粘土斜墻堆石壩的滲流反演分析

姬志軍，段祥寶

（1.河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

1 工程概況

小南海水庫(kù)位于河南省安陽(yáng)市西南35 km的海河流域衛(wèi)河支流洹河上，控制流域面積850 km2，總庫(kù)容1.075億m3，是一座以防洪為主、兼有工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)和旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程。水庫(kù)樞紐主要建筑物由大壩、溢洪道、輸水洞三部分組成。

大壩為粘土斜墻堆石壩，壩頂長(zhǎng)394.5 m，壩頂高程188.1 m，壩頂寬7.0 m，最大壩高54.0 m。大壩上游為粘土斜墻，背水坡為堆石體，粘土斜墻與堆石體之間設(shè)1.0 m厚反濾過(guò)渡層，壩基采用截水槽防滲。大壩上下游護(hù)坡均為干砌石，上游坡率從頂向下為1∶2、1∶2.5、1∶2.75、1∶3.5、1∶4和1∶2共六級(jí)；下游坡率從上到下分別為1∶1.5、1∶1.5、1∶1.5、1∶2.0和1∶2.0共五級(jí)。

小南海水庫(kù)始建于1958年5月，1960年大壩以小斷面合攏蓄水。由于標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量問(wèn)題，建成后曾多次加固配套。1961～1964年對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了大壩下游補(bǔ)坡加戧、上游東壩頭漏水礫巖粘土鋪蓋封閉、大壩斜墻裂縫灌漿等續(xù)建加固工程。1976～1981年進(jìn)行了降低溢洪道底高、大壩戴帽加高至184.8 m高程的保壩工程。由于水庫(kù)的先天不足，1982年洪水造成京廣鐵路中斷17 h、安陽(yáng)市城區(qū)進(jìn)水，損失慘重，影響極大。1986年水電部將該水庫(kù)列入全國(guó)43座重點(diǎn)病險(xiǎn)水庫(kù)之內(nèi)。1989年10月～1994年6月水庫(kù)除險(xiǎn)加固時(shí)，將大壩加高至188.1 m高程，并進(jìn)行了兩壩頭基礎(chǔ)帷幕灌漿防滲處理，除險(xiǎn)加固后水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期100年設(shè)計(jì)，重現(xiàn)期2 000年校核。

由于小南海水庫(kù)初期建設(shè)潛在問(wèn)題很多，且歷史上的除險(xiǎn)加固工程限于當(dāng)時(shí)條件，屬于低標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，所以水庫(kù)尚存在諸多問(wèn)題。特別是1989～1994年除險(xiǎn)加固工程，初設(shè)階段確定的大壩粘土斜墻內(nèi)混凝土防滲墻因資金緊張等原因未實(shí)施，給大壩安全運(yùn)行埋下隱患。

通過(guò)對(duì)小南海水庫(kù)粘土斜墻堆石壩進(jìn)行滲流分析和計(jì)算，找出大壩滲流安全方面存在的問(wèn)題，為水庫(kù)下一輪的除險(xiǎn)加固提供支持和決策依據(jù)。

2 與滲流相關(guān)的設(shè)計(jì)及施工情況

2.1 壩體防滲處理

小南海水庫(kù)大壩防滲體由上游粘土斜墻及壩前截水槽組成。

大壩上游為粘土斜墻防滲體，斜墻填筑土料大部分為重粉質(zhì)壤土，少部分為代替料（采用風(fēng)化的閃長(zhǎng)巖和棄土）。根據(jù)大壩原設(shè)計(jì)圖，粘土斜墻與堆石體之間設(shè)反濾層。粘土斜墻后設(shè)三層反濾，總厚1.0 m。第一層為中粗砂，厚0.3 m；第二層為礫石，厚0.3 m；第三層為碎石，厚0.4 m。斜墻后的堆石體，高程137 m以下采用分層砌筑，以上為兩端進(jìn)占拋填。根據(jù)歷史上1975年和1987年兩次鉆孔檢查資料看，不但粘土斜墻后部反濾層沒(méi)有形成，而且反濾層與堆石體之間也未設(shè)過(guò)渡帶，施工時(shí)鋪設(shè)的一層低質(zhì)量反濾層也在堆石體變形過(guò)程中被錯(cuò)斷，部分反濾料已散落于堆石體孔隙之中。

