大坝渗流安全评价报告
某某市共产水库
大坝渗流安全评价报告
某某市水电勘测设计院
二OO三年六月
大坝渗流安全评价报告主要参加人员：
编写：
校核：
审查：
审定：
批准：
目录
1 概述 (1)
1.1 工程概况 (1)
1.2 大坝主要渗流问题 (2)
2 计算断面及渗透指标的确定 (5)
2.1 计算断面的确定 (5)
2.2 大坝渗透指标的确定 (5)
3 渗流计算 (8)
3.1 程序说明 (8)
3.2 稳定渗流计算 (8)
3.3 非稳定渗流计算 (11)
3.4 计算结果分析 (13)
4 渗流安全评价 (24)
4.1 整体安全评价 (24)
4.2 局部渗透分析及排水反滤 (24)
4.3 关于集中渗漏及绕坝渗漏问题 (25)
4.4 关于坝坡出逸点及坝脚和坝坡散浸问题 (26)
4.5 关于坝体接触渗漏问题 (26)
5 结论及建议 (28)
附图1 4-4断面渗透分区示意图
附图2 4-4断面渗流浸润线及等势线示意图(100.00m)
附图3 4-4断面渗流浸润线及等势线示意图(101.81m)
附图4 4-4断面渗流浸润线及等势线示意图(102.69m)
附图5 5-5断面渗透分区示意图
附图6 5-5断面渗流浸润线及等势线示意图(100.00m)
附图7 5-5断面渗流浸润线及等势线示意图(101.81m)
附图8 5-5断面渗流浸润线及等势线示意图(102.69m)
附图9 10-10断面渗透分区示意图
附图10 10-10断面渗流浸润线及等势线示意图(100.00m)
附图11 10-10断面渗流浸润线及等势线示意图(101.81m)
附图12 10-10断面渗流浸润线及等势线示意图(102.69m)
附图13 11-11断面渗透分区示意图
附图14 11-11断面渗流浸润线及等势线示意图(100.00m)
附图15 11-11断面渗流浸润线及等势线示意图(101.81m)
附图16 11-11断面渗流浸润线及等势线示意图(102.69m)
附图17 4-4断面非稳定渗流浸润线示意图(水位100.00 m降至74.50m) 附图18 4-4断面非稳定渗流浸润线示意图(水位101.81 m降至74.50m) 附图19 4-4断面非稳定渗流浸润线示意图(水位102.69 m降至74.50m) 附图20 5-5断面非稳定渗流浸润线示意图(水位100.00 m降至74.50m) 附图21 5-5断面非稳定渗流浸润线示意图(水位101.81 m降至74.50m) 附图22 5-5断面非稳定渗流浸润线示意图(水位102.69 m降至74.50m)
附图23 10-10断面非稳定渗流浸润线示意图(水位100.00 降至84.43m) 附图24 10-10断面非稳定渗流浸润线示意图(水位101.81 降至84.43m) 附图25 10-10断面非稳定渗流浸润线示意图(水位102.69降至84.43m) 附图26 11-11断面非稳定渗流浸润线示意图(水位100.00 降至88.27m) 附图27 11-11断面非稳定渗流浸润线示意图(水位101.81 降至88.27m) 附图28 11-11断面非稳定渗流浸润线示意图(水位102.69降至88.27m)
1 概述
1.1 工程概况
共产水库位于某某市洛市镇内，距某某市区约35km，所在河流为赣江水系，清丰山溪富水上游。
水库坝址控制流域面积24.00km2，总库容1614×104m3，原设计灌溉面积为2.0万亩，实际只达0.29万亩。水库养鱼水面为1100亩，多年平均产鱼2×104kg，是一座以灌溉为主、兼顾防洪、养鱼、发电等综合利用的中型水利枢纽工程。
工程于1958年9月动工兴建，1959年春建至76.00m高程后停建，1970年冬又复工兴建，于1973年3月竣工，6月份正式灌溉受益。
