花涼亭水庫大壩滲漏及安全性研究

徐子滿 劉曉琳 位敏 何良金

摘要：花涼亭水庫于2016年7月和2020年7月先后達(dá)到了水庫歷史最高水位，在經(jīng)受了洪水考驗(yàn)的同時(shí)也暴露出下游壩腳存在局部滲水滲砂安全隱患。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘察成果，通過安全監(jiān)測資料分析以及二維和三維滲流有限元計(jì)算分析，對大壩滲流安全進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。結(jié)果表明：大壩滲流設(shè)施完善，但存在左壩肩繞滲、左側(cè)山體地下水補(bǔ)給影響、壩腳排水棱體反濾失效等安全隱患。

關(guān)鍵詞：黏土心墻壩; 滲漏分析; 安全性評價(jià); 混凝土防滲墻; 滲流監(jiān)測;三維有限元; 花涼亭水庫

中圖法分類號：TV698 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.016

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0085 - 07

0 引 言

水庫大壩是國家重大基礎(chǔ)設(shè)施，是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國家重大戰(zhàn)略實(shí)施的基本保障[1]。大壩安全事關(guān)防洪安全、供水安全、糧食安全、能源安全、生態(tài)安全[2]，是國家水安全和公共安全的重要組成部分。目前，中國有各類水庫大壩9.8萬多座，其中土石壩占比92%以上，這些水庫中約80%建于20世紀(jì)50～70年代[3]。限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，這一時(shí)期建設(shè)的水庫大壩存在較多安全隱患，大壩滲流問題突出 [4]。

大壩滲流安全對水庫大壩整體安全具有重要影響。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外大壩的失事原因中，因滲流問題而失事的比例僅次于洪水漫頂，高達(dá)30%～40% [5]。對土石壩而言，除滲透水流浸濕土體造成強(qiáng)度指標(biāo)降低外，當(dāng)滲透力達(dá)到一定程度時(shí)還可能導(dǎo)致壩坡滑動、防滲體被擊穿、壩基管涌、流土等重大滲流事故，直接影響大壩安全[6]。因此，大壩滲漏分析及安全性評價(jià)對確保水庫大壩安全運(yùn)行具有重要意義。

1 工程概況

花涼亭水庫位于長江流域皖河支流長河上游，在安徽省安慶市太湖縣城西北約5 km處，水庫控制流域面積1 870 km2，總庫容23.66億m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼有發(fā)電、供水、養(yǎng)殖、航運(yùn)、旅游等綜合利用的大（1）型水利樞紐工程。水庫正常蓄水位88.0 m，設(shè)計(jì)洪水位95.21 m，校核洪水位97.30 m。水庫于1958年8月動工興建，1960年6月開始蓄水，1976年基本建成并初步發(fā)揮效益，后經(jīng)多次續(xù)建和加固，現(xiàn)由大壩、溢洪道、泄洪隧洞、放空隧洞以及電站等建（構(gòu)）筑物組成[1]。大壩為設(shè)有混凝土防滲墻的黏土心墻砂殼壩，混凝土防滲墻位于原壩軸線上游側(cè)0.4 m，壩頂高程99.25 m，最大壩高58.0 m，壩頂長566 m。大壩上游壩坡坡比自上而下依次為1∶2.75， 1∶3.00， 1∶3.00， 1∶3.50和1∶3.50，高程72.0 m以上壩坡采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，高程66.5～72.0 m壩坡采用干砌石護(hù)坡，其中在高程88.5， 88.0 m和72.0 m分別設(shè)置馬道或平臺;下游壩坡坡比自上而下依次為1∶2.35， 1∶2.50， 1∶3.00， 1∶3.75和1∶1.80，高程66.0 m以上壩坡采用混凝土格構(gòu)草皮護(hù)坡，高程53.5～66.0 m采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，高程53.5 m以下為排水棱體，下游壩腳靠右側(cè)設(shè)長約300 m集滲溝，溝底高程43.0 m。壩體黏土心墻斷面復(fù)雜，上下游壩殼為中砂和風(fēng)化土，壩基設(shè)水平黏土鋪蓋防滲。