2.2 壩基防滲處理

據(jù)施工資料記載：1958年5月施工時(shí)，壩基處沿河方向長(zhǎng)約78 m清至基巖，在壩軸線(xiàn)上游16 m做混凝土齒墻一道，高1.2 m，厚0.2 m，底板寬1.0 m。河槽左側(cè)因施工導(dǎo)流未施工，僅做了河右岸長(zhǎng)70 m，基槽用粘土回填，填筑質(zhì)量差，干容重1.3～1.8 t/m3。由于填筑質(zhì)量不高，1960年在原填粘土部分又開(kāi)挖了兩道截水槽，第一道中心距壩軸線(xiàn)42.5 m，底寬20 m，邊坡1∶2；第二道距壩軸線(xiàn)71.5 m，底寬10 m，邊坡1∶1.5。1989年除險(xiǎn)加固工程施工圖階段在壩軸線(xiàn)上游45 m處的地質(zhì)勘探證實(shí)，左岸河床施工導(dǎo)流段砂卵石層已被清除，壩體與下部基巖結(jié)合尚可。兩道截水槽在回填粘土?xí)r由于排水困難和趕進(jìn)度，局部位置使用了白灰摻土回填，質(zhì)量不高。

2.3 1989～1994年除險(xiǎn)加固工程防滲處理

大壩偏上游加高3.2 m，壩頂高程增至188.1 m。為解決原粘土斜墻施工質(zhì)量差和缺失反濾層影響壩體滲流安全問(wèn)題，除險(xiǎn)加固時(shí)增加原粘土斜墻的防滲厚度。施工時(shí)先清除了上游坡原粘土斜墻干容重小于1.6 t/m3的低質(zhì)量代替料，在163 m高程以上回填粘性土，設(shè)計(jì)干容重1.7 t/m3，土料采用下游溢洪道備用土區(qū)土料和上游上河土區(qū)土料。壩體與兩壩頭山坡連接處，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了正常清基處理。另外，對(duì)兩壩頭進(jìn)行了帷幕灌漿處理：左壩頭從大壩樁號(hào)0+090向西布置了兩排防滲帷幕與溢洪道帷幕相接，排距1.5 m、孔距2.0 m，計(jì)112孔，孔深26～46 m。右壩頭從大壩樁號(hào)0+280向東至樁號(hào)0+350，按排距1.5 m、孔距2.0 m布置兩排防滲帷幕，自樁號(hào)0+350折向下游與大壩下游183.0 m高程戧臺(tái)中線(xiàn)相交止，按孔距2.0 m布置一排灌漿孔，計(jì)105孔，孔深13～28 m。

3 滲流計(jì)算

由于大壩目前滲流觀測(cè)資料較少，分析中僅應(yīng)用歷史監(jiān)測(cè)資料。為推算高水位下壩體的滲流狀態(tài)，并補(bǔ)充和驗(yàn)證觀測(cè)資料分析成果，同時(shí)采用滲流確定性模型結(jié)合有限單元法對(duì)大壩滲流場(chǎng)進(jìn)行反演計(jì)算分析。

3.1 計(jì)算斷面和計(jì)算工況

根據(jù)大壩隱患情況和實(shí)測(cè)資料分析，大壩斜墻內(nèi)存在明顯滲漏帶，最大斷面為危險(xiǎn)斷面，同時(shí)左右壩肩監(jiān)測(cè)資料顯示，該部位存在基礎(chǔ)接觸滲流隱患，防滲帷幕處理質(zhì)量極差，斜墻中也存在滲漏帶。由于兩個(gè)斷面具有相似性，為便于反演分析，選取0+200斷面作為本次滲流安全復(fù)核的典型斷面。首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果、觀測(cè)結(jié)果和土工試驗(yàn)成果對(duì)典型斷面在高水位170 m下的穩(wěn)定滲流場(chǎng)進(jìn)行反演分析，然后根據(jù)反演成果進(jìn)行正常蓄水位173 m下的滲流安全評(píng)價(jià)，并確定較為合適的確定性數(shù)學(xué)模型，利用該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)水位179.88 m和校核水位187.8 m下的穩(wěn)定滲流場(chǎng)預(yù)報(bào)計(jì)算。滲流計(jì)算采用南京水科院二維滲流有限元數(shù)值模擬計(jì)算程序UNSST2，計(jì)算方法和詳細(xì)推導(dǎo)參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

本次數(shù)值模擬計(jì)算中土層滲透參數(shù)主要依據(jù)2006年鉆孔取樣試驗(yàn)結(jié)果以及歷史多次鉆孔試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表1。