水库设计正常高水位100.00m，设计洪水位101.81m，校核洪水位102.69m，死水位74.50m，汛限水位4～6月为95.00m，7～9月为96.00m，总库容1614×104m3，有效库容1301×104m3，死库容4×104m3，防洪库容309×104m3，为年调节水库。
主坝为均质土坝，实测坝顶高程为104.60 m～105.10m，最大坝高34.50m，坝顶长220m，坝顶宽为8m，实测上游坝坡1:3.47，实测下游一级坝坡1:2.25，二级坝坡1:2.8。坝前设有粘土水平防渗铺盖，厚1.50m，宽50m；坝脚设有排水棱体和压浸台。
1副坝为均质土坝，实测坝顶高程为104.63 m～105.00m ，最大坝高18m，坝顶长110m，坝顶宽为6m，实测上游一级坝坡1:3.19，二
级坝坡1:4.22，实测下游坝坡为1:2.63，坝脚设有排水棱体和贴坡反滤。2副坝坝顶实测高程为105.20m，最大坝高为6 m，长14m，内坡1:1.5，外坡1:1.5。
2号副坝为均质土坝，位于溢洪道正南270m的垭口处，坝顶宽5m，长14m，坝顶高程105.30m，最大坝高4.7m，内坡1:1.5，外坡1:1.5。在坝中间垂直坝轴线方向挖有一深沟，沟底高程103.40m。坝体内外坝坡均不规则，下游无排水设施。
隧洞位于大坝右岸，断面尺寸为1.2 m×1.6m（宽×高），长193m，城门洞形结构，是以砼预制块衬砌、用水泥灌实的无压隧洞。坝前天桥启闭，平板直开钢闸门，安装50吨手摇电动启闭机一台，进口底板高程74.5m，出口底板高程为74.5m，最大泄量为24m3/s。
1.2 大坝主要渗流问题
大坝自1958年9月兴建，1973年6月竣工并初步发挥工程效益，受历史条件的影响及施工条件的制约，大坝工程一直存在着许多质量问题，运行过程中出现了几次险情，虽经及时处理及限制水位运行，险情基本得到控制，但仍存在许多工程隐患。根据运行以来的检查及近期地质勘探，大坝主要存在以下渗流问题：
1、主坝兴建时，坝基清基不彻底：清基时只是简单地清除了表层土，与山体结合部位也只清除了表层，未能清基至基岩，给坝基渗流留下隐患，坝前水平粘土铺盖也因土质较差，没有达到设计要求。1979年当库水位达95.00m时，坝脚桩号0+061.5～0+127范围内出现30余处泡泉，紧急抢险时，采用宽18m、高1.5m的压浸台处理，险
情有所好转。1980年8月31日，库水位达101.78m时，坝脚排水沟与压浸台排水沟发现30余处漏水点。到目前为止，坝脚棱体的排水沟中仍存在十多处漏水点，压浸台中部的排水沟中还存在2处集中漏水点。
2、主坝坝体填土填筑质量差、土质差：大坝施工队伍主要为各地抽调的民工团，施工队伍素质差，由于各施工队进度不一，队与队之间用土块和风化块石砌界，使得层土不能层压，再加上当时碾压设备少，碾压时土层的碾压厚度大，碾压遍数少，造成坝体填土填筑质量差。由于坝址区附近缺乏质量较好的粘土，坝体填土中风化料较多，并且在90.00m高程以上，填土中含有块石，从而使得坝体透水性偏大，渗透系数大于1×10-4 cm/s，而坝体中队与队之间的土块和风化块石砌界，也使得大坝在局部易产生集中渗漏或者渗透破坏。1980年8月31日，库水位达101.78m时，下游坝坡出现两处发软现象，一处位于桩号0+075～0+085，高程76.1m～79.5m，面积约98m2，另一处位于桩号0+112.5～0+127，高程80.0m～85.0m，面积约168m2。
3、1副坝坝基覆盖层为粘土，透水较小，渗透系数k=0.061m/d。据施工回忆，坝体清基较好，自山谷至两岸山坡均开挖了截水槽，但右岸坝肩是朝代已久的埋坟地，施工时曾派专人开挖、回填并夯实，但因埋坟的层次较多无法彻底查处，1979年库水位达96.00m时，坝后开始出现渗水，1980年在迎水坡铺设粘土，并在坝后铺设贴坡反滤，当年8月31日库水位达101.78m时，贴坡反滤有清水渗出。坝体填土情况与主坝相似，填土透水性较大，渗透系数大于1×10-4 cm/s。
