曹田坑水库渗流安全分析与评价

李国钊

(阳山县曹田坑水库管理所，广东 清远 513139)

大坝安全评价是一个多层次、多指标的递阶分析课题[1]，渗流安全评价是工程安全评价的重要组成。大坝渗流安全评价指标也是一个十分复杂的问题，不同大坝其结构特点及坝体构成材料的不同，必然导致评价指标有所不同。曹田坑水库采用有限元对不利水位组合工况进行分析，结合现场防渗反滤设施和监测资料情况予以评价，评价结果客观可信。

1 工程概况

1.1 水库概况

曹田坑水库在阳山县西北部，水库坝址地处阳山县岭背镇户稠村，所在河流为连江支流岭背河上游分支黄坌河的支沟，水库总集水面积约53.93 km2。工程于1958年12月动工兴建，1962年12月主体工程基本完工。枢纽工程主要由均质土坝、溢洪道(原为泄洪洞)、输水隧洞、坝后电站及灌区等建筑物组成，曹田坑水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电等综合利用的中型水库，已历经多次除险加固。

1.2 防渗设施评价

1.2.1 上游护坡

大坝迎水坡为混凝土护坡，坡面结构整体上较完好，坡面较为平整，未见下沉、淘空、错动、沉陷、剥蚀现象，但局部有细微裂缝且长有杂草，在库水位骤降时，水流会带走坝坡面土粒，造成坝坡面土粒被淘刷流失破坏。上游混凝土护坡虽设置排水孔，但部分已堵塞，库水位骤降时不利于坝体排水，对上游坝坡稳定不利。

1.2.2 防渗与反滤排水设施

大坝为均质土坝，由于大坝施工过程中的质量较差，在运行期间出现多次险情。除险加固采用坝体劈裂灌浆+坝基帷幕灌浆的防渗处理措施。劈裂灌浆采用单排孔，孔距4 m，坝基采用双排帷幕灌浆，孔距为2 m，帷幕灌浆(上游侧一排)二序孔与劈裂灌浆同孔，灌浆自下而上进行。根据本次工程地质勘察结果，坝体坝顶钻孔填土现场原位注水试验渗透系数一般为6.96×10-6～8.36×10-5cm/s，主要呈弱～微透水性，表明灌浆防渗效果较好。

大坝的反滤排水设施为褥垫式排水+排水棱体，为上次除险加固时重建。通过对加固后坝体测压管历史观测资料的统计分析，各测压管地下水位基本与水库水位呈正相关性，水库水位高时，测压管水位高，水库水位低时，测压管水位低。另外在同一库水位时，同一列测压管水位按照从库区到坝后的方向递减，直到进入坝后坡坡脚排水体，反映了坝体起到了很好的前堵后疏作用，浸润线与下游水面相衔接，未逸出坝体，满足渗透稳定要求。

2 渗流安全评价

2.1 有限元计算

选取坝体中间坝高最大断面为本次计算的典型断面进行安全评价，计算断面如图1所示。渗流分析采用有限元方法，有限元方法是依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论――达西定律等，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝或土体的渗流分析。

图1 大坝渗流稳定计算断面图

2.1.1 计算工况

本次堤身渗流稳定使用AutoBank进行分析计算，渗流计算考虑以下6种最不利水位组合：

(1)稳定渗流期

工况一：上游正常蓄水位与下游无水；

工况二：上游设计洪水位与下游无水；

工况三：1/3 坝高水位(最不利水位85.94 m)与下游无水；

工况四：上游校核洪水位与下游无水。

(2)库水位降落期

工况五：上游校核洪水位降落至正常水位；

工况六：上游正常水位降落至死水位；

2.1.2 结算结果

大坝各计算工况的渗流成果见图2～图7所示，下游坝坡的渗透比降成果见图8～图11所示。

根据选取的计算断面，按照各土层材料渗透系数，计算得到各稳定渗流工况下坝体与坝基的渗流量。根据规范，对于均质土坝其防渗土料的渗透系数不大于1×10-4cm/s，为分析曹田坑水库渗流量是否位于合理范围内，将坝体渗透系数取规范要求上限值，计算得到规范上限渗流量，两组渗流量计算值见表1。

图4 工况三：最不利水位水头等值线图 图5 工况四：校核洪水位水头等值线图

图6 工况五：浸润线变化过程图 图7 工况六：浸润线变化过程图

图8 正常蓄水位下游坡脚渗透比降图 图9 设计洪水位下游坡脚渗透比降图

图10 最不利水位下游坡脚渗透比降图 图11 校核洪水位下游坡脚渗透比降图

表1 单宽渗流量计算成果表

由表1可见，各工况下计算得到的渗流量均小于规范上限渗流量，曹田坑水库坝体渗流量在正常范围。

根据计算成果，提取水库各稳定渗流情况下，下游坝坡脚的渗透比降，成果见表2所示。

由表2可见，大坝在正常水位以上各水位稳定渗流期，下游渗流出逸点位置均在下游坝坡坡脚排水棱体处，出逸点的渗透比降介于0.554～0.679，小于碎石层临界水力比降，浸润线与排水棱体的交汇处坝体内的渗透比降介于0.227～0.413，小于坝体填土的渗透允许比降值。坝体渗透变形满足要求。

表2 各工况渗透比降成果表

2.2 监测资料评价

根据曹田坑水库2016-2019年的测压管监测记录资料，曹田坑水库测压管监测频率不能达到规范要求。考虑到观测数据能直接反映大坝渗流状态，基于收集到的所有实测的测压管资料进行坝体渗流观测分析。

通过对主坝测压管历史观测资料的统计分析，各测压管地下水位基本与水库水位呈正相关性，主坝测压管典型观测断面图见图12，计算浸润线与实测浸润线对比见图13。水库水位高时，测压管水位高，水库水位低时，测压管水位低。另外在同一库水位时，同一列测压管水位按照从库区到坝后的方向递减，直到进入坝后坡坡脚排水体，反映了坝体起到了很好的前堵后疏作用，浸润线与下游水面相衔接，满足渗透稳定要求。

图12 测压管观测断面图 图13 计算浸润线与实测浸润线对比

3 结语

曹田坑水库防渗和反滤排水设施较为完善，通过监测资料分析和计算分析，坝体浸润线及渗流量变化规律基本正常。大坝在正常水位以上各水位稳定渗流期，下游渗流出逸点位置均在下游坝坡坡脚排水棱体处，出逸点的渗透比降介于0.554～0.679，小于碎石层临界水力比降，浸润线与排水棱体的交汇处坝体内的渗透比降介于0.227～0.413，小于坝体填土的渗透允许比降值。坝体渗透变形满足要求，综上曹田坑坝体渗透安全评价等级为B级。根据现场调查情况，溢洪道未见明显渗水现象，因此，判断溢洪道渗流基本安全。泄水建筑物溢洪道渗流安全评价等级为B级。经现场勘查，竖井及工作桥外观正常，进水口和平放管未见渗水现象，启闭机和闸门能正常运作，未见漏水现象。因此，判断放水建筑物渗流基本安全。输水建筑物涵管渗流安全评价等级为B级。计算结果和实测相符性较好，两种方法互为验证，评价结果是客观可信的。