3.3 0+200斷面滲流安全分析

3.3.1 現(xiàn)狀滲流性態(tài)反演計(jì)算

應(yīng)用二維滲流有限元計(jì)算程序UNSST2計(jì)算正常高水位170 m下的穩(wěn)定滲流場(chǎng)，此斷面下游坡腳出滲，選取壩后地面137.5 m作為下游邊界。有限元計(jì)算網(wǎng)格計(jì)剖分結(jié)點(diǎn)1 414個(gè)，單元2 728個(gè)。計(jì)算剖分網(wǎng)格見(jiàn)圖1。

表1 大壩材料主要物理力學(xué)指標(biāo)表Table 1:Main physical mechanical indexes of the dam material

現(xiàn)狀反演計(jì)算主要根據(jù)目前的大壩滲流性態(tài)和測(cè)壓管實(shí)測(cè)水位，計(jì)算成果見(jiàn)表2、圖2和圖3。

圖1 小南海水庫(kù)0＋200斷面計(jì)算剖分網(wǎng)格示意圖Fig.1 Computational grids of 0+200 cross section of Xiaonan-hai reservoir dam

（1）實(shí)測(cè)高水位170 m的滲流場(chǎng)反演計(jì)算

工況1：實(shí)測(cè)高水位170 m下，大壩0+200和0+270兩斷面下游坡183 m和152 m平臺(tái)布設(shè)的測(cè)壓管多年平均分別為138.80 m和137.53 m。對(duì)此進(jìn)行了反演模擬，見(jiàn)圖2。若斜墻底部截水槽與斜墻下部滲透性一致，則截水槽和斜墻防滲效果明顯，消殺95%水頭，大壩斜墻壩后砂卵石中浸潤(rùn)線(xiàn)很低，此時(shí)斜墻承受的最大滲流坡降為1.116，截水槽底部與基巖的接觸坡降為1.443。下游坡183 m和152 m平臺(tái)布設(shè)的測(cè)壓管A、B的模擬值分別為138.45 m和137.55 m。

表2 滲流計(jì)算結(jié)果Table 2:Results of seepage calculation

圖2 0+200斷面正常高水位170 m下滲流場(chǎng)分布(工況1)Fig.2 Distribution of seepage field of 0+200 cross section with normal high water level 170 m(working condition 1)

圖3 0+200斷面正常蓄水位173m下滲流場(chǎng)分布（工況5，截水槽失效）Fig.3 Distribution of seepage field of 0+200 cross section with normal storage water level 173 m(working condition 5:cutoff trench-es failed)

（2）正常蓄水位173 m的滲流場(chǎng)反饋計(jì)算

①反饋結(jié)果

工況2：實(shí)測(cè)高水位173 m下，大壩0+200和0+270兩斷面下游坡183 m和152 m平臺(tái)布設(shè)的測(cè)壓管多年平均分別為138.80～141.12 m和137.53～137.90 m。對(duì)此進(jìn)行了反演模擬，若斜墻底部截水槽與斜墻下部滲透性一致，則截水槽和斜墻防滲效果明顯，消殺95%水頭，大壩斜墻壩后砂卵石中浸潤(rùn)線(xiàn)很低，此時(shí)斜墻承受的最大滲流坡降為1.281，斜墻后坡最大出逸坡降為2.074，截水槽底部與基巖的接觸坡降為1.613。下游坡183 m和152 m平臺(tái)布設(shè)的測(cè)壓管A、B的模擬值分別為138.50 m和137.58 m。

工況3：斜墻底部截水槽滲透性為斜墻下部滲透性的10倍，則下游坡183 m和152 m平臺(tái)布設(shè)的測(cè)壓管A、B的模擬值分別為139.02 m和137.62 m，截水槽和斜墻防滲效果明顯，消殺95%水頭。

工況4：斜墻底部截水槽滲透性為斜墻下部滲透性的100倍，則下游坡183 m和152 m平臺(tái)布設(shè)的測(cè)壓管A、B的模擬值分別為141.58 m和137.80 m，截水槽和斜墻防滲仍具有明顯效果，消殺85%水頭，但滲流量加大。

②截水槽缺失段的危險(xiǎn)性

工況5：實(shí)際大壩斷面有一部分斜墻底部截水槽缺失，考慮為砂卵石地基，則下游坡183 m和152 m平臺(tái)布設(shè)的測(cè)壓管A、B的模擬值分別為148.09 m和138.8 m，斜墻消殺65%水頭。見(jiàn)圖3。該工況下滲漏量大大增加，斜墻后砂卵石地基滲透坡降達(dá)到0.1以上，超出一般允許坡降0.1。該工況下斜墻底部直接與砂卵石接觸，之間無(wú)反濾措施，斜墻壩料細(xì)粒容易流入砂礫石內(nèi)發(fā)生接觸滲流，而此時(shí)接觸滲流坡降為0.237，超出一般砂卵石允許坡降0.1。因此應(yīng)對(duì)無(wú)截水槽或截水槽存在安全隱患的壩段采取防滲處理措施除險(xiǎn)加固。