4、2副坝坝体填土较松散，渗透系数K＝2.29×10-4cm/s，不满足
均质土坝渗透系数小于1×10-4cm/s的规范要求，且坝下游无排水设施。坝顶中间开挖深沟，沟底高程103.40m，造成局部坝段顶高程较，亦不满足规范要求。
5、主、副坝排水棱体反滤层大部分被泥土充填，排水效果降低，影响坝体渗流。
6、主、副坝发现有白蚁分群孔，存在白蚁危害，影响坝体防渗。
7、水库没有任何有效的大坝安全观测设施，缺乏安全监测必设
的渗流、变形、量测等观测设备，水库安全管理手段不完善。
2 计算断面及渗透指标的确定
2.1 计算断面的确定
由于共产水库大坝无任何渗透原型观测资料，大坝的渗流安全复核仅能以理论计算为依据进行渗流安全分析评价。本次地质勘探在主坝共布置了4-4、5-5、6-6三个横断面，这三个断面坝后均设有棱体排水，其中5-5断面位于老河床位置，坝高最大，砂砾石层覆盖整个坝基，4-4、6-6两个断面地质情况相似，因此，本次渗流计算选取具有代表性的断面4-4、5-5断面进行分析，认为这两个断面可代表主坝实际渗流运行状况。1副坝地质上共布置了10-10、11-11两个横断面，其中10-10断面位于山谷谷底位置，坝高最大，坝后设有棱体和块石贴坡；11-11断面位于距10-10断面约23.5m处的右岸山坡，坝后设有贴坡反滤，故认为10-10、11-11断面基本上可代表1副坝实际渗流运行状况，渗流计算选取这两个断面进行分析。2副坝坝高、坝长均较小，并且坝脚地面高程基本在正常高100.00m以上，不影响枢纽效益的正常发挥，对整个枢纽的安全也不够成较大威胁，因此，2副坝本次不进行渗流计算与分析。4-4、5-5、10-10、11-11各断面图详见附图1、附图5、附图9、附图13。
2.2 大坝渗透指标的确定
本次分析计算，大坝断面的渗透分区是以某某市水电勘测设计院的工程地勘报告和室内土工试验及《大坝质量评价报告》为基础，并
综合施工回忆及运行期大坝质量检查而确定的。主坝4-4断面坝体分为二个渗透区，坝基分为三个渗透区。由于枢纽区附近没有质量较好的粘土，根据施工回忆，坝前水平粘土防渗铺盖土质与坝体填土基本相似，只是块石含量较少，因此，水平粘土防渗铺盖与坝体填土同属于Ⅰ区。下游坝坡的排水棱体据探坑揭示：棱体孔隙大部分已经被泥土充填，但本次渗流计算仍考虑棱体具有一定的反滤排水作用，渗透系数取1×10-3cm/s。据探坑揭示，压浸台底部为砂砾石层，由于棱体及压浸台底部砂砾石层渗透系数和棱体的渗透系数相近，计算时把它们划分为同一区。砂砾石层和坝基强风化砂砾岩的渗透系数取本次地勘野外实测值，其它各分区土层的渗透系数均取自近期地质勘察资料的室内土工试验成果或建议值。5-5断面坝体分为二个渗透区，坝基分为三个渗透区，各分区的渗透系数与4-4断面相应部分相同，断面图详见附图1、附图5，渗透系数取值详见表2.2.1。
1副坝10-10断面坝体分为二个渗透区，坝基分为三个渗透区。其中棱体仍考虑具有一定的反滤排水作用，渗透系数取1×10-3cm/s，坝脚耕植土渗透系数与坝基粘土渗透系数相近，计算时两者渗系数取同一值。11-11断面坝体分为二个渗透区，坝基分为二个渗透区。其中贴坡反滤分层明显，泥土充填较少，反滤排水功能没有失效，渗透系数取1×10-2cm/s。坝基强风化板岩的渗透系数取本次地勘野外实测值，坝体填土和坝基覆盖层粘土的渗透系数取自近期地质勘察资料的建议值。10-10、11-11断面图详见附图9、附图13，渗透系数取值详见表2.2.1。
主、副坝渗透系数分区指标表表2.2.1
3 渗流计算
3.1 程序说明
本次渗流计算分析采用北京理正软件设计研究所编制的土石坝二维渗流计算程序，程序的求解方法是基于三角形单元的有限元法，用改进平方根法直接求解线性代数方程组。
3.2 稳定渗流计算
3.2.1 荷载组合
