芙蓉嶂水库大坝渗流与结构性态评价

芙蓉嶂水库大坝渗流与结构性态评价刘博，沈振中，宗原河海大学水利水电工程学院，南京 (210098)E-mail：liubo_7928@摘要：芙蓉嶂水库位于广州市花都区，属于中型水利工程，水库建成运行至今已多年，一直存在一些安全隐患。

为了解水库大坝的真实运行状况，及时开展除险加固工作，此次利用大坝渗流反演成果，主要对其主坝渗流性态及结构性态进行了计算分析，从而对大坝安全性态做出分析评价。

最终评定芙蓉嶂水库为病险水库，属“三类坝”，建议尽快除险加固。

关键词：水库，大坝，渗流，结构，评价，渗流反演中图分类号：TV6981．引言我国水能资源十分丰富，目前已建成水库堤坝8.7万余座，这些水库在防洪、灌溉、发电等方面发挥了重大作用，为提高人民生活水平，促进国民经济发展做出了巨大贡献[1]。

然而这些水库大部分兴建于五、六十年代，运行多年，缺乏正常维修，又处于工程老化期，一旦失事有可能造成人员重大伤亡和财产巨大损失。

为准确掌握水利工程的安全现状，以便及时治理，确保其安全运行，需对水库大坝的渗流及结构性态做出评价。

2．概述芙蓉嶂水库位于广州市花都区花山镇，属珠江水系。

库区居于山区地带，主河道长共6.6km，库区河道平均坡降0.0065。

水库总库容2246.59万m3，是以灌溉为主要用途，结合防洪、发电等综合利用的中型水利工程。

大坝包括主坝和副坝，均为均质土坝，主坝坝顶高程50.00m，最大坝高25.1m。

上游坝坡采用干砌石护坡，上游坝坡在高程38.45m以上坡度为1:2.5，在高程38.45m以下坡度为1:3。

下游坝坡在高程38.45m以上坡度为1:2.2，在高程38.45m 以下坡度为1:2.6。

下游坝在高程38.45m处设有1.5m宽的马道，采用草皮护坡，坝坡坡脚设有排水棱体，排水棱体顶高程28.40m，同时在下游坡设置浸润线观测管一组三根。

芙蓉嶂水库建成运行至今已49年，一直存在一些安全隐患。

为全面评价大坝的实际安全性状，了解大坝的真实运行状况，及时开展除险加固工作，此次主要对水库主坝渗流进行反演。

利用反演成果，从而对其主坝的渗流性态及结构性态进行计算分析，最终对大坝安全性态做出分析评价[2]。

3．大坝渗流性态计算分析为进一步论证大坝的渗流性态，评价其渗流安全性，采用二维渗流有限元法[3]主要对其主坝渗流场进行计算分析，由于坝体填土不均匀，试验取土存在随机性，难以表征大坝的整体渗流性态，因此，需要进行渗透参数的反演分析。

这里以试验渗透参数为基础，根据大坝的钻孔水位观测资料及坝体埋设的检测设备所得出的监测数据进行反演[4]。

3.1 渗流计算参数反演主坝根据现场地质勘察提供的资料[5]，本次渗流分析选取桩号为0+100的断面作为主坝的标准断面，按平面问题计算分析其渗流特性。

根据材料特性，模型划分为坝体人工填土、粉质粘土层、粗砂层、卵石层、坝体基岩、排水棱体等分区。

有限元计算范围为：X方向为顺河向，上游指向下游为正，取坝顶中轴线处X=0，上、下游坝基长度均截取约2倍坝高，即截至X=-132.5m和X=112.3m处；Z方向以高程为坐标，坝基深度约为2倍坝高，截至底高程-25.10m。

计算模型包括了可影响大坝渗流场的主要结构和边界，如排水棱体和截水槽等。

离散后有限元网格结点总数为2554个，单元总数为2457个。

剖分后的有限元网格如图1所示。

由于提供的资料中，测压管水位随库水位变化规律较差，且测压管安装时间短，数据系列较短，测压管设备尚未验收，故不采用测压管数据进行渗透参数反演，而采用地质勘察时的钻孔资料[5]（钻孔依次为ZK2、ZK5、ZK7）。

首先在试验得出的坝体渗透参数的基础上，根据坝体钻孔水位观测资料，对各种材料的渗透参数进行反演估算，得到坝体和坝基的平均渗透参数，然后依据反演的渗透参数，计算正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位三种工况下坝体和坝基的渗流场，评价大坝的渗流性态。

以剖面0+100断面的钻孔水位观测资料为基准，以该断面钻孔位置水位的计算值与观测值之差的加权平方和最小为目标函数，采用可变容差法进行反演计算[4]，得到坝体和坝基各分区的优化反演渗透参数。

其中相对误差按下式计算：相对误差=（反演值-观测值）/（上游水位-下游水位）×100% （1-1）反演得到的钻孔水位计算值与实测值比较如表1所示，从表中可看出断面分布的钻孔ZK2、ZK5、ZK7的水位值均拟合较好，故此模型基本上可以反映该大坝渗流场的真实情况。

