸坡稳定。

3 安全监测资料分析

3.1 监测设施分析

闫庄水库目前共有3个横断面观测坝体变形测压管，6个坝体位移变形观测点，用人工观测坝体渗流浸润线变化。结合大坝安全监测系统设计情况及现状监测设施运行情况可知，大坝变形测压管布设较合理，但是大坝建成至今，水库降雨量、水位、进出库流量、位移、渗流等基本安全监测项目从未开展，监测资料不全，无法通过监测数据分析确定其大坝安全性能。

3.2 库水位分析

水库蓄水运行至今已经30多年，由于坝体质量差，坝基和绕坝渗漏严重等原因，水库未按设计蓄水，一直处于低水位运行状态，造成水资源严重浪费。历史最高水位是1188.00 m，发生时间为2010年7月24日。本次实际测绘水位为1178.8 m。从工程效益方面，建议闫庄水库尽快进行除险加固工程，以达到水库正常运行条件。

根据《水库大坝安全评价导则》(SL 258-2017)[1]，结合现场检查及相关资料，闫庄水库大坝安全存在向不利方向发展的趋势，确定大坝安全性能异常。

4 工程质量分析

4.1 坝基地质条件评价

闫庄水库坝基由两部分组成，上部河床覆盖层由淤泥质土和砂砾石组成，下部为白垩系洛河组砂岩构成的河沟基座。坝基岩土体为圆砾和砂岩，砂岩强风化垂直层厚度0.9～8.5 m，为强透水岩土体，中风化砂岩为弱透水地层，坝基在圆砾层和强风化砂岩层中存在坝基渗漏问题。

坝肩斜坡按岩性分为两部分，高程1179.5 m以下为砂岩边坡，高程1795.5 m以上为河流一级阶地堆积的砂砾石和粉土，渗透系数k=2.36×10-4cm/s，中等透水。砂砾石层厚2.0～2.5 m，中密，渗透系数k=8～10 m/d，弱透水，砂岩表面强风化带垂直厚度5.0～10.0 m，岩体透水为10～311 Lu，中等透水，左、右坝肩存在的工程地质问题是绕坝渗透。

4.2 大坝工程质量评价

4.2.1 坝体与坝基防渗质量评价

为检测坝基高压旋喷防渗效果，根据《水工建筑物防渗工程高压旋喷灌浆技术规范》《土石坝安全监测技术规范》(SL 551-2012)[2]的要求，采用了开挖、压水试验、注水试验、渗压观测、渗漏量观测等多种方法对坝基高压旋喷防渗效果进行检查。检查显示，防渗墙下游面较干燥，无渗水点，其渗透系数皆小于1.0×10-5cm/s，砂砾石层旋喷固结体抗压强度大于10.0 MPa，皆符合规范及设计要求。但是由于坝基基岩表层强风化，属于中～强透水，防渗墙未穿透强分化岩层，坝基渗透量较大，左、右坝肩存在绕坝渗透现象。

4.2.2 大坝土方质量评价

闫庄水库大坝采用机械碾压、人工夯实相结合的施工方法，室内试验表明，坝体回填土的干密度在1.50～1.66 g/cm3之间，平均值为1.60 g/cm3，其含水率在14.2%～25.9%之间，平均值为20.8%，最大、最小干密度差值达0.16 g/cm3，表明该坝各层的碾压密度不均匀，存在密度较薄弱区域，渗透试验的水平渗透系数在0.94×10-5～1.21×10-4cm/s之间，垂直渗透系数在0.61×10-5～6.90×10-5cm/s之间；坝体土黏聚力在21.1～23.4 kPa之间，平均值为22.3 kPa；摩擦角在15.1°～19.2°之间，平均值为16.9°，坝体强度不均匀。说明大坝施工时存在基础清理不到位，上土料控制不严，密实度差，坝肩两岸岸坡处理不当等情况，使水库运行过程中大坝产生不均匀沉陷，造成沿坝轴线多处明显裂缝，坝基及左、右坝肩渗漏严重。

地质勘察资料表明，左岸边坡表层下游高程1180.5～1178.0 m有细小裂隙，开挖至2.5 m后至砂岩顶面裂隙消失，分析裂缝形成的原因，主要是土坝填土与石质结合处因湿陷不均匀产生沉降，而1175 m高程以下基岩潮湿表层强风化严重剥落，是绕坝渗漏形成的主要原因。

