某水库复杂坝基沥青混凝土心墙坝渗透安全评价

柳莹 吴俊杰 马军 杨玉生

摘 要：某水库工程沥青心墙坝坝基存在砂卵砾石层渗透性强、河床断层、左岸绕坝渗流等防渗设计难题，为减少渗漏和保障工程运行安全，该工程坝体采用沥青混凝土心墙进行防渗，坝基及左岸古河槽采用固结灌浆及帷幕灌浆的方式进行防渗处理。针对坝体和坝基系统的防渗设计，通过三维渗流分析，确定了不同运行工况下水库的渗透流量，研究了坝体和坝基系统及周围山体的渗流场分布，结合渗透破坏试验确定允许水力坡降，对大坝防渗体系的有效性和防渗设计合理性进行了评估。结果表明，该工程防渗体系能有效防止水库发生明显渗漏，坝体下游渗流出逸点和坝基覆盖层不会发生渗透破坏。

关键词：砂砾石覆盖层;沥青混凝土;心墙坝;三维绕坝渗流计算;安全评价

中图分类号：TV641 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.026

引用格式：柳莹，吴俊杰，马军，等.某水库复杂坝基沥青混凝土心墙坝渗透安全评价[J].人民黄河，2021，43（7）：137-140.

Abstract： In order to reduce the seepage and ensure the seepage safety ofa project， the asphalt concrete core wall was used for seepage control of the dam body and the consolidation grouting and curtain grouting were used for seepage control of the dam foundation and the left bank ancient channel. Aiming at the anti-seepage design of dam body and dam foundation system， through three-dimensional seepage analysis， the seepage flow of a reservoir under different operation conditions was determined. The seepage field distribution of dam body and dam foundation system and surrounding mountains was studied. Combined with the allowable hydraulic gradient determined by seepage failure test， the effectiveness of dam anti-seepage system and the rationality of anti-seepage design were evaluated. The results show that the seepage control system of the project can effectively prevent the obvious leakage of the reservoir and the seepage damage will not occur at the downstream exit point of the dam body and the overburden layer of the dam foundation. The research results can provide a reference for the seepage control design of similar projects.

Key words： gravel overburden; asphalt concrete; core wall dam; three dimensional seepage calculation around dam; safety evaluation

瀝青混凝土心墙坝因筑坝材料来源广泛、施工周期短、造价相对较低等特点，是新疆坝工建设中很有竞争力的坝型。目前，全疆共建沥青心墙坝70余座，其中坝高百米以上11座（在建8座），分别约占全国沥青心墙坝总量和坝高百米以上沥青心墙坝总量的60%和73%。新疆沥青心墙坝建设取得了巨大的成就，但也有一些水库在蓄水或后期运行时出现渗漏量较大甚至渗透变形的问题[1-2]，渗漏量较大时严重影响水库效益的发挥，渗透变形问题则严重威胁大坝安全[3-6]。尤其是新疆很多沥青心墙坝建于高山峡谷区复杂深厚覆盖层上，既可能存在渗透变形问题，也存在绕坝渗漏的可能，其渗漏和渗透变形问题往往是关系工程成败和安全的关键问题。因此，在设计阶段对坝体和坝基系统进行渗流分析，研究大坝在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位条件下各区域的渗流场分布、渗流量和渗透坡降情况，分析坝体设计和坝基防渗设计条件下渗控效果和坝体、坝基的渗透稳定性，评估坝料及防渗系统设计是否合理，对整个坝体的安全运行至关重要[7-9]，对建设在深厚覆盖层上的沥青心墙坝、坝体和地基系统的渗漏和渗透稳定分析意义更为重大[10-12]。

本文结合某高山峡谷地带覆盖层上的沥青心墙坝工程，针对坝体防渗设计，基于渗透破坏试验，分析不同运行工况下坝体和地基系统及周围山体的渗流场分布，确定水库渗漏流量，评估大坝防渗体系的有效性和防渗设计的合理性，为大坝防渗系统设计评估和优化提供依据。

