横泉水库大坝渗流稳定复核

范志强

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司山西太原030024）

1 工程及评审概况

根据水利部发布的《水库大坝安全评价导则》，水库大坝包括永久性挡水建筑物以及与其配合运用的泄洪、输水等建筑物，需开展安全鉴定工作。横泉水库工程于2004年9月开工，2007年12月通过竣工验收，水库运行至今（2020年）未做过安全评价，因此横泉水库开展大坝安全鉴定工作是很有必要的。2020年7月我院受业主委托组织设计及地勘等相关专业人员开展安全评价工作，大坝安全评价报告于2020年12月编制完成并通过省水利厅组织的专家评审工作。

横泉水库坝址位于三川河干流上方山县峪口镇横泉村，下游距吕梁市城区约40 km。横泉水库是一座中型水库，以供水、灌溉兼顾防洪等为主。水库枢纽为Ⅲ等工程，洪水标准为100年一遇设计，1 000年一遇校核。

枢纽主要建筑物有大坝、泄洪洞、供水发电洞。大坝为均质碾压土坝，大坝坝顶长963.75 m，最大坝高36.70 m。泄洪洞和供水发电洞均在右坝肩，其中：泄洪洞洞径8.0 m，总长684.90 m；供水发电洞洞径3.4 m，总长534.07 m。

2 大坝防渗设计

横泉水库大坝分三部分，从左至右分别为：黄土台地段、新旧坝体结合段、新筑坝体段，其桩号分别为：0+000.00～0+218.00、0+218.00～0+490.00、0+490.00～0+963.75。

大坝分别在坝体填土与上游护坡面、下游排水棱体以及坝基砂砾石层接触面等三处设置反滤层。各处均设两层反滤，除棱体处每层厚50 cm 外，其余两处每层均为30 cm 厚，粒径分别为0.02～1.5 mm、0.7～15 mm。

坝体在上游护坡与坝坡反滤层以及下游反滤层与坝趾排水棱体之间设过渡层，过渡层厚均为40 cm，粒径d=5～100 mm。

坝基防渗采用帷幕灌浆与塑性混凝土防渗墙相结合的方案。主河槽坝基下覆盖层大部分为砂砾石，因此采用0.8 m 厚塑性混凝土防渗墙，全长1 006.8 m，防渗墙底部伸入岩层4 m，最大墙高60 m。其中：桩号0-070.00～0+053.48 段墙顶高程1 135.00 m；桩号0+053.48～0+470.00 段墙顶到旧坝体及黄土台地顶；桩号0+470.00～0+936.80 段墙顶伸入新坝体4m。

防渗墙上下游设两排帷幕灌浆，顶部与防渗墙结合部共4 m，最大灌浆深度86.4 m。大坝桩号0-070 以左共622 m 范围内不做防渗处理。右岸坝肩沿坝轴线0+937～0+992 范围内设帷幕灌浆，灌浆孔距、排距均为2.5 m 的梅花形三排灌浆孔，帷幕底部伸入基岩。大坝标准横断面见图1。

3 地质勘探成果

根据大坝坝体填筑分区情况结合现场实际情况，我院地勘人员分别选取三个具有典型代表性的断面进行勘探工作：桩号0+115.4 为左岸黄土台地，桩号0+257.9 为左岸新旧坝体结合处，桩号0+656.96 为新筑坝体最大断面。其中：桩号0+115.4 处钻孔位置位于坝顶下游侧距坝轴线1.8 m，孔深30 m，竖井位于下游侧距坝轴线7 m 处，井深6.7 m；桩号0+257.9 处钻孔位置位于坝顶下游侧距坝轴线1.5 m，孔深28.7 m，竖井两个，分别位于下游侧距坝轴线7 m 处，井深6.7 m，另一孔距坝轴线31.5 m 处，井深3.7 m；桩号0+656.96处钻孔位置位于坝顶下游侧距坝轴线1.6 m，孔深34.97 m，竖井两个，分别位于下游侧距坝轴线7 m 处，井深7.7 m，另一孔距坝轴线31.5 m 处，井深3.7 m。