5.堅(jiān)持公平公正執(zhí)法。堅(jiān)決保護(hù)民營(yíng)企業(yè)公平公正平等地參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，享受同等法律待遇。全面推行行政裁量權(quán)基準(zhǔn)制度，細(xì)化、量化行政處罰標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)決摒除隨意檢查、多重檢查、重復(fù)處罰等執(zhí)法歧視行為。大力推行行政執(zhí)法公示、執(zhí)法全過(guò)程記錄、重大執(zhí)法決定法制審核“三項(xiàng)制度”，切實(shí)增強(qiáng)行政執(zhí)法工作的法治化、規(guī)范化、透明化。全面推行“雙隨機(jī)、一公開(kāi)”監(jiān)管，推動(dòng)陽(yáng)光執(zhí)法，堅(jiān)決避免人情監(jiān)管、選擇執(zhí)法、執(zhí)法不公、暗箱操作等現(xiàn)象。

③反饋結(jié)果分析

由模擬結(jié)果還可知，斜墻后坡出逸坡降一般在1.8～2.1，已經(jīng)接近和超出斜墻細(xì)料的允許值，必須進(jìn)行有效反濾保護(hù)。而根據(jù)筑壩過(guò)程分析和鉆探結(jié)果，斜墻與堆石之間的反濾層質(zhì)量不合格，甚至局部缺失，不能起到反濾作用，長(zhǎng)期滲流作用下滲流對(duì)斜墻后部的沖蝕是十分危險(xiǎn)的，將會(huì)形成斜墻壩料內(nèi)的滲漏通道，并有可能造成壩體塌陷而導(dǎo)致潰壩。

④反濾失效的滲流危害

針對(duì)該壩斜墻壩料，一般在下游134～145 m高程墻后細(xì)料容易發(fā)生滲流流失，形成局部滲漏通道。斜墻土料在較大的滲流坡降下將順通道向下滲流，繼續(xù)向上擴(kuò)展。由于通道更向上擴(kuò)展，斜墻承受的最大坡降將更大，而且斜墻壩料的平均滲透坡降都已超過(guò)允許值，將會(huì)發(fā)生更大的滲透破壞。滲漏通道繼續(xù)發(fā)展，斜墻內(nèi)土體淘空，如若發(fā)現(xiàn)較晚，水位較高，將會(huì)引起大壩潰決。

⑤底部截水槽的滲流安全

該壩斜墻底部截水槽深入到下游堆石內(nèi)，厚度約3 m。計(jì)算結(jié)果表明，截水槽與基巖接觸坡降最大為1.9～2.2，垂直坡降為1.6～1.9。截水槽與砂卵石和堆石之間缺少反濾保護(hù)，長(zhǎng)期滲流作用下容易發(fā)生滲透變形而導(dǎo)致滲流破壞。

圖4 0+200斷面設(shè)計(jì)水位下滲流自由面及等勢(shì)線(xiàn)分布（工況6）Fig.4 Seepage free surface and distribution of equipotential lines of 0+200 cross section with designed water level(working condi-tion 6)

圖5 0+200斷面校核水位下滲流自由面及等勢(shì)線(xiàn)分布（工況7）Fig.5 Seepage free surface and distribution of equipotential lines of 0+200 cross section with check water level(working condition 7)

據(jù)此分析，主壩段老河槽斷面的滲流隱患主要有：（1）壩基地質(zhì)條件差，存在砂卵石層，基巖表層風(fēng)化層抗?jié)B能力差，現(xiàn)壩體壩基接觸抗?jié)B能力不夠；（2）壩體填筑質(zhì)量差，土料差異性大，與一般情況及規(guī)范要求相去甚遠(yuǎn)，上部斜墻防滲體內(nèi)可能存在水平裂縫或架空等，下部截水槽填筑質(zhì)量不佳；（3）截水槽和斜墻土料與下游堆石之間反濾缺失或不合格，易形成細(xì)料不斷流失，長(zhǎng)期發(fā)展容易形成集中滲流，可能導(dǎo)致裂縫和局部通道產(chǎn)生，高水位下出滲坡降已超過(guò)允許指標(biāo)；（4）大壩壩基防滲處理效果不佳，鉆探和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，主壩段無(wú)帷幕灌漿，左右局部壩段帷幕灌漿效果較差，因此大壩壩基存在滲漏隱患，壩體與壩基的結(jié)合面存在滲流接觸沖刷，正常高水位下滲流坡降已接近或超過(guò)允許指標(biāo)，漏水嚴(yán)重。

