周家营水库土坝渗流安全性分析

王 兴

(北票市水利规划勘测设计院，辽宁 朝阳 122100)

大坝安全特别是渗流安全始终是工程技术领域关注的重点问题，也是水库安全运行评价的重要内容[1-2]。坝体渗流往往会对土石坝造成管涌或渗漏等渗透破坏，而对坝基岩和混凝土坝造成化学侵蚀破坏[3-4]。调查显示[5]，中国有132座大型水库均存在不同程度的渗漏破坏，并且约80%为土石坝，因渗漏管涌破坏引起安全事故的水库占调查总数的31.7%。可见，大坝能否安全稳定运行与渗漏问题密切相关，准确判别大坝特别土坝的渗流稳定性具有重要意义[6]。

目前，主要有数值解法、流体力学和水力学解析法等土坝渗流分析法，其中流体力学解析法是应用最为广泛的方法，包括有限元法、差分法和边界元法等多种类型[7-10]，可通过计算获取渗透坡降、渗漏量和渗流水头线等参数，分析坝体渗流安全状况。文章结合周家营水库土坝实测测压管数据，应用流体力学有限元法综合评价和计算分析大坝的渗流安全性。

1 渗流计算方法

1.1 基本原理

根据《碾压式土石坝设计规范》规定，对符合平面假定的坝体利用二维饱和渗流场基本方程[11]，其表达式为：

(1)

式中：kx、ky为主渗透系数；x、y为主渗透方向；H为水头。对平面四边形单元可利用下式揭示单元内的水头分布特征[12]，即：

(2)

将微分方程(1)利用变分原理转换成有限元格式，转化公式为：[k]{H}={Q}，其中[k]为总传导矩阵，{Q}为计算边界上的等效节点流量(分布流量)。

(3)

式中：Ω为计算域；[Be]、[k]为e单元的形变矩阵和传导矩阵。逐个高斯点计算所有可能包含自由面单元的水头[13]，其所处位置水头超过计算水头值时，该单元各节点初始流量中该高斯点的贡献率计算公式为：

{Ω}e=-[B][K][B]

(4)

(5)

经r次迭代运算后，确定水头值{Hr+1}={Hr}+{△Hr}。对新的自由面多次重复求解可确定Q0r+1，直至初始流量绝对值均<Ω2区各高斯点的界限允许值，最终求出的自由面即为迭代运算收敛的H=y面。

1.2 渗透稳定性判别

2 工程实例

2.1 工程概况

周家营水库建设在大凌河三级支流七家子河上，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、养鱼、旅游等综合利用的小一型水库，总库容132.48万m3。水库集雨面积7.53km2，河流长度4.33km，平均比降为32.08‰。水库于1975年开工，1976年年末建成并投入使用，于2011年进行了除险加固，按30a一遇设计、300a一遇校核，工程规模属于小(1)型，水库运行现状如下：

1)拦河坝类型为黏土心墙坝，坝顶长360m，大坝顶平均高程422.64m，最大坝高17.76m，坝顶宽5m，迎水侧坝坡分为二级，自下而上分别为1∶2.75和1∶2.5，背水侧坝坡分为二级，由下而上分别为1∶2.5和1∶2.25。上游为干砌石护坡，下游为碎石护坡，排水体为贴坡式干砌石。大坝现状整体较为完好，2016年汛期水库蓄水达到416.2m，大坝右端(右坝肩)背水坡脚有渗漏溢出点，渗漏区域干砌石排水体出现塌陷、破损。

2)溢洪道位于坝体左岸，为开敞式，进口处为“八”字翼墙，堰宽20m，底板进口处为浆砌块石齿墙，下接驼峰堰、陡坡和挑流鼻坎，挑坎下游为石笼护底，溢洪道两侧为浆砌石与混凝土挡墙，溢洪道整体较为完好。

3)输水洞为双铸铁管直径均为0.254m，洞身完好无破损，全长73m，进水口为龙抬头式进水口，进水口高程413.39m，进水口有拦污设施。输水洞出口启闭室内设闸阀，输水洞整体保存较为完好。启闭室出口处通过输水钢管与灌渠连接，输水管道破损问题已经通过维修养护资金已经修复。

2019年7月经大坝安全鉴定为三类坝，亟需对周家营水库实施除险加固整治，其主要内容是对渗漏区进行防渗处理，并维修下游坝坡破损处排水体。

2.2 大坝防渗方案设计

依据《北票市周家营水库坝区渗漏工程地质勘察报告》渗漏区位于坝右侧60m坝基、坝肩风化岩石裂隙部位及右岸坝前岩石陡立段。坝区渗漏属绕坝渗透类型为主，渗漏形式属坝肩岩石裂隙均匀渗漏，渗透性属中等透水，渗透系数k=1.9×10-4cm/s。

