李家梁水库大坝渗漏原因与稳定性分析

刘 军,席旺富

(榆林市榆阳区中营盘水库服务中心，陕西 榆林 719000)

李家梁水库于2006年10月蓄水运行以来，坝后多处出现不同程度的集中渗流问题。2014年4月—2017年5月，先后进行了3～4次不同规模的坝后渗漏处理，但效果不明显，始终未解决大坝渗漏问题。为了确保水库安全运行，需对渗漏原因进行深入分析。

1 概 况

李家梁水库位于榆林市西北约40 km的孟家湾乡曹家梁附近圪求河上，是一座以城镇供水为主，兼顾灌溉、防洪、养殖的中型水利工程[1]。水库枢纽主要由大坝、放水塔、引水泄洪洞等建筑物组成。水库正常蓄水位1167.6 m，死水位1157.3 m，总库容2340万m3。水库大坝为均质砂坝，坝顶高程1170 m，最大坝高25 m，坝顶长874 m，上、下游坝面坡坡比分别为1∶3.5和1∶3.0。沿砂坝上游面斜铺复合土工膜，河库及两岸也铺设复合土工膜，长100 m。

2 渗漏现状

经现场调查，较明显的渗水点多达32处，其中，右坝肩下游侧坡3处，左坝肩下游侧坡5处，左坝肩纵向排水沟9处，坝后坡脚排水渠15处。有明显挟砂的点主要位于左岸，分布在坝后排水渠靠近左岸与纵向排水渠相接部位，说明此区域不但已发生库水渗漏，同时还存在渗透稳定问题；两岸坝后侧坡渗水逸出点主要以渗流为主，未发现明显的明流；坝后排水渠中的排水棱体中大多为明流流出，或渠底冒水等形式流出。

由于绝大部分渗流点均位于渠底或池塘边，单点流量较难量测，对坝后排水渠流量进行简易的量测，得知渗漏水量约为95 L/s，加上两岸半坡处的渗漏量，近100 L/s,渗入鱼塘的渗漏量无法估算。

3 渗漏特征分析

从渗漏点的分布位置，可以将坝区渗漏点分为两类，一类位于坝后反滤体下游排水渠中，主要为坝体和坝基部位的渗漏，一类位于近坝岸坡坡脚，主要为绕坝渗漏点。

左、右岸坝后边坡主要为渗出状态，无明流出现，坝后横向排水渠和左岸纵向排水渠中主要为从反滤棱体块石缝隙中呈渗流状态，渠底有多处表现为冒水，在左岸坡脚局部有挟砂现象，左岸纵向排水渠和横向排水渠靠左岸部分漏水点呈窝状密集式分布。

排水渠中汇集的渗漏水，一部分是经过排水棱体及其土工布过滤后流出，呈无压状态，未见挟砂。另一部分是从渠底出水点向上冒出，有的出水口有砂土似沸腾状，表现有一定的压力，且局部有挟砂现象。两岸岸坡的渗漏水量较小，未见明显的挟砂现象。

之前在排水渠桩号0+293m～0+328m段，渠底挟砂冒水明显，后进行坝后坡脚培厚和重修反滤等处理措施后，在本次勘察中该段未明显发现挟砂现象，桩号0+340m～0+430m段渠底只堆积少量砂，偶见少量细砂堆积，冒水挟砂现象亦较少，可见经过处理，挟砂现象有了明显的改善，但漏水量并未明显减少。

4 渗漏原因分析

4.1 蓄水后坝址区水文地质特征

由于坝址区位于陕北风沙区，风积成因的砂层在坝址区广泛分布，分布厚度大于100 m，故地下水为孔隙式潜水，水库在蓄水以前，两岸地下水位高程在1145～1148 m，两岸水位均高于河床水位，两岸地下水向河谷排泄。通过勘察发现，建库后，两岸坝肩及坝后侧坡的地下水均低于库水位，因此，坝址区蓄水后是库水补给地下水。

