心墙堆石坝的渗漏与渗流稳定分析

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0引言

土石坝具有地形适应性好、就地取材、投资省、施工简单等优点，是我国水电资源开发大坝建设的主要坝型之一［1］。土石坝渗漏安全问题一直是水库大坝的焦点与难点，为此工程和科技人员从防渗工艺、大坝安全监测方法、土石坝病害机理等方面开展了大量的研究工作［2－5］。但是，由于受建设时期技术水平的限制或后期运管维护情况的综合影响，大量水库大坝在渗漏、抗震、防洪等方面存在安全隐患［6－8］，其中土石坝渗漏问题尤为突出［9］。黏土心墙堆石坝是用填筑于坝体中心的渗透系数较低的黏性土体作为防渗设备的土石坝。此类坝由心墙防渗、上下游坝壳支撑心墙保持坝体稳定，同时下游坝趾设排水以排除坝体、坝基渗水，并可保护下游坝脚不受冲刷。某水库坝体为黏土心墙堆石坝，经例行检查发现坝体即使在低水位运行情况下(即水位远小于设计正常蓄水位)仍然发现了渗漏现象。为确保坝体的安全运行，本文结合现场监测和室内试验手段对坝体渗漏的原因进行分析，并通过三维有限元稳定渗流计算分析正常蓄水位工况下大坝的渗流稳定，基于计算结果给出相应的工程建议。

1工程概况

发生渗漏的坝体为黏土心墙堆石坝(如图1所示)，坝顶长度1121.1m，坝顶高程63.50m，最大坝高50.70m。坝顶上游侧设钢筋混凝土防浪墙，高0.8m。上游采用现浇混凝土块护坡，坡比为1∶3.0。下游草皮护坡自坝顶至45m高程、2m宽的马道处坝坡为1∶2.5，马道以下坝坡为1∶2.75，堆石棱体顶高程为25m。棱体下游设排水沟，并设置量水堰。大坝黏土防渗心墙顶宽为6.0m，上下游坡比均为1∶0.5，在黏土心墙与下游坝壳之间设厚度2m的砂反滤层，在黏土心墙与上游坝壳之间设厚度1m的砂反滤层。下游坡面设置纵横连结的排水沟，每隔75m设置一道横向排水沟，纵向排水沟设置在马道内侧。坝基防渗处理方式为防渗墙和帷幕灌浆，混凝土防渗墙厚600mm，墙体下端嵌入强风化岩0.5m。在坝基防渗墙以下的强、弱风化岩层，对透水率大于5Lu、防渗墙深度不大于1倍坝高的坝段设帷幕灌浆，沿坝轴线布置，孔距2m，至5Lu线以下，防渗设计标准为灌浆后基岩透水率不大于5Lu。2018年2月，经例行检查发现水库坝体在上游低水位运行工况下(库水位为40.25m，小于正常蓄水位59.70m)多个断面出现了渗水溢出，如图2所示。个别渗漏点有细砂流出，渗水排水量有较明显的加大，渗漏量明显异常，存在安全隐患。

2现场监测与渗透试验结果与分析

2.1现场检测结果与分析

为探明坝体在低水位运行工况下的渗漏原因，在坝体4个断面布置了渗压计和测斜管。渗压计主要布置在每个断面的心墙上游坝体强风化料内、心墙中心线、心墙下游边缘，下游马道下覆坝体强风化料部位;测斜管布置在坝脚处，如图1所示。监测系统布置工作自2020年5月下旬开始，至2020年7月中旬完成。仪器布置完成后即开始观测，采用频率读数仪人工读数观测，测次为4次/月，观测至2021年6月末。图3为坝体某断面各测点实测水位变化过程。可以看出，坝体内各测点渗流压力测值平稳，测值均随库水位同步变化，坝体各测点渗流压力水位变化过程正常。其中，SY1号测点位于上游坝壳强风化料内，测值略低于上游库水位;坝脚下游排水棱体内测压管水位测值稳定，观测期间基本没有变化，表明大坝下游水位稳定。坝体各测点渗流压力水位SY1号测点＞SY2号测点＞SY3号测点＞SY4号测点＞CX测点，符合土石坝渗流一般规律。但是，断面中位于下游坝体内的SY4测点2021年6月7日测值为27.94m(见图4)，高于大坝下游排水棱体顶部(25.00m);位于大坝下游排水沟后面的排水棱体内CX测点2021年6月7日测值分别22.95m，高于排水棱体底部高程(19.95m)。这表明大坝下游坝体内及排水棱体内水位均较高，即大坝浸润面较高。