2016年7月6日庫水位達(dá)85.67 m時(shí)，下游左側(cè)壩腳高程48.70 m出現(xiàn)集中滲水點(diǎn)，并伴有少量砂粒，于2017年對滲水部位排水棱體進(jìn)行了翻修處理。2018年12月20日，庫水位74.94 m，壩腳集滲溝左端有股狀水流流出，流量0.11 L/s。2020年6月下旬，水庫所在區(qū)域發(fā)生持續(xù)性強(qiáng)降雨，隨后水庫壩腳集滲溝排水棱體出現(xiàn)滲砂現(xiàn)象（圖1～2），并伴有水流聲，由于受后壩腳受下游尾水及集滲溝水位上漲影響，無法觀測集滲溝排水棱體滲水點(diǎn)的滲水滲砂現(xiàn)象，大壩左側(cè)下游壩腳R46測壓管管口出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，管口溢流持續(xù)約60 d后逐漸減小，溢流水量最大值約0.03 L/s[7]。

2 大壩工程地質(zhì)條件

大壩壩基地層為第四系沖積物（[Qal4]）及下伏的太古界大別山群橋嶺組（Arq）基巖。巖性主要為黑云母片麻巖、混合花崗巖、角閃斜長片麻巖及角閃片麻巖。壩基巖體相對不透水層頂板（透水率q<5 Lu）呈左右兩側(cè)高、中部低。

（1） 左岸壩基段（D0+360至左岸山體段）。左岸壩基段在建壩時(shí)經(jīng)過了稍微削坡，風(fēng)化巖體未徹底清除，山體單薄，基巖面上緩下陡，坡度10°～24°。地層巖性為太古界大別山群橋嶺組（Arq）角閃片麻巖、黑云母片麻巖及混合花崗巖夾角閃斜長巖脈，發(fā)育兩組裂隙，全風(fēng)化帶巖石強(qiáng)度很低，手可揉成砂，巖石破碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育，厚1～5 m;強(qiáng)風(fēng)化帶巖石破碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育，厚0.8～16 m;弱風(fēng)化帶巖石較破碎，裂隙較發(fā)育，厚6～24 m;微新巖石完整，裂隙不發(fā)育。壩基全、強(qiáng)風(fēng)化帶片麻巖及巖脈滲透系數(shù)為i×10-5 cm/s（i的取值范圍1～10），弱風(fēng)化帶片麻巖及巖脈的透水率q為0.50～15.81 Lu，微風(fēng)化片麻巖透水率q多在2.0 Lu以下。

（2） 河床段（D0+098～D0+360）。河床段為原河床，壩基上部為第四系沖積層（[Qal4]），主要為中粗砂、含礫中粗砂等，含泥量較高，夾少量粉質(zhì)壤土及淤泥層，厚度一般為8～11 m，最厚處達(dá)14 m，壩基中粗砂在建壩時(shí)采取了爆炸震密處理。河床段下伏基巖為黑云斜長片麻巖夾黑云二長片麻巖及斜長角閃巖、角閃石片麻巖、鉀長片麻巖，基巖頂面高程為31～35 m。壩基巖體中發(fā)育一條順層小斷層F2，其破碎帶寬2 m左右，為構(gòu)造角礫巖及斷層泥，透水率較大，局部達(dá)92.0 Lu。河床段巖體風(fēng)化不均一，強(qiáng)風(fēng)化帶巖石強(qiáng)度較低，巖石破碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育，厚3～14 m，在河床中部沿?cái)鄬由媳P形成一個(gè)風(fēng)化槽;弱風(fēng)化帶巖石裂隙較發(fā)育，厚4～7 m;微新巖石完整，裂隙不發(fā)育。