4.1.1 坝体

李家梁水库大坝为水坠砂填筑[2]，筑坝材料均为圪求河两岸风积砂层，根据勘察资料显示，以细砂为主，少量为中砂，砂质均匀性较差。已建大坝上游坡面采用复合土工膜防渗，下游坡脚设计有反滤及排水体结构。水库设计正常蓄水位1167.6 m，但未达此高程运行。在2013年坝后渗漏调查的时候，就发现水位高程为1163.4 m时的坝体浸润线均已高于坝体原设计正常蓄水位时的计算浸润线。现状浸润线在反滤体前呈明显凸起状，反滤体有一定的阻水性。故进行了重修反滤层，并进行坝后坡脚培厚和压实处理。

通过勘探，实测浸润线跟设计浸润线基本重合，跟2013年调查结果对比，坝体的浸润线有所下降，坝体水位无明显的凸起或雍高现象，由此看来，上次的重修反滤层和坝后坡脚培厚、压实等的处理措施，对降低坝体浸润线有明显的效果。通过多个横断面计算，钻孔中实测的水力坡度为0.287。

4.1.2 两岸坝肩及坝后侧坡

大坝两侧岸坡经地表调查，在近岸均有溢出点，左岸溢出点高程1150.0～1151.0 m，排水渠中也有渗出，高程为1145.8～1146.0 m，右岸逸出点靠近上游距离坝肩70.0 m高程1159.0 m处和距离坝肩160.0 m高程1157.0 m处，均有地下水逸出点。结合两岸勘探钻孔和坑槽水位，两岸均未揭露地下分水岭，两岸坝肩和坝后侧坡水位均低于库水位，坝肩和坝后两岸侧坡形成一定的水力比降，水力坡度为0.344，均为库水补给地下水。

试验结果的允许水力坡降为0.21～0.25，坝体和坝基的水力坡度均大于允许水力坡降，坝址区两岸地下水均低于正常蓄水位，且坝址区两岸不存在地下分水岭，这将为坝基和坝肩渗漏提供必要的水动力条件。

4.2 渗漏途径及渗漏方式

4.2.1 渗漏途径

坝址区的渗漏途径主要有坝体、河床坝基和两岸坝肩的绕坝渗漏，通过勘察，坝体填筑料均来自两岸风积砂，粘粒含量极少，按规范定名属中细砂，施工采用水冲填砂土，未经人工夯实，中等密实。河床坝基和两岸坝肩分布的岩层主要为：冲积(Q4al)细砂层，厚10～20 m，干密度ρd=1.44 g/cm3，渗透系数K=6.17×10-3cm/s，属中等透水层，中等密实；风积(Q3-4eol)中细砂层，厚度30～40 m，河床坝基和两岸坝肩均有分布，分布深度10～50 m，干密度ρd=1.47 g/cm3，渗透系数KH=5.20×103cm/s，属中等透水层，中等密实；两岸坝肩的Q4eol细砂层，厚10～15 m，主要分布于两岸坝肩，干密度ρd=1.39 g/m3，渗透系数K=1.2×10-2cm/s，属中等透水层，属松散～稍密。

组成坝体土和河床及两岸坝肩分布的岩层均为无黏粒含量或含极少量黏粒的细砂层，均属于中等透水岩层，且透水层贯通上、下游，透水层分布高程低于正常蓄水位，为蓄水后的渗漏创造了基本条件。

4.2.2 渗漏方式

为进一步查明渗漏方式，在两岸坝肩和坝体及坝基部位，布设3条电磁法剖面、2条高密度电法剖面和一条伪随机流场剖面。

(1)瞬变电磁探测成果分析。用TEM1测线和TEM2测线对渗漏区进行测漏，根据现场渗漏情况及相关勘探资料，圈定的渗漏区域达27处，位于高程1145～1155 m之间。

(2)高密度电法探测成果分析。用GMD1测线测定，由视电阻率剖面图分析，坝体和坝基及两岸坝肩中均存在渗漏，在桩号240 m～660 m范围内相对较密集。结合现场渗漏调查情况及相关勘探资料，圈定了渗漏的区域19处。