2.2渗透试验结果与分析

通过变水头渗透试验测定了现场所取试样的渗透系数，从而分析大坝浸润面较高的原因。试验测得的坝区各类材料的渗透系数见表1。可以看出，心墙料的渗透系数与坝壳料的渗透系数接近，表明坝体已接近于均质坝。根据现行SL274—2020碾压土石坝设计规范，均质坝多应用于低坝(坝高小于30m)，而发生渗漏的坝体最大坝高达到50.7m，已属于中坝，并不适宜采用均质坝这种坝型。而且发生渗漏的坝体是按分区坝结构进行设计，坝高较高，坝坡也较陡，并且仅是在大坝下游布置了棱体排水，虽在坝底层设置了粗砂水平排水层，但由于已被大坝下游水位淹没，其降低坝体下游浸润线的作用显著减小。因此，即使库水位为低水位的工况下，大坝浸润面依旧较高，从而造成坝体多个断面发生渗漏现象。

3有限元计算与结果分析

通过三维有限元稳定渗流计算进一步分析正常蓄水位工况下大坝的渗流稳定。

3.1计算模型

在对坝体平面图和立面图双重控制下，经剖分后获得渗流计算分析区域的三维有限元计算模型，如图5所示，共计剖分单元15510个，全部为8节点等参单元，节点17572个。其中x轴方向为坝轴线方向，y轴为上下游方向，z轴为垂直方向。模型所用坝区各类材料的渗透系数如表1所示。其中，由于水库坝顶高程为63.5m，所以两岸山体中的浸润面不会高于63.5m，因此三维模型顶部的高程取至63.5m。

3.2模型验证

选择实测稳定渗流期(2020年11月)的平均库水位44.86m(该月库水位变化幅度仅0.15m，可认为是稳定渗流)作为上游水位，取实测下游测压管水位(含绕坝渗流测压管)为下游水位，其余下游坝坡按可能出逸边界条件处理进行了实测稳定渗流工况坝体三维稳定渗流分析。图6为实测稳定渗流工况下坝体断面的浸润线，从图6可以看出三维有限元稳定渗流计算值与实测值较为符合，说明了有限元模型和计算参数的合理性。

3.3正常蓄水位工况下坝体渗流稳定分析

正常蓄水位工况下的上游水位(59.70m)作为上游水位，取实测下游测压管水位(含绕坝渗流测压管)为下游水位，其余下游坝坡按可能出逸边界条件处理，进行了正常蓄水位工况坝体三维稳定渗流分析。图7为正常蓄水位工况下坝体断面浸润线分布情况，图8为正常蓄水位工况下断面渗透坡降分布情况。从图7，图8可以看出，由于正常蓄水位比实测稳定水位高，故其浸润线也比实测稳定水位更高。心墙底部的混凝土防渗墙以及墙下的防渗帷幕处依旧是渗透坡降较大的地方，同时由于水在部分坝段的下游坝坡逸出，所以在出逸部位的渗透坡降也较大，达到0.5～0.8左右，出逸部位已高于排水棱体。图9为两种工况下坝后浸没情况，图中蓝色(深灰色)曲面为浸润面，在浸润面范围内的白色(浅灰色)区域为浸没区域。由图9可知浸没区域主要位于坝后地势较为低洼的地方;同时由于排水沟的作用，图9中出现一条基本垂直坝轴线方向的浸没带，这与实际情况较为符合。通过提取浸没区域边界，计算实测稳定渗流工况下浸没区域在水平面上的投影面积(除去排水沟部分)为25328m2，计算正常蓄水位工况下浸没区域在水平面上的投影面积(除去排水沟部分)为62061m2，正常蓄水位工况下浸没面积较实测稳定渗流工况增加了145%，表明正常蓄水位工况下的渗漏现象可能会相对严重。因此，建议改造坝体下游反滤排水设施或坝体增设防渗墙。

4结论

本文通过现场监测结合室内渗透试验，对某水库心墙堆石坝低水位工况下的渗漏原因进行了分析，并通过三维有限元稳定渗流计算，探讨了坝体在正常蓄水位工况下的渗流稳定，主要结论如下:1)心墙堆石坝心墙料的渗透系数与坝壳料的渗透系数接近，同时大坝下游排水设施排水效果较差，导致其降低坝体下游浸润线的作用较小。因此，即使库水位为低水位的工况下，大坝浸润面依旧较高，从而造成坝体出现多处渗漏现象。2)正常蓄水位工况下，坝体浸润线过高、渗透坡降较大，有可能导致下游坝坡发生渗透破坏。3)综合监测数据、渗透试验与数值计算结果，建议改造坝体下游反滤排水设施或坝体增设防渗墙方法，从而降低坝体的浸润线。

参考文献:

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作者:吴春晖 陈晓华 丁玉堂 陆阳洋 熊国文 单位:宁海县镇乡水利服务总站 宁海县水利局 南京水利科学研究院岩土工程研究所