（3） 右岸基巖段（D0+000～D0+098）。右岸基巖巖性為太古界大別山群橋嶺組（Arq）黑云母石英片麻巖夾二長片麻巖夾榴輝巖及混合花崗巖，片理產(chǎn)狀185°～230°∠42°～54°。地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，揉皺現(xiàn)象明顯，裂隙不發(fā)育，基巖體較完整，透水率q均小于5 Lu。

3 大壩滲漏原因分析

3.1 滲漏監(jiān)測分析

為分析大壩滲流安全情況，對大壩各測壓管的滲流監(jiān)測資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[8-12]。2016年7月和2020年7月先后分別達(dá)到歷史最高庫水位85.89 m和85.97 m，因此選取這兩個(gè)時(shí)段的滲流監(jiān)測資料進(jìn)行對比分析。

3.1.1 大壩滲流監(jiān)測資料分析

分別對大壩9個(gè)斷面的滲流監(jiān)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中D0+455斷面測壓管水位監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1，D0+335和D0+455測壓管布置及實(shí)測浸潤線分布見圖3～4。

對大壩滲流監(jiān)測資料的分析表明：① 防滲墻下游壩體測壓管水位沿順?biāo)鞣较蛑饾u降低，符合滲流場的位勢分布規(guī)律;② 經(jīng)過混凝土防滲墻及黏土心墻、鋪蓋后，水位到達(dá)下游壩坡高程82.0 m平臺部位測壓管的水頭損失一般超過85%，河床壩段下游壩殼浸潤線下降明顯，表明大壩防滲體（含混凝土防滲墻、上游鋪蓋和原黏土心墻）防滲作用較好。③ 壩體部位除D0+335 斷面防滲效果相對較差外，其余部位防滲墻的墻前與墻后測壓管間水位差較大，說明其余部位壩體防滲墻隔滲效果較好。④ 河床壩段壩體下游壩殼料中水頭損失一般在90%以上，其管水位受庫水位影響較小，變幅也較小，主要受下游湖水影響。⑤ 大壩左、右壩端部分測壓管水位偏高，分析認(rèn)為這主要與兩岸山體地下水補(bǔ)給或繞壩滲流有關(guān)，左岸滲流更明顯，山體地下水對壩體左端測壓管影響較大。⑥ 壩體下游壩殼出逸點(diǎn)滲透比降除大壩左、右壩端D0+025， D0+545斷面外，其余斷面出逸滲透比降均在0.12以下，左壩端的滲透比降相對較大，因此左壩腳滲砂可能與此有關(guān)。⑦ 量水堰測得的滲流量在77 L/s 以下，平均值為31 L/s，但由于量水堰受發(fā)電尾水及下游湖區(qū)水頂托影響，量水堰測得的滲流量并不能真實(shí)反映大壩的實(shí)際滲流量[13]。

3.1.2 2020年與2016年高水位大壩滲流監(jiān)測對比分析

（1） 現(xiàn)場滲漏情況對比。① 2016年7月，下游壩腳（D0+464）高程48.70 m處出現(xiàn)3處集中冒水點(diǎn)，水流清澈，攜帶少量細(xì)砂流出，數(shù)天后消失;2020年7月，這3處冒水點(diǎn)未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。② 2020年7月，下游壩腳導(dǎo)滲溝左端在降雨后局部有排水聲和少量滲砂現(xiàn)象。③ 下游壩腳左側(cè)R46測壓管管口出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，持續(xù)近2個(gè)月，且測壓管管口高于地面，分析認(rèn)為溢水主要來自左側(cè)山體地下水。