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，土坝计算应考虑水库运行中出现的不利条件，一般需要计算下列水位组合情况：
⑴上游正常蓄水位（100.00m）与下游相应的最低水位；
⑵上游设计洪水位（101.81m）与下游相应的最高水位；
⑶上游校核洪水位（102.69m）与下游相应的最高水位；
根据水文复核计算的结果，共产水库的洪水标准为：正常蓄水位100.00m，设计洪水位101.81m，校核洪水位102.69m。因主、副坝下游均有良好的排水条件，在各种计算工况时的下游水位变幅值较小，结合实际情况，主坝4-4、5-5断面下游最低和最高水位计算时分别取71.50m、71.60m；副坝10-10断面下游最低和最高水位计算时分别取83.40m、83.60m，副坝11-11断面下游最低和最高水位计算时均取90. 05m。
3.2.2 计算结果
按不同工况组合进行计算，可计算出坝坡出逸段和坝脚出渗坡降以及大坝单宽渗漏量，并可绘制各种工况下的渗流等势线和浸润线图。经计算，主、副坝在各种情况下浸润线坐标见表3.2.1、表3.2.2。坝坡、坝基出渗坡降值及计算单宽渗流量值见表3.2.3；当上游为正常蓄水位100.00m、设计洪水位101.81m、校核洪水位102.69m时，大坝渗流浸润线及等势线图详见附图2～4、附图6～8、附图10～12、附图14～16。
主坝浸润线位置表
表3.2.1
1 副坝浸润线位置表
渗流计算坡降及渗流量表表3.2.3
注：“-”表示浸润线未从坝坡出逸，坝坡无出渗坡降。
3.3 非稳定渗流计算
3.3.1 降落时段的确定
水库的非稳定渗流计算考虑下列水位组合情况：
（1）库水位从正常蓄水位100.00m降落至死水位74.50m时；
（2）库水位从设计洪水位101.81m降落至死水位74.50m时；
（3）库水位从校核洪水位102.69m降落至死水位74.50m时。
1副坝10-10断面和11-11断面上游坝脚高程均高于死水位74.50m，考虑渗流最不利工况，10-10断面和11-11断面非稳定渗流计算分别按照库水位从正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位降落至坝脚高程，即84.43m和88.27m。
计算时假设库水位降落时段内无降雨影响，由主坝右端隧洞泄流，根据水位~库容关系曲线（见表3.3.1）和隧洞泄流关系曲线（见表3.3.2），可得出共产水库最快可能水位降落曲线（见表3.3.3）。根据库水位最快降落曲线，将大坝分时段进行非稳定渗流计算。不同水位组合情况下，各时段的上游库水位值及相应的时间间隔见表3.3.4、表3.3.5、表3.3.6。
水位—库容关系曲线表
隧洞泄流关系曲线表
水位降落曲线表
库水位降历时表表3.3.4
表3.3.5
表3.3.6
3.3.2 计算参数的确定
坝体填土的饱和度按本次土工试验成果，坝体填土及坝基粘土的单位贮存量按下式计算：
Ss = αv·ρ·g/（1+e）
式中：αv——压缩系数
ρ·g = γ为水的容重，
其它土层的饱和度及单位贮存量按土的分类综合取值，主坝、1副坝各土层的单位贮存量及饱和度结果见表3.3.7。
3.3.3 计算结果
根据计算结果，绘制水位降落时大坝坝体内自由面降落过程及最后降至最低水位时的浸润线如附图17～附图28所示，计算自由面坐标位置见表3.3.8～表3.3.19。
3.4 计算结果分析
根据大坝渗流有限元计算结果，在稳定渗流期主、副坝渗流性态基本正常，符合一般均质坝的渗流流场分布，未见有碍坝体渗流安全的异常和畸变情况，但主、副坝各计算断面稳定渗流期的计算浸润线位置均较高，渗流状态不佳。其主要原因是：①主、副坝填土土质较差，土中含有较多的风化料和风化块石，导致填土的透水性普遍偏大；②受历史因素的影响和当时施工条件的限制，主、副坝大部分填土达不到设计要求。
大坝土层的渗透计算参数表3.3.7
（水位由100.00m降至74.50m）