经钻孔取土进行土工试验，其物理力学性质指标为：天然含水率为11.1%～24.7%，平均值24.7%，比重2.70～2.71，饱和度59.5%～96.4%，天然密度1.85～2.09 g/cm3，平均值2.00 g/cm3，干密度1.50～1.83 g/cm3，平均值1.71 g/cm3，孔隙比0.483～0.795，天然压缩系数av1-2=0.01～0.42 MPa-1，平均值为0.15 MPa-1，多具低-中等压缩性，液限28.0%～30.6%，平均值29.2%，塑限17.1%～18.7%，平均值17.6%，塑性指数10.8～12.3，液性指数-0.57～0.64，湿陷系数0.000～0.005，均小于0.015，不具湿陷性，水平渗透系数1.59×10-6～3.41×10-5cm/s，平均值1.05×10-5cm/s，饱和抗剪强度指标c=23.2～33.6 kPa，平均值29.1 kPa，Φ=22.0°～26.0°，平均值24.2°。

经坝体填土抗剪强度三轴固结不排水剪试验，其物理力学性质指标为：平均值总应力凝聚力C=65.3 kPa，总应力内摩擦角φ=25.3°，有效应力凝聚力C′=61.4 kPa，有效应力内摩擦角φ′=31.6°；小值平均值总应力凝聚力C=48.0 kPa，总应力内摩擦角φ=23.8°，有效应力凝聚力C′=42.6 kPa，有效应力内摩擦角φ′=30.3°。

4 渗流计算

根据坝体土物理参数，采用河海大学编制的autobank7.0.8 软件计算稳定期渗流及非稳定期渗流。

4.1 大坝稳定渗流计算

依据《碾压式土石坝设计规范》，大坝稳定渗流按以下三种工况进行计算：

1）正常蓄水位与相对应的最低下游水位；

2）设计洪水位与相对应的最低下游水位；

3）校核洪水位与相对应的最低下游水位。

计算断面与地勘工作外业钻探断面一致。稳定渗流计算的结果见表1。

表1 大坝稳定渗流计算成果表

4.2 大坝非稳定渗流计算

依据《碾压式土石坝设计规范》，大坝非稳定渗流按以下两种工况进行计算：1）校核洪水位1 136.50 m骤降至汛限水位1 131.50 m；2）设计洪水位1 135.05 m骤降至汛限水位1 131.50 m。

计算断面与地勘工作外业钻探断面一致，其中桩号0+115.4 处左岸黄土台地因坝基高于汛限水位，因此未计算其非稳定渗流。根据最不利情况，水位降速取1 m/d，非稳定渗流计算的结果见下表2。

表2 大坝非稳定渗流计算成果表

4.3 渗流计算成果分析

从表1、2 中可以看出，在各计算工况下的坝体浸润线均在下游排水棱体中逸出，浸润线线型趋势符合一般规律，说明坝体排水系统工作正常。坝体各土层渗透系数均小于10-4cm/s，渗透性满足均质土坝要求，不存在渗漏问题。各工况下坝基土的出逸坡降也都小于允许渗透坡降，说明坝基土处于渗流稳定状态。

4.4 渗流量计算

横泉水库2018年1月—2019年10月内最低蓄水位1 125.75 m 下渗流量为15.51 L/s，最高蓄水位1 135.38 m 下渗流量为18.22 L/s，平均水位1 129.86 m，平均渗流量16.85 L/s，2018年实测坝体渗流量为53.1 万m3。

参考2018—2019年度平均蓄水位1 129.86 m，采用河海大学编制的autobank7.0.8 软件计算渗流量，计算结果见表3。

根据表3 可知1 129.86 m 水位下大坝年渗流量为149.6 万m3。

表3 大坝渗流量计算表

5 结论

查阅横泉水库初设报告可知水库在多年平均蓄水位1 126.87 m 下大坝年渗流量为196.7 万m3，大于本次复核计算的2018—2019年度平均蓄水位1 129.86 m 下大坝年渗流量，同时本次复核计算结果大于2018—2019年实测年渗流量。坝体渗流数据符合一般规律且处于安全稳定状态。根据大坝渗流观测资料显示，大坝竣工至今下游三角量水堰渗水均为清水。

通过现场安全检查、查阅竣工验收资料和分析安全监测资料等工作，最终认为：横泉水库大坝防渗和反滤排水设施完善，设计与施工质量满足规范要求，无渗流异常现象。

根据本次现场钻探取样的土体特性参数，经复核计算：各工况下的坝体浸润线均在下游排水棱体中逸出，浸润线趋势符合一般规律，坝体土渗透系数均小于10-4cm/s，满足均质土坝要求；坝体、坝基逸出点渗透坡降均小于地质资料提供的允许值，不存在渗透变形问题。

综合分析以上情况，坝体坝基各工况下均处于渗流稳定状态。