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL 189—2013)[3]的规定，压实度应在0.96～0.98之间，该坝以0.96压实度(室内最大干密度为1.963 g/cm3，压实度0.96对应干密度为1.884 g/cm3)作为标准，对10个坝体土密度进行评价，其合格率为0。分析原因是该大坝工程建设初期，缺乏专业的技术人员，未能按正规的基本建设程序进行，对筑坝土料性质认识不够，造成坝体土料填筑不科学，施工质量控制不严，造成坝体填筑质量较差。因此，工程质量评定为不合格。

4.3 大坝抗洪能力复核

闫庄水库设计洪水位(p=3.3%)1187.76 m，校核洪水位(p=0.33%)1188.47 m。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)[4]公式计算坝顶高程，见表1。

取其最大值，闫庄水库最大坝顶高程为1189.41 m，现状水库坝顶高程为1190.00 m，说明现状坝顶高程满足要求。闫庄水库的设计洪水标准为30 a一遇设计洪水流量为40.4 m3/s，300 a一遇设计洪水流量为80.5 m3/s。采用的防洪标准符合《防洪标准》(GB 50201—2014)[5]和《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)，因此确定大坝防洪安全性评为A级。

4.4 大坝渗流分析

选取0+032.60断面进行二维有限元渗流分析，此断面可反映整个大坝的实际渗流状况。计算断面坝体及坝基土质的特性指标见表2。

表2 土壤特性指标

根据规范SL 274—2020的渗流分析规定，选取两种进行分析：当上游正常蓄水位+下游无水时，水库水位为1187.00 m，渗漏量为2.71 m3/d·m，坝坡最大渗透比降为0.166；当水位降落期(正常蓄水位降至汛限水位+下游无水)时，水库水位为1183.00 m，渗漏量为2.05 m3/d·m，坝坡最大渗透比降为0.124，两种情况的最大渗透比降均小于允许比降0.471。坝体渗漏溢出点较低，上游防渗墙的设置有效降低了浸润线，但是由于坝区基岩面较高，基岩表层强风化，属于弱～中等透水，防渗墙未穿透强风化岩层，坝基渗漏量较大，左坝肩绕坝渗漏现象严重，高水位持续时间越长，渗漏量越大。放水涵洞周边岩土体为强风化砂岩，放水涵洞出水口周边有渗漏现象，涵洞洞身与坝体之间存在渗漏通道。溢洪道与周边强风化砂岩层存在渗漏问题，因此认为该工程的渗流形态是不安全的，所以评定为C级。

4.5 结构安全评价

土坝结构稳定分析主要是校核土坝在最不利的工作条件和有无地震发生的情况下，其坝坡在剪切破坏下是否会产生滑坡，选择断面0+032.60作为计算基本断面，分析方法依照规范SL 274—2020中规定，对较低的均质坝采用简化毕肖普法。按照规范及有关资料要求，对上、下游坝坡进行稳定计算时，选取以下四种情况：稳定渗流期(正常蓄水位)的上、下游坝坡；稳定渗流期(设计洪水位)的上、下游坝坡；非常运行期(校核洪水位)的上、下游坝坡；水库水位降落期的上、下游坝坡，采用简化毕肖普法进行分析计算。计算结果见表3。

表3 大坝上游坝坡稳定计算结果汇总(0+032.60断面)

由计算可知，上、下游坝坡在各种工况条件下的稳定最小安全系数均满足规范要求，因此，土坝坝坡稳定。

4.6 大坝抗震安全复核

根据《黄陵县闫庄水库除险加固工程地质勘察报告》成果，该区地震动峰值加速度为0.05 g，地震基本烈度为Ⅵ度，抗震设防烈度为Ⅵ度，满足《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)规范要求,抗震安全性评定为A级。

5 结 语

经过现场勘察检查和分析计算，闫庄水库大坝填筑质量差，存在绕坝渗漏现象，坝坡渗水比较严重，工程质量不合格，防洪标准、抗震安全为A级，结构安全为B级，渗流安全为C级。按照《水库大坝安全评价导则》，水库大坝鉴定为三类坝，急需进行水库大坝除险加固。可供同类水库进行安全鉴定时参考。