某水库除险加固安全评价中坝体渗流稳定分析

孙亚南

（盘锦海陆土木工程有限公司，辽宁盘锦124010）

1 工程概况

某除险加固工程为IV等小（1）型水库，坝高19 m，总库容为313.93万m3，是一座以防洪灌溉为主，兼顾工业用水的水利工程，水库防洪标准为30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。枢纽主要由主坝、副坝、输水涵洞、输水隧洞、溢洪道等组成[1]。从水库监测运行资料来看，水库运行过程中未出现坝址漏水量增大的现象，坝下游坡面未出现“牛皮胀”、渗水等现象，水库主坝坝基及坝区、岸坡均无异常渗漏情况。从现场检查情况来看，该水库主坝坝后坡排水棱体有2处存在少量的渗流。本文主要对大坝进行渗流安全评价分析，通过分析得到坝体渗漏情况，指导坝体除险加固设计施工。

2 渗流安全评价

2.1 评价方法

根据该水库各枢纽工程布置及运行情况，副坝下游与地面几乎齐平，仅对主坝作渗流安全分析。渗流安全评价主要方法：根据现场检查、运行管理资料、勘察报告分析，复核大坝安全运行现状；依据渗流复核成果、渗流监测资料进行综合分析，评价大坝渗流安全性。

2.2 渗流观测断面布设

此次在水库主坝共布置4个渗流观测断面，3排测压管（每个断面布置3根测压管）[2]，大坝坝脚设有量水堰观测设施，用于观测渗水点的渗漏量。大坝测压管观测数据见表1，大坝测压管浸润曲线见图1。

图1 实测值与计算值浸润曲线对比图

根据大坝测压管观测数据，4个断面的同一排测压管水头值不同，表明各断面附近坝体填土土质存在不均匀情况。

当库水位值为77.89 m时，采用“理正渗流分析软件”，计算结果如图1所示。分析计算结果与实测测压管数据基本一致，表明渗流状况良好。

3 渗流计算分析

3.1 计算方法及工况

大坝计算参数、填料性质、布置等依据现场调查收集资料、钻探试验成果数据以及相关工程经验，计算参数见表2。作渗流计算分析时，对主坝段各选取其最大断面作为计算断面进行计算分析[3]。大坝渗透稳定分析采用“理正渗流分析软件”。

表1 2018年水库测压管数据摘录分析表m

表2 主坝岩土层渗流计算主要物理力学性质指标表

根据SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》来分析主坝计算工况：工况1为正常水位稳定渗流，水库水位为79.91 m；工况2为设计水位稳定渗流，水库水位为81.31 m；工况3为校核水位稳定渗流，水库水位为81.71 m；工况4为库水位从校核水位骤降至死水位，水库水位为81.71~71.61 m。渗流稳定计算应考虑水库运行中出现的各种不利条件。非稳定渗流计算的边界条件假设在骤降前已经形成稳定的渗流，拟定工况4。

3.2 计算原理

坝体沿纵向长度远大于横断面尺寸，符合平面假定，因此计算方法可采用平面稳定渗流有限元计算程序进行。计算采用二维饱和渗流的初流量有限元计算方法[4]，饱和渗流的基本方程：

式中：kx，ky分别为x，y方向的渗透系数；h为测管水头，m。渗流的定解条件：

式中：n为边界面的外法向方向；kn为法向方向的渗透系数；μ为给水度；Г1为自由面和上下游边界面已知水头边界；Г2为潜流边界面和不透水边界；Г3为自由面边界；t为时间，s；q为单宽流量，m2/s。

3.3 计算成果及分析

1）计算坝体浸润线、单宽渗流量

计算渗透流量时，选取渗透系数大值平均值，计算水位降落时的浸润线时，选取渗透系数小值平均值。主坝计算断面见图2，渗流量计算成果见表3，渗流浸润线计算成果见图3、图4。

图2 主坝计算断面图

表3 某水库主坝单宽渗流量计算成果表

图3 主坝断面工况1时的渗流浸润线

图4 主坝断面工况4时的渗流浸润线

2）计算成果分析

根据计算成果，浸润线遵循随库水位上涨而提高、跌落而下降的规律，表明主坝段防渗状况良好，计算结果合理，可用于边坡稳定分析。

3.4 渗透稳定分析

根据此次安全鉴定的岩土勘察报告，主坝坝体填土为素填粘性土，坝基地层为粉质粘土层、砾砂层、强风粉砂岩组成。根据计算成果，主坝坝体最大出逸比降为0.212。可初步判断主坝坝体填土渗透变形类型为流土，渗透稳定分析计算成果：土粒比重2.68，孔隙比0.778，孔隙率44%，临界水力比降0.94，安全系数2.0，允许水力比降0.47，正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位最大渗透比降分别为0.175，0.203，0.212。

主坝段在各工况下的渗透比降均低于允许水力比降，不会发生流土破坏。

3.5 大坝渗流安全评价

根据勘察报告，坝体填土渗透系数为4.3×10-6～8.6×10-4cm/s，平均渗透系数为3.0×10-4cm/s，为中等透水性。主坝段填土渗透系数均不满足SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》中“均质坝不大于1×10-4cm/s”要求[5]。

虽然该水库主坝的坝体填土渗透系数不满足规范要求，但从水库主坝历史运行状况、现场检查情况来看，主坝段防渗状况良好，未发现“牛皮胀”等渗漏现象，据渗透稳定分析计算成果来看，主坝段不会发生渗透破坏。

4 结语

综合分析水库主坝填料渗透特性、运行过程中的渗流情况、渗流复核计算成果、现场检查情况、地质勘察成果，可得出：虽然该水库主坝段填土渗透系数不满足规范要求，但经渗流分析，主坝段不会发生渗透破坏。该水库历史运行情况及现场检查情况来看，渗流正常，其它坝基及坝区、岸坡均无异常渗漏情况。从分析结果可见，主坝无渗流异常，不影响主坝安全，依据SL 258—2000《水库大坝安全评价导则》，评定主坝渗流安全性为A级。