3.3.2 高水位滲流性態(tài)正演計(jì)算

對(duì)設(shè)計(jì)水位和校核水位下滲流場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)計(jì)算。結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5和表2。設(shè)計(jì)工況6和校核工況7下壩體后坡出滲坡降、壩底與基巖接觸坡降均超出允許值，如果有反濾保護(hù)，兩工況下該斷面滲流穩(wěn)定性能滿(mǎn)足要求。但是現(xiàn)狀下斜墻以及截水槽下游的反濾本身存在較多安全隱患，計(jì)算表明更高水位下大壩的滲流穩(wěn)定性不夠，反映大壩在未來(lái)高水位下的滲流狀態(tài)可能要比目前狀況大大惡化，而且有垮壩的危險(xiǎn)。

4 大壩滲流分析結(jié)論及建議

小南海水庫(kù)地理位置重要，其安危緊系下游10 km彰武水庫(kù)的安危，同時(shí)兩庫(kù)對(duì)下游京廣鐵路、京深高速公路和已申報(bào)世界文化遺產(chǎn)成功的安陽(yáng)市區(qū)的安危更是至關(guān)重要。

水庫(kù)自建成運(yùn)行以來(lái)，由于前期施工質(zhì)量極差，曾于1986年被列入全國(guó)43座重點(diǎn)病險(xiǎn)水庫(kù)之列。雖然后經(jīng)除險(xiǎn)加固處理，工程質(zhì)量得到改善，但受當(dāng)時(shí)工程經(jīng)費(fèi)限制，工程處理并不徹底，水庫(kù)大壩滲流還存有諸多問(wèn)題。結(jié)合工程運(yùn)行、滲流計(jì)算分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）大壩兩壩肩基巖分別為透水性極強(qiáng)的閃長(zhǎng)巖和節(jié)理發(fā)育的大理巖，且有小溶洞及淺溶槽通向下游，雖經(jīng)帷幕灌漿處理，但東、西兩壩端仍均可看到滲水逸出。

（2）壩基河床段為強(qiáng)透水性的砂卵石層，而上次除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)中的混凝土防滲墻因故未能實(shí)施，壩基無(wú)垂直防滲工程，大壩沒(méi)有形成完整的防滲帷幕，下部存在不密實(shí)的截水槽土體，與基巖接觸存在滲流安全隱患，大壩下游曾經(jīng)出渾水已經(jīng)說(shuō)明其內(nèi)部可能形成局部集中滲流。

（3）壩體防滲僅靠粘土斜墻，而斜墻填筑質(zhì)量較差，與一般情況及規(guī)范要求相去甚遠(yuǎn)，上部斜墻防滲體內(nèi)可能存在水平裂縫或架空等，下部截水槽填筑質(zhì)量不佳。截水槽和斜墻土料與下游堆石之間反濾缺失或不合格，高水位下出滲坡降已超過(guò)允許指標(biāo)，易形成細(xì)料不斷流失，長(zhǎng)期發(fā)展容易形成集中滲流，可能導(dǎo)致裂縫和局部通道產(chǎn)生。

（4）原設(shè)計(jì)在粘土斜墻173.0 m高程至基巖設(shè)置混凝土防滲墻，墻頂173 m高程以上壩面考慮以鋪設(shè)土工織物作為防滲等解決壩體防滲工程未實(shí)施，尤其是大壩沒(méi)有壩體滲漏的觀測(cè)設(shè)施，不能對(duì)大壩進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

根據(jù)水庫(kù)地質(zhì)情況及滲流存在問(wèn)題，建議做以下處理：

（1）繼續(xù)完成除險(xiǎn)加固初設(shè)中的混凝土防滲墻等工程；

（2）對(duì)兩壩肩灌漿帷幕進(jìn)行補(bǔ)充完善；

（3）完善大壩滲流觀測(cè)設(shè)施，加強(qiáng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)整理分析。

[1]毛昶熙，段祥寶.滲流數(shù)值計(jì)算及程序應(yīng)用[M].河海大學(xué)出版社，1999.

[2]河南省安陽(yáng)市小南海水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)報(bào)告[R].邯鄲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2007.

[3]小南海水庫(kù)歷史上相關(guān)地質(zhì)勘察成果[R].