1 工程概况

某水库工程作为TZNP河上的控制性工程，主要任务是防洪、灌溉及发电，总库容0.93亿m3，总装机容量为26 MW，多年平均年发电量为0.764亿kW·h，为中型Ⅲ等工程，工程由拦河坝、左岸表孔溢洪道、右岸导流兼泄洪冲沙洞、发电引水洞及坝后发电厂房组成。拦河坝为沥青混凝土心墙坝，坝顶宽度为10 m，最大坝高75.0 m，地震设防烈度8度。坝体上游坝坡1∶2.2，在高程1 868.5 m处与围堰结合;下游坝坡在高程1 876.8 m以上、以下的坡比分别为1∶2.0、1∶1.8，综合坡比为1∶2.33。

1.1 工程地质

坝基左岸阶地分布有低液限粉土，结构为松散-中密状态，属中-高压缩性土，具中-弱透水性。下伏砂卵砾石层，结构密实，具中-强透水性，下伏基岩为西域组砾岩，砾岩以泥质胶结为主，局部泥钙质胶结，属软岩。左岸强风化基岩面高于正常蓄水位2.8 m，坡顶基岩强风化层厚3～5 m，强风化层属中-弱透水层，弱风化层厚8～10 m。

河谷呈U形，两侧零星分布Ⅰ级阶地和坡积物，河床段覆盖层最大深度为15 m左右，覆盖层以下是基岩，基岩强风化层厚3～5 m，弱风化层厚8～10 m。基岩透水率q<5 Lu时界线埋深一般在基岩面以下15～55 m，透水率q<3 Lu时界线埋深一般在基岩面50～55 m以下。左岸桩号0+109处顺河发育f7断层，产状350°NE∠80°～85°，断层破碎带宽1.0～1.5 m，带内充填碎裂岩和糜棱岩，胶结较好，具压扭性，顺断层易形成渗漏通道。

右坝肩岸坡较陡，大小冲沟发育，Ⅵ级阶地，阶面高程1 912 m左右，后缘为Ⅶ级阶地，阶面高程1 941 m左右，阶地岩性为含土砂卵砾石，厚30 m左右，顶部被风积黄土覆盖，厚度一般大于6 m。岸坡1 900 m以下基岩裸露，岩性为西域砾岩，以泥质胶结为主，局部泥钙质胶结，属软岩，岩层产状310°NE∠25°。基岩强风化层厚3～5 m，弱风化层厚8～10 m。阶地砂卵砾石及含土砂卵砾石结构密实，底部与基岩接触部位颗粒粗大，为漂石层，厚度1.0 m左右，粒径一般为30～50 cm。

1.2 工程特点及防渗系统构成

从该工程地质资料来看，其最大的特点是在左岸350 m左右存在2#冲沟，同时左岸强风化基岩面仅高于正常蓄水位2.8 m，坡顶基岩强风化层厚3～5 m，强风化层属中-弱透水层，弱风化层厚8～10 m。据左坝肩钻孔压水试验成果，该段西域砾岩透水率q<3 Lu界线低于正常蓄水位。水库蓄水后，沿左岸Ⅴ～Ⅵ级阶地基岩强、弱风化层存在库水绕坝渗漏问题。同时，左岸桩号0+109处顺河发育f7断层，断层为陡倾角，具压扭性，易形成渗漏通道。结合规范要求，必须截断该河段水流，消除绕坝渗漏的可能性。

1.2.1 大坝顶部结构

该水利枢纽挡水建筑物为沥青混凝土心墙坝，采用L形防浪墙进行大坝顶部挡水，防浪墙顶高程为1 898.0 m，墙高1.2 m;坝顶高程1 897.8 m，采用20 cm厚混凝土路面，坡比为2%，单向向下游倾斜。

1.2.2 坝料分区设计

坝体上游采用二级配厚0.25 m的C25混凝土面板护坡;上游、下游坝体填筑砂砾石料场全料，填筑标准取相对密度Dr≥0.85;心墙上游、下游过渡料厚3 m，最大粒径Dmax为80 mm，级配连续，小于5 mm粒径的砂砾石料含量宜为25%～40%，小于0.075 mm的含量不宜大于5%，Dr≥0.85。复核坝体各个分区所用填筑材料的反滤排水特性表明，各个分区所用填筑材料之间的层间关系满足保土、排水准则。

1.2.3 坝基处理设计

左岸心墙基础清除覆盖层和基岩强风化层，置于弱风化岩体上，覆盖层临时开挖边坡1∶1.00～1∶1.25，基岩临时开挖边坡1∶0.30。

心墙基础坐落于弱风化岩层下线，并设置混凝土基座，其间设置铜片止水。两岸及陡坡段基座底部设置锚杆，基座下部进行固结灌浆和帷幕灌浆，其中固结灌浆设4排、深5 m，帷幕灌浆设2排，帷幕灌浆孔深至3 Lu線。