（2） 壩體及壩肩滲流對比。① 壩體滲流滲壓基本遵循從上游向下游、從兩岸向河床逐漸降低的分布規(guī)律。② 2020年7月的壩體測壓管水位整體比2016年7月低，降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間及累計(jì)雨量對大壩滲流存在影響。③ 左壩肩繞滲測壓管2020年的測值較2016年有所降低，測壓管所在處地面高程越高，測值降低越多。④ 庫水位達(dá)到最高前，2016年的降雨量比2020年降雨量大。⑤ 左壩肩測壓管水位異常偏高（如：圖5中2016年左壩肩R42測壓管水位91.88 m，遠(yuǎn)高于同期85.27 m的庫水位;R44測壓管水位73.26 m，高于R32測壓管的70.56 m水位;R45測壓管水位64.16 m，高于R34測壓管的57.87 m水位。圖6中，2020年R44測壓管水位71.76 m，高于R52測壓管的67.97 m水位;R54測壓管水位69.04 m，高于R52測壓管的67.97 m水位）。⑥ 2020年6～8月，R46測壓管（管底深入基巖超過10.0 m）管口持續(xù)出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，溢水量隨庫水位下降減小不明顯?？紤]到左岸繞滲測壓管施工鉆孔發(fā)現(xiàn)此處地下水豐富且水位較高，并綜合以上分析，認(rèn)為左壩肩滲流受左側(cè)山體地下水影響較大。

3.1.3 滲流量監(jiān)測分析

由于大壩下游量水堰受發(fā)電尾水及下游湖區(qū)水頂托影響，測得的滲流量并不能真實(shí)反映大壩的實(shí)際滲流量，滲漏量觀測成果可靠性較差，難以準(zhǔn)確判斷大壩滲流量大小和大壩加固前后滲流量的變化情況。

3.2 大壩滲流理論計(jì)算分析

3.2.1 大壩滲流二維有限元計(jì)算分析

（1） 計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)。結(jié)合大壩滲流現(xiàn)狀，選取左壩肩樁號D0+464， 河床段最大壩高剖面（樁號D0+350）和右壩肩樁號D0+246等剖面開展大壩二維滲流計(jì)算分析。大壩滲流計(jì)算工況見表2，根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果所取參數(shù)見表3。

（2） 計(jì)算成果。計(jì)算結(jié)果表明：① 黏土心墻附近的壩體浸潤線降低明顯，表明由混凝土防滲墻、黏土心墻以及黏土鋪蓋等組成的防滲體系效果較好;② 各種工況下，混凝土防滲墻最大滲透比降為25.23，黏土心墻出逸點(diǎn)最大滲透比降為1.29，左壩肩下游壩殼砂出逸點(diǎn)最大滲透比降為0.07，河床斷面下游壩殼砂出逸點(diǎn)最大滲透比降為0.03，均小于允許滲透比降;③ 不考慮防滲加固效果，左壩肩D0+464剖面計(jì)算浸潤線水位比測壓管實(shí)測水位低0.8～2.4 m，說明左壩肩存在繞壩滲流或山體地下水補(bǔ)給。大壩樁號D0+246剖面穩(wěn)定滲流計(jì)算成果見圖7。

3.2.2 大壩滲流三維有限元計(jì)算分析

（1） 計(jì)算原理。將壩區(qū)滲流場視為符合達(dá)西定律的非均質(zhì)各向異性不可壓縮土體的三維空間穩(wěn)定滲流場，則三維穩(wěn)定達(dá)西滲流場的滲流支配方程為

[h=x3+p/γ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[xi]， [xj]為坐標(biāo);[kij]為二階對稱的達(dá)西滲透系數(shù)張量，表示巖體滲透的各向異性;[h]為總水頭，[x3]為位置水頭，[p/γ]為壓力水頭;[Q]為滲流域中的源或匯項(xiàng)。

（2） 三維有限元模型及邊界條件。大壩三維有限元網(wǎng)格模型見圖8，共劃分1 236 381單元，220 158個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算域四周截取邊界條件假定如下：① 計(jì)算域的四周截取邊界及底邊界均視為隔水邊界面;② 對于地表邊界，壩軸線上游側(cè)低于庫水位處為已知水頭邊界;③ 下游壩坡均為可能滲流出逸面。