坝体的渗流场位势分布如图2所示。

反演分析调整后的渗透参数值如表2所示，它可以反映坝体和坝基平均的渗透特性。

图1 0+100断面有限元网格图图2 0+100断面坝体的渗流场Fig.1 Finite element mesh graph for section 0+100 Fig.2 Seepage field for section 0+100表1 钻孔水位计算值与实测值比较Table 1 Measured value vs calculated value on the water level of borehole m钻孔水位 (m)断面孔钻编号相对误差（%）观测值反演计算值ZK2 41.70 41.58 -0.58 0+100ZK5 34.00 34.75 3.64ZK7 30.90 29.97 -4.51表2 各分区材料的渗透参数Table 2 Material seepage parameters of each layer cm·s-1土层初始选定值(cm·s-1) 反演计算调整值(cm·s-1)人工填土 5.00×10-4 5.10×10-4粉质粘土 2.20×10-4 2.00×10-4粗砂 5.20×10-3 2.00×10-3卵石 1.60×10-3 1.00×10-3全风化岩带 2.57×10-4 7.50×10-43.2 渗流性态分析采用上面得到的参数，对大坝典型断面在正常蓄水位、100年一遇设计洪水位和1000年一遇校核洪水位工况下坝体和坝基的渗流场进行计算[3]。

经分析整理，主要成果如表3所示，相应的等势线分布如图3～图5所示。

由此得出：①大坝坝体的允许渗透坡降为0.5,坝基的允许渗透坡降为0.5。

在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位下大坝坝体内的最大渗透坡降分别为0.3153、0.3655、0.3911，坝基内的最大渗透坡降分别为0.3293、0.3668、0.3911，均符合规范要求。

②在设计洪水位和校核洪水位下坝体浸润面较高，浸润面与坝坡面的距离不足 3.5m ，坝体的渗流性态不满足要求。

③根据地质勘察，主坝坝体填土的渗透参数建议值为 5.00×10-4cm/s ，反演值为5.10×10-4cm/s 。

根据《碾压式土坝设计规范》（SL274-2001）中第4.1.5条规定，均质坝的渗透参数应不大于1×10-4cm/s ，所以此坝填土的渗透参数不符合规范要求。

表3 主坝渗流计算分析结果 Table 3 Seepage analysis results of the main dam工 况正常蓄水位 45.20m 设计洪水位 47.11m 校核洪水位 47.85m 坝体最大渗透坡降位置马道右下方 马道右下方 马道右下方 坝体最大渗透坡降 0.3153 0.3655 0.3911 坝基最大渗透坡降位置马道下方 马道下方 马道下方 坝基最大渗透坡降0.3293 0.3668 0.3911 大坝单宽渗流量(m 3/d/m) 3.704 4.397 4.52324.90m50.00m正常蓄水位45.20m43.2741.3439.4137.4835.5533.6231.6929.7627.83图3 正常蓄水位45.20m 时坝体典型断面渗流等势线分布图Fig.3 Seepage equipotential lines graph for the typical section in normal water storage 45.20m24.90m设计洪水位47.11m 50.00m44.9942.8740.7538.6336.5134.3832.2630.1428.02图4 设计洪水位47.11m 时坝体典型断面渗流等势线分布图Fig.4 Seepage equipotential lines graph for the typical section in design flood level 47.11m24.90m50.00m校核洪水位47.85m 45.6543.4641.2639.0736.8834.6832.4930.2928.09图5 校核洪水位47.85m 时坝体典型断面渗流等势线分布图Fig.5 Seepage equipotential lines graph for the typical section in check flood level 47.85m4．大坝结构性态计算分析坝坡结构稳定复核计算的目的在于判别坝体在自重、各种孔隙压力和外荷载作用下，在规范的工作条件（或荷载组合）下是否有足够的稳定性，其最危险滑弧的最小安全系数是否满足规范要求，从而正确分析评价现状坝坡的稳定性，为大坝的安全运行和科学管理提供理论依据[2]。

坝坡抗滑稳定复核计算是在渗流安全评价成果的基础上进行的。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），结合芙蓉嶂水库的实际情况，确定大坝的计算工况有以下几类。

上游：危险水位33.27m （1/3坝高），坝体形成稳定渗流；正常蓄水位45.20m ，坝体形成稳定渗流；正常蓄水位45.20m 非常降落至死水位32.00m ；1%设计洪水位47.11m 非常降落至死水位32.00m ；0.1%校核洪水位47.85m 非常降落至正常蓄水位45.20m ；下游：正常蓄水位45.20m ，坝体形成稳定渗流；1%设计洪水位47.11m ，坝体形成稳定渗流；0.1%校核洪水位47.85m ，坝体形成稳定渗流。

坝坡的稳定分析采用圆弧滑动条分法计算。

圆弧滑动条分法计算具体分为简化毕肖普法和瑞典圆弧法两种。

依据此计算方法，采用河海大学自编的土石坝稳定分析程序Stabss 分析该坝坡的稳定性。

该程序为“八·五”科技攻关项目成果，已经通过有关单位鉴定，并在国内数十个土石坝稳定分析中得到应用，计算成果与实际情况相符。

根据芙蓉嶂水库坝体的结构布置情况，坝坡整体抗滑稳定计算断面与坝体渗流安全评价所选取的断面相同。

根据现场提供资料，并参考规范及类似工程经验，经综合分析，本次计算采用的各分区物理力学参数如表4所示。