基于监测反馈的病险土石坝防渗加固效果研究

蒋买勇，刘贤鹏，杨晓雅，李金友

（1.湖南水利水电职业技术学院，湖南长沙 410131；2.武汉大学水利水电学院，湖北武汉 430072；3.长沙县水利局，湖南长沙 410100）

0 引言

渗流问题对于土石坝安全而言是一个至关重要的影响因素，近年来在处理土石坝渗流问题上，越来越多的研究者选择采用数值分析的方法，数值分析中的有限元法得以广泛应用。传统的二维渗流计算方法无法从宏观实际把握大坝、坝基及两岸绕坝的渗流规律，预测水库大坝除险加固后的真实渗流状况，三维渗流计算克服了二维计算的弊端，能适用于复杂边界、多种介质的渗流分析，且具有较高的精度［1，2］。

运用有限元法解决土石坝的渗流问题，实际是利用有限元软件的计算功能来求解渗流微分方程，模拟出土石坝的渗流场以及得到渗流自由面等，从而计算出坝体的渗透坡降和总的渗漏量［3-5］。

随着监测技术的发展和应用，近年来很多新建和经过除险加固的大坝都埋设有监测仪器，在工程运行管理中，对监测资料的整编和分析也越来越重视。许多研究者以大坝实测资料为基础，结合土石坝渗流理论和有限元计算结果，进行大坝渗流性态分析，也常被应用于验证有限元计算模型的合理性［6-8］。

本文通过三维渗流专业软件以某水库主坝为原型建模，采用有限元法对大坝的渗流场进行三维模拟，结合大坝渗流监测资料对有限元计算结果进行全面的反馈分析。

1 工程概况

1.1 工程历次病险症状及处置情况

某水库大坝为均质土坝，坝顶高程102.40 m，宽7.5 m，坝长159.0 m，最大坝高30.6 m。大坝上游在76.00 m 高程以下为抛石护脚，76.00 m 高程以上至84.00 m，设干砌石护坡，高程84.00 m 至102.40 m 之间坡面设砼预制块护坡；下游坝脚设有排水棱体，大坝剖面图见图1。1980 年6 月库水位为85.5 m时，主坝右岸条形山下游山坡84.0 m 高程处出现渗漏点，后设置三角形量水堰及进行地勘探查。1984 年2 月完成地勘工作，并观测库水位96 m时，渗漏量为7～12 L/s。1984 年10 月完成防渗帷幕灌浆。经处理后，条形山渗漏有所减小，但又有逐年加大趋势。1985 年观测最大渗漏量为2.5 L/s，1989 年5.6 L/s，1995 年10.0 L/s，1998年16.0 L/s。大坝历经多次维修加固，受资金和技术限制，除险加固不彻底，险情依然存在，大坝一直处于带病运行状态。2000 年安全鉴定，确定为Ⅲ类坝；2006 年10 月至2008 年4月，完成了水库大坝除险加固工程，主坝及条形山进行了防渗加固处理，主坝防渗采用高喷灌浆和帷幕灌浆进行加固处理，条形山防渗采用帷幕灌浆进行处理。灌浆设单排孔，孔距2 m，灌浆终止线深5 Lu 线以下5 m，与大坝防渗帷幕连成整体。整个帷幕基本完全封闭，除险加固后实测渗漏量为0.32 L/s。

图1 某水库大坝剖面图（单位：m）Fig.1 Section of a reservoir dam

水库两岸山体雄厚，地表高程较高，不存在低于水库正常高水位的邻谷，水库区库岸岩性主要为第四系残坡积堆积（Qedl）棕红色～红褐色含碎石粉质黏土，碎石含量大于30%，粒径一般3～5 cm。黏性土呈可塑～硬塑状，透水性差，库岸总体稳定，局部存在的一些松散堆积物的轻微蠕变，对水库影响甚微，土体呈可塑～硬塑状，具一定抗冲蚀能力。库区沿岸虽溪流发育，但水库周边及各溪流内植被覆盖较好，水土流失现象不严重，雨季造成水土流失现象较轻微，水库淤积轻微。

1.2 大坝渗流监测概况

根据坝基地质条件、除险加固情况，大坝渗流监测设计3个横断面，即断面0+035、0+072、0+115。0+072 为原河床最大断面处，0+035、0+115均为除险加固前渗漏较为严重的部位。

0+035 断面共设3 孔3 个测点，轴线后设1 孔1 个测点；第2孔位于92.3 m 高程坝坡上，测点位置设于坝体与坝基接触面处；第3孔位于81.8 m高程坝坡，排水棱体前设1测点。

0+072断面共设3孔6个测点，灌浆轴线后设1孔2个测点，坝体内设1 测点，坝基帷幕后设1 测点；第2 孔位于92.3 m 高程坝坡上，坝体与坝基各设1 个测点；第3 孔位于81.8 m 高程坝坡上，位于排水棱体前，坝体与坝基各设1个测点。

0+115 断面共设3 孔3 个测点，轴线后设1 孔1 个测点；第2孔位于92.3 m 高程坝坡上，测点位置设于坝体与坝基接触面处。第3孔位于81.8 m高程坝坡，排水棱体前设1测点。