（3） 計(jì)算成果。大壩三維有限元滲流計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)同二維滲流計(jì)算，其中正常蓄水位工況大壩滲流場分布和滲透比降見圖9～10。計(jì)算結(jié)果表明：① 河床段和右壩肩大壩滲流等勢線相對集中，由混凝土防滲墻、黏土心墻、黏土鋪蓋和帷幕灌漿等組成的防滲體系防滲作用明顯;② 混凝土防滲墻、灌漿帷幕、黏土心墻不會發(fā)生滲透破壞;③ 隨著庫水位升高，左側(cè)壩體下游出逸部位的滲透比降超出壩殼砂允許滲透比降的范圍逐漸擴(kuò)大，在下游排水棱體反濾失效情況下，可能產(chǎn)生滲透破壞;④ 庫水位75.20 m時(shí)，左岸山體地下水補(bǔ)給量約占整個(gè)大壩滲流量的42%，即左岸山體地下水補(bǔ)給對左壩肩滲流場有較大影響。

4 大壩滲流安全性評價(jià)

根據(jù)大壩建設(shè)情況、地質(zhì)勘察成果、監(jiān)測資料分析和滲流計(jì)算分析，對大壩滲流安全評價(jià)如下。① 壩體測壓管水位沿順?biāo)鞣较蛑饾u降低，符合滲流場的位勢分布規(guī)律;壩體內(nèi)原黏土心墻、黏土鋪蓋及混凝土防滲墻及墻下帷幕聯(lián)合防滲體系防滲效果較好。② 壩體混凝土防滲墻、壩基灌漿帷幕、黏土心墻最大滲透比降均小于其允許滲透比降值，不會發(fā)生滲透破壞;河床段下游壩腳壩殼砂的滲流出逸比降小于其允許滲透比降值。③ 左壩肩巖體局部呈中等透水性，存在繞壩滲流問題。④ 壩體二維和三維滲流敏感性分析結(jié)果表明：即使在左壩肩防滲墻及灌漿帷幕完全失效的情況，壩體計(jì)算浸潤線也低于測壓管水位，出逸滲透坡降也小于壩殼砂允許滲透比降值;另外，左壩肩測壓管水位值高低相互關(guān)系及部分測值高于庫水位，綜合理論計(jì)算成果和實(shí)際測值分析認(rèn)為左壩肩滲流受山體地下水補(bǔ)給影響較大，且越靠近山體，所受影響越明顯。⑤ 在較高庫水位下，左壩肩下游壩殼滲流出逸比降大于允許滲透比降，在排水棱體反濾層局部失效情況下將發(fā)生滲透破壞，出現(xiàn)滲水滲砂現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

大壩左壩肩巖體局部呈中等透水性，存在繞壩滲流問題;左壩肩遵循由左岸山體向河床及下游滲壓逐漸降低的分布規(guī)律。綜合理論計(jì)算成果和實(shí)際測值分析認(rèn)為：左壩肩滲流受山體地下水補(bǔ)給影響較大，且越靠近山體則所受影響越明顯。在較高庫水位下，左壩肩下游壩殼滲流出逸比降大于允許滲透比降，在排水棱體反濾層局部失效情況下將產(chǎn)生滲透破壞、滲水滲砂。

水庫發(fā)生強(qiáng)降雨后，壩腳集滲溝排水棱體出現(xiàn)滲砂現(xiàn)象，并伴有水流聲;集滲溝左端壩面排水溝在改造前每年滲砂1～2 m3，改造后滲砂量顯著減少，表明壩腳集滲溝滲砂與天然降雨排水通道的布設(shè)存在密切關(guān)系。