2 坝体绕坝渗流三维有限元分析

2.1 有限元计算模型及网格剖分

水库蓄水后沿左岸Ⅴ～Ⅵ级阶地基岩强、弱风化层存在绕坝渗流问题，因此有限元建模时建立全地形模型，模型中同时包含左岸2#冲沟与主河道。该工程三维有限元整体模型见图1，模型中x轴以指向右岸为正、y轴以为指向下游正、z轴以垂直向上为正，上、下游边界距离坝轴线400 m，左岸边界超出左0+400.000桩号80 m，右岸边界超出坝0+433.373桩号250 m，模型底部高程1 500 m（距离坝顶396.8 m），模型整体高度496.8 m。左岸、右岸、模型底部及上游面为不透水边界，下游面为出水边界。

防渗系统有限元网格（见图2）共划分单元662 506个，采用四面体等参单元，计算中采用了8种介质的计算参数。

2.2 渗流理论

假定渗流符合达西定律，且不考虑介质的压缩性，三维各向异性非均质介质的稳定渗流方程为

式中：h为沿程水头;x为顺河向（垂直坝轴向）坐标、y为平行坝轴向坐标、z为竖向坐标;kx、ky、kz分别为x、y、z方向的渗透系数。

在三维渗流场计算分析过程中，主要采用以下3种边界条件：①初始水头边界Γ1，给定水头H=H0，H为总水头（m），H0为初始位置水头（m）;②不透水边界条件Γ2，H/n=0（n为边界外法线方向）;③出渗面边界Γ3，H（x，y，z）=Z（x，y），H/n>0，Z（x，y）为出渗面水头。

2.3 计算参数及工况

本次计算所采用的材料参数为技术施工阶段的现场试验参数，见表1。计算工况见表2。

通过对坝体、坝基和左右岸山体进行三维渗流有限元计算，全面、完整地掌握不同工况下大坝各分区渗流场，确定下游坝基表面及坝体渗流出逸点水力坡降以判断渗透稳定性，确定左右岸、坝体、覆盖层总渗流量，估算水库渗漏损失，确定防渗系统是否满足设计要求。

2.4 三维渗流计算结果

三维渗流计算结果见表3。

正常蓄水位1 894.00 m时，总渗漏量为24.97 L/s，左岸绕坝渗漏量为11.86 L/s，占总渗漏量的47.5%;河床段渗漏量为8.73 L/s，占总渗漏量的35.0%;右岸绕坝渗漏量为4.38 L/s，占总渗漏量的17.5%。可知：该工况下两岸山体的渗漏量占总渗漏量的65.0%。在满足设计要求的渗控标准下，全年总渗漏量很小，渗流场的分布规律比较合理，水头等值线在沥青心墙、帷幕灌浆等防渗系统内部非常密集，表明心墙+帷幕的防渗系统可以有效折减河床段水头。左岸2#冲沟侧向渗漏渗径较长，虽有少量明流，但出逸水流流速较小，水力坡降满足砂砾石允许坡降，左岸侧漏及绕坝渗漏均满足防渗要求。河床段底部存在一个陡倾角的断层f7，在该处易产生渗漏通道，采用混凝土塞+加深帷幕的方式减少河床段渗漏。河床段渗漏量占比为35.0%，渗流量较少，表明河床段防渗处理效果明显。正常蓄水位工况整个模型孔隙压力及渗流场分布如图3～图6所示。

3 结 论

（1）该工程左岸存在一个较低的2#冲沟，河床底部存在一个陡倾角的断层，传统的二维渗流计算已经无法全面考虑工程的整体渗漏计算情况。本次计算建立了考虑2#冲沟的全地形、沥青混凝土基础开挖及整个防渗系统的三维渗流模型，用于全面评价整个工程渗漏情况。

（2）通过三维渗流计算表明：正常蓄水位工况下库内水流在经过防渗体系后，总渗漏量占年径流量百分比为0.165%，下游出逸點及覆盖层的水力坡降均不大于允许坡降。左岸2#冲沟、河床底部f7断层整体渗漏量很少，且无明显渗漏及绕坝渗流现象，表明心墙+帷幕防渗体系设计合理，效果较为明显。

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【责任编辑 张华岩】