各渗流监测点布置信息详见表1。

表1 渗流监测点布置信息表Tab.1 Seepage monitoring point layout information table

2 有限元计算

2.1 计算模型

基于上述监测资料分析，为评估除险加固项目对坝体进行高喷灌浆和坝下灌浆帷幕的防渗效果，重点研究除险加固前渗漏较为严重的部位，建立了坝体坝基三维渗流模型，供对坝体的除险加固效果评价。三维整体有限元模型以正东方向为X轴正方向，正北方向为Y轴正方向，Z轴竖直向上。模型对均质坝坝体、坝基及坝体内高喷灌浆、坝下帷幕、左右岸防渗帷幕、及各主要地层渗透单元和河床覆盖层等进行了较为全面的模拟，计算模型范围如下：

（1）沿高程方向（Z向）：底部计算边界为沿建基面向下延伸约3倍坝高；

（2）东西向（X向）：计算范围自坝轴线中心点往东西向各取375 m（均大于10倍坝高），即模型东西向总长750 m；

（3）南北向：计算范围自坝轴中心点往南北方向各取375 m（均大于10倍坝高），即模型南北向总长750 m。

整个有限元模型均采用8 结点等参单元进行网格剖分，可以较好地保证渗流分析的精度及成果的可靠性，模型共剖分399 739 个单元，75 302 个结点，模型采用四面体单元［4］。模型及有限元网格划分如图2、3所示。

图2 三维渗流整体有限元网格图Fig.2 3D integral finite element mesh diagram of seepage flow

图3 典型坝段坝体结构有限元网格及材料分区示意图Fig.3 Diagram of finite element grid and material partition of typical dam section

2.2 计算参数

（1）计算参数选取。结合工程地质报告和相关工程经验等资料，本次渗流计算采用的综合参数如表2。

表2 某水库大坝三维渗流有限元计算参数选用情况Tab.2 Selection of 3D seepage finite element calculation parameters for a reservoir dam

（2）局部渗透稳定分析。根据《水库大坝安全评价导则》SL258-2017，大坝渗流安全评价可采用现场检查法、监测资料分析法、计算分析法和经验类比法，宜综合使用。本文主要使用计算分析法并结合现场检查法与监测资料分析法进行综合分析。通过理论方法或数值模型计算大坝渗流量、水头、渗流压力、渗透坡降等水力要素及其分布，绘制流网图，评判防渗体的防渗效果，以及关键部位渗透坡降是否小于允许渗透坡降，渗流出逸点高程是否在贴坡反滤保护范围内作为评判依据。

心墙土料为黏性土，其渗透变形形式主要为流土与接触流失。本工程心墙位于坝体内部，内部渗流方向自上而下，下游设反滤层保护，可能发生渗透变形形式为接触流失，心墙土料允许渗透坡降参照规范及经验取4～6。

2.3 计算边界条件

上游水库淹没区内的表面结点及下游水库淹没区内的表面结点均取为定水头边界，具体水位按不同蓄水位确定。模型上、下游边界取隔水边界，模型底部边界也取隔水边界。

2.4 计算工况

工况一：水库上游为正常蓄水位98.70 m，相应下游水位为71.80 m。

工况二：水库上游为设计洪水位100.34 m，相应下游水位71.80 m。

2.5 计算结果及分析

结合大坝特征和现有渗流观测设施布置情况以及大坝安全监测所反映出的渗透破坏薄弱部位信息，拟对0+035断面、0+072 断面、0+115 断面这三处典型剖面进行渗流计算分析，计算结果如图4～12所示。

图4 0+035断面渗透坡降图Fig.4 Permeability gradient diagram of 0+035 section

（1）0+035断面。根据剖面渗透坡降图可知，坡降较大的部位主要集中在坝体高喷灌浆所形成的防渗墙以及坝下帷幕，正常蓄水位情况下坡降值集中在0.33～0.75 之间，在设计洪水位情况下坡降值集中在0.44～0.80 之间，其他部位未见较大坡降。

图5 0+035断面等水头线图Fig.5 Equal head diagram of 0+035 section

图6 0+035断面压力水头及自由面分布图Fig.6 Section pressure head and free surface distribution diagram of 0+035 section

根据剖面等水头线图可知，等水头线在高喷灌浆所形成的防渗墙以及坝下帷幕处比较密集，下游相对密集，上游较为稀疏。

根据剖面压力水头及自由面分布图可知，工况二的渗流自由面相较工况一有所抬升，且渗流自由面在高喷灌浆所形成的防渗墙以及坝下帷幕处急剧降低，在坝体黏土填筑区域从上游至下游均匀下降，并在排水棱体区域溢出。以上渗流状况反映了该断面在采取除险加固后防渗墙以及坝下帷幕防渗性能得到了较大改善。