花涼亭水庫地理位置十分重要，防洪責(zé)任重大。由于水庫興建時(shí)受資金和施工技術(shù)限制，建成后歷年來出現(xiàn)了較多工程安全隱患，水庫長期于限制水位運(yùn)行。2016年7月，大壩左側(cè)壩腳出現(xiàn)集中滲水，大壩安全備受關(guān)注，大壩滲流安全的系統(tǒng)性評價(jià)迫在眉睫。通過總結(jié)大壩建設(shè)情況，從地質(zhì)勘察、監(jiān)測資料分析和滲流計(jì)算分析等方面綜合分析認(rèn)為：大壩經(jīng)歷2009～2012年除險(xiǎn)加固，防滲設(shè)施完善，大壩滲流總體處于安全狀態(tài)，但也存在左壩肩繞滲、左側(cè)受山體地下水補(bǔ)給影響、壩腳排水棱體反濾失效等安全隱患，應(yīng)盡快采取處理措施。

因中國水庫大壩以土石壩居多，存在壩基、壩體或繞壩滲漏問題，部分水庫大壩有管涌、流土破壞跡象，大壩滲流安全存在隱患。因此，應(yīng)針對大壩實(shí)際情況采取相應(yīng)的安全評價(jià)方法。研究成果可為類似土壩滲流安全評價(jià)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 矯勇.中國大壩70年[M].北京：中國三峽出版社，2021.

[2] 中華人民共和國水利部.“十四五”水庫除險(xiǎn)加固實(shí)施方案[Z].北京：中華人民共和國水利部，2022.

[3] 中華人民共和國水利部.2018年全國水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[R].北京：中華人民共和國水利部，2019.

[4] 鈕新強(qiáng).大壩安全與安全管理若干重大問題及其對策[J].人民長江，2011，42（12）：1-5.

[5] 楊啟貴.堆石壩加固[M].北京：中國水利水電出版社，2017.

[6] 譚界雄，位敏，徐軼，等.水庫大壩滲漏病害規(guī)律探討[J].大壩與安全，2019（4）：12-19.

[7] 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.安徽省安慶市花涼亭水庫大壩安全評價(jià)報(bào)告[R].武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2021.

[8] SL 258-2017 水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則[S].

[9] 周啟，譚界雄，高全，等.大壩安全監(jiān)測資料整編分析報(bào)告自動生成系統(tǒng)[J].人民長江，2019， 50（1）：215-219.

[10] 楊明化，周啟，何向陽.安徽花涼亭水庫管理一體化信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].人民長江，2015，46（16）：101-104，109.

[11] 位敏，徐軼，陳信任.大壩滲漏多源信息融合診斷技術(shù)及其安全評估方法[J].水利水電技術(shù)，2020，51 （11）：102-108.

[12] 譚界雄，陳利強(qiáng)，位敏，等.水庫大壩安全評價(jià)系統(tǒng)軟件開發(fā)及工程應(yīng)用[J].人民長江，2015，46 （23）：104-107.

[13] 劉甘華.花涼亭水庫W31和W61測壓管水位異常分析[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2005（5）：45-48.

Research on safety and dam leakage for Hualiangting Reservoir

XU Ziman1，LIU Xiaolin2，3，WEI Min2，3，HE Liangjin4

（1. Hualiangting Reservoir Administration Office， Anqing 246400， China; 2. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.， Wuhan 430010， China; 3. National Dam Safety Research Center， Wuhan 430010， China; 4. Water Conservancy Bureau of Kaizhou District， Chongqing? 405400， China）

Abstract： Hualiangting Reservoir successively experienced the historical highest water level in July 2016 and July 2020 respectively. Although the dam has withstood the test of flood， it has also exposed the hidden danger of water seepage and sediment seepage at the downstream dam foot. Based on the results of geological investigation， the analysis of safety monitoring data， and the finite element analysis of 2D and 3D seepage， the seepage safety of dam was systematically studied in this paper. The results showed that： the seepage facilities of the dam were complete， but there were also some hidden troubles such as left dam abutment seepage， groundwater recharge of the left side of the mountain， draining prism filter failure， etc.

Key words： earth dam with clay core; leakage evaluation; safety evaluation; concrete cut-off wall; seepage monitoring; three-dimensional finite element; Hualiangting Reservoir