(3)伪随机流场探测成果分析。瞬变电磁和高密度法用以检测堤坝缺陷，伪随机流场法用以解决渗漏入水问题。渗漏点主要集中在测线的 242～264 m和290～320 m范围内，其中290～320 m最为严重。

通过坝基和坝体电磁法剖面、高密度电法剖面和一条伪随机流场剖面探深成果来看，跟勘探和现场测绘调查的结果基本相吻合，渗漏富水带或渗漏部位分布高程为1135～1155 m，从渗漏分布高程来看，坝体和坝基中均有渗漏，沿坝轴线进行的三种探测，均测出坝体、坝基和两岸坝肩有渗漏，且渗漏点分布较广泛，由伪随机流场法探测成果来看，坝前有多处渗入点，总体靠近左岸坝体、坝基和渗漏点均较右岸密集，渗漏富水区规模也相对较大，但勘探和物探探测中均未揭露较大的集中渗漏通道，库水的渗漏主要是通过砂层中的孔隙联络通道，以孔隙型渗漏为主，渗漏方式为坝体、坝基和两岸坝肩的绕渗多种型式并存。

5 渗透稳定分析评价

组成坝体土的主要粒组为0.25～0.075 mm颗粒(46.8%～55.7%)，其次为0.5～0.25 mm颗粒(30.6%～45.1%)，小于0.075 mm颗粒含量平均为5.7%。组成坝基土的主要粒组为0.25～0.075 mm(48.3%～82.8%)，其次为0.5～0.25 mm颗粒(3.2%～26.4%)，小于0.075 m颗粒含量平均为13.7%。从颗粒组成来看，坝体土和坝基土均为级配不良且不连续的细砂或粉细砂，各样品曲线形状特征相似，有明显的凸凹现象，说明粒径均一，根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)[3]附录G规定中G.0.5条“无黏性土不均匀系数Cu不大于5时，渗透变形类型可判为流土”判别，坝体和坝基细砂～粉细砂渗透变形均属流土型破坏，故坝体土允许水力比为0.22，坝基中Q4eol粉和Q4al细砂为0.21，Q3-4eol细砂为0.24，Q3l细砂～粉细砂为0.25。

2013年的勘察报告中提到背水坡坝下漏水现象严重，部分渗水挟砂，渠底产生冒砂现象，水库已经发生了流土破坏。2015年对坝后坡脚进行培厚处理，同时重修了反滤和排水设施，本次勘察中发现，排水渠中冒砂、挟砂现象较少，只有局部存在冒砂、挟砂现象，但在坝体0+430 m左右的地方产生宽度1 m左右，长度近2 m的连续陷落坑，深度为0.5～0.8 m，勘察期间已经进行了修复。这说明，虽然坝区渗漏以孔隙型为主，但填筑坝体土和坝基均有一定的渗水性，当堤坝挡水后，在上游水压作用下，一部分水从坝体经过，坝体内浸润线以下的填筑料处于含水饱和状态，出逸点以下坝体因水分饱和，渗水集中呈细流渗出并挟带部分坝体土，如不进行有效处理，长时间的渗漏仍然会产生类似的渗透破坏。若水库水位蓄至正常高水位，坝体中的浸润线将更高，渗漏部位渠底沸状冒水现象将更为严重，坝基与坝体都有可能会发生渗漏破坏。

6 结 语

通过分析讨论可知，李家梁水库大坝的渗漏是由坝体本身的填筑材料、施工工艺、和坝基岩性以及两岸坝肩地下不封闭的库盆条件等多种因素影响所致，渗漏型式以孔隙型渗漏为主。虽然在施工期在坝前做了土工膜防渗，但坝体和坝基均为中等压缩性土，筑坝后会产生一定的沉降变形，且土工膜上部为混凝土盖板，在沉降变形中极易导致土工膜破坏，从而使防渗失效，本文可为水库防渗处理提供参考。