（2）0+072断面。根据剖面渗透坡降图可知，坡降较大的部位主要集中在近建基面附近的坝下帷幕，工况一的坡降值集中在0.4～1.0 之间，工况二的坡降值集中在0.53～1.2 之间，其他部位未见较大坡降。主要原因考虑是工程初建时期对于基础的清理深度不够，加之建设期采用土墙和散碎岩体回填坝基且采用农用器具进行夯实，材料和工艺都存在技术层面的缺陷，致使坝基回填区和弱风化岩层之间存在渗漏薄弱层。灌浆帷幕厚度小于坝内高喷防渗墙厚度，从而在灌浆帷幕穿过上述渗漏薄弱层区域出现较大渗透坡降。此处出现的较大渗透坡降仅分布在帷幕及其极近的下游侧，反应帷幕防渗体系运行状态良好。

根据剖面等水头线图可知，等水头线在高喷灌浆所形成的防渗墙以及坝下帷幕处比较密集，其他部位较为稀疏。

图7 0+072断面渗透坡降图Fig.7 Permeability gradient diagram of 0+072 section

图8 0+072断面等水头线图Fig.8 Equal head diagram of 0+072 section

图9 0+072断面压力水头及自由面分布图Fig.9 Section pressure head and free surface distribution diagram of 0+072 section

根据剖面压力水头及自由面分布图可知，工况二的渗流自由面相较工况一有所抬升，且不同工况下的渗流自由面均在高喷灌浆所形成的防渗墙以及坝下帷幕处急剧降低，在坝体黏土填筑区域从上游至下游均匀下降，并在排水棱体区域溢出，工况二中排水棱体后方设置的塘内渗漏量较工况一有所增加。此断面反映出防渗体系运行状态良好，渗透规律合理。

（3）0+115断面。根据剖面渗透坡降图可知，工况一的渗透坡降值集中在0.2～1.2之间，工况二的渗透坡降值集中在0.2～1.3 之间，其他部位未见较大渗透坡降，渗透坡降最值出现在灌浆帷幕上部。

根据剖面等水头线图可知，等水头线在高喷灌浆所形成的防渗墙以及坝下帷幕处比较密集，其他部位较为稀疏，分布合理。

图10 0+115断面渗透坡降图Fig.10 Permeability gradient diagram of 0+115 section

图11 0+115断面等水头线图Fig.11 Equal head diagram of 0+115 section

图12 0+115断面压力水头及自由面分布图Fig.12 Section pressure head and free surface distribution diagram of 0+115 section

根据剖面压力水头及自由面分布图可知，工况二的渗流自由面相较工况一有所抬升，坝后塘内渗漏量有所增加。渗流自由面在高喷灌浆所形成的防渗墙以及坝下帷幕处下降明显，在坝体黏土填筑区域下降均匀，自由面从防渗墙至下游呈现开口向下的抛物线形状，倾斜方向与下游坡面倾向逐渐贴合，两面之间距离也逐渐靠近，溢出点位于排水棱体上部。该断面下游侧尤其是排水棱体上部区域存在潜在渗流溢出点，渗流溢出点位置偏上的原因一方面是除险加固的规模和质量，另一方面是加固材料老化和劣化。这与实际观测到右岸下游该断面附近出现的渗漏现象以及安全监测机房漏水等事件相佐证。

3 基于监测资料的渗流对比分析

0+035 断面、0+072 断面、0+115 断面渗压计监测值过程线分别见图13～15。根据监测值，上游水位在90 m 高程附近波动，渗压计测值平稳，渗压计反映出各处渗透压力与上游水位大致呈正相关。

图13 0+035断面渗压计监测值过程线图Fig.13 Process diagram of the monitoring value of the osmometer of 0+035 section

参照工况一等水头线图，0+072 断面埋设高程在69.5 m 的SZ2-1-2、SZ2-2-2 和SZ2-3-2 三支渗压计在建基面以下，经过帷幕阻渗作用，渗透水头下降显著，SZ2-1-2 布设轴距为3 m，处于帷幕后坡降较大区域，渗透压力大，测值在77 m水头，沿着渗径水头线逐渐降低，尤其是SZ2-3-2（排水棱体上游侧附近）水头值为70 m，表明防渗系统运行状况良好。埋设高程在73.3 m 的SZ2-2-1（轴距27.1 m）测值在78 m 高程附近，同高程轴距为56.2 m 布设的SZ2-3-1 测值降至74 m。各埋设部位渗压计测值符合工况一等水头线图相应点位分布规律，表明有限元计算结果能反映出较为真实的土石坝渗流场情况。

4 结语

通过对某水库主坝在正常蓄水位和设计洪水位两种工况下的渗流性态进行有限元计算，以及与渗流监测资料进行对比分析可知。

（1）采用三维有限元法对大坝进行渗流计算，其结果符合实测资料的分布规律，能为大坝渗流问题分析提供可靠的依据。

（2）除险加固后的高喷灌浆防渗墙和帷幕灌浆防渗体系能正常运行，且土石坝整体的渗流规律合理。

（3）在水库运行中，应注意大坝右岸下游测尤其是棱体排水上部区域的潜在渗流溢出点，加强对该区域的安全监测，避免影响大坝安全。

图14 0+072断面渗压计监测值过程线图Fig.14 Process diagram of the monitoring value of the osmometer of 0+072 section

图15 0+115断面渗压计监测值过程线图Fig.15 Process diagram of the monitoring value of the osmometer of 0+115 section