1)大坝渗漏区防渗。坝区渗漏位置采取帷幕灌浆方式进行防渗处理，灌浆区域为大坝右侧60m坝基并向右侧山体外延20m。水库大坝坝顶开挖探坑显示，黏土心墙位置偏向上游坝坡，心墙顶宽在2-2.7m，心墙保护层厚度为1.5-1.7m，坝顶宽度为5m，设计两排灌浆孔，第一排灌浆孔位于黏土心墙背水侧距下边缘0.5m处，第二排孔位于黏土心墙背水侧同时避开黏土心墙，排距2.5m孔距2m呈梅花状布置。因现状坝顶路宽度不能满足施工需要，因此需要在大坝背水坡拓宽施工作业路，为保证施工作业路稳定采取下挖坝体的方式拓宽作业路，原则上不破坏上游干砌石护坡，距自上游路缘石0.5m拓宽施工作业路，开挖深度约为1.0m，施工时不允许破坏心墙[11-13]。

2)坝体恢复。灌浆施工结束后，对坝体进行恢复，坝体回填相对密度应≥0.7；下游坝坡按1∶2.25放坡，恢复拆除碎石护坡0.1m厚，恢复面积170m2；恢复坝顶花岗岩路缘石及碎石路面；拆除重建下游渗漏处排水体30m，位置自右侧山体起向左侧延伸30m。

3)输水管道。输水洞启闭室出口输水管道原为双铁管，其中一条已经损毁丢失，因水库防洪需要于2019年7月使用维修养护资金进行修复，故本次不另做设计。此外，混凝土路面位于左坝头与水泥村路结合部位，设计混凝土路面宽4m，厚0.2m，两侧采用中粗砂回填坡度为1∶3，采用C20混凝土浇筑。

2.3 坝体渗流安全性分析

2.3.1 防渗体复核

防渗体顶高程为421.14m，校核洪水位为420.2m，加超高0.6m后为420.8m，因此，周家营水库防渗体顶高程满足防洪要求，保护层厚度依据开挖探坑显示为1.5m，当地最大冻土深度约为1.5m，因此周家营水库防渗体满足规范要求。

2.3.2 坝坡稳定复核

依据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》确定计算工况。正常运行条件：①上、下游坡正常蓄水位稳定渗流期②上、下游坡设计洪水位稳定渗流期；③1/3水位上、下游坡的稳定渗流期；④设计洪水位骤降至死水位上游坡的稳定渗流期。非常运用条件：①校核洪水位上、下游的稳定渗流期；②设计洪水位骤降至死水位上游坡的稳定渗流期。非常运用条件Ⅱ：正常运用条件遇地震[14-16]。采用北京理正软件设计研究院编制的《理正边坡稳定分析软件》计算坝坡抗滑稳定安全系数，大坝稳定计算成果表(正常运用条件+非常运用条件Ⅰ)，见表1；大坝稳定计算成果表(非常运用条件Ⅱ)，见表2。坝坡稳定复核计算简图，见图1。

表1 大坝稳定计算成果表(正常运用条件+非常运用条件Ⅰ)

表2 大坝稳定计算成果表(非常运用条件Ⅱ)

图1 坝坡稳定复核计算简图

从表中可看出，边坡稳定系数大于规范允许的安全系数，所以土坝的边坡是稳定的。

2.3.3 渗流稳定性分析

工作条件为透水地基上、设贴坡排水、下游无水情况，对正常蓄水位418.1m、设计洪水位419.36m、校核洪水位420.2m三种工况进行渗流计算。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定，对拦河坝采用流体力学有限元法进行数值计算。

计算采用水利部推广应用的《理正渗流分析计算软件》中《土石坝二向稳定及不稳定渗流计算程序》计算，渗流稳定计算结果，见表3。

表3 渗流稳定计算结果

由表3可以看出，心墙渗透坡降满足要求。心墙顶高程421.14m，截水槽底宽3.4m，底宽满足规范要求，能够保证渗流稳定性。

2.4 坝顶高程计算

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)及水库运用方式，坝顶分别按以下两种运行工况计算：正常运行情况加设计洪水位的坝顶超高；非常运行情况加校核洪水位的坝顶超高，取其最大值，坝顶高程计算成果表，见表4。

表4 坝顶高程计算成果表

现状坝顶高程422.64m，高于校核洪水位加超高后高程421.13m，因此周家营水库坝顶高程满足防洪要求。

3 结 论

经长期运行，周家营水库状存在一定安全隐患，已经影响水库的安全运行，加之其防洪任务比较重要，因此为保证地方经济发展，维护社会稳定，亟需对水库实施加固整治。文章结合周家营水库实际运行情况提出防渗加固设计方案，即对坝区渗漏位置采取帷幕灌浆方式进行防渗处理，维护下游坝坡破损处排水体维护。然后结合土坝实测测压管数据，应用流体力学有限元法综合评价和计算分析大坝的渗流安全性，结果显示，周家营水库土坝防渗加固方案能够保证渗流稳定性，坝顶高程满足防洪要求。