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設計院，河南 安陽 455000；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

1 工程概況

小南海水庫位于河南省安陽市西南35 km的海河流域衛河支流洹河上，控制流域面積850 km2，總庫容1.075億m3，是一座以防洪為主、兼有工業用水、農業灌溉、發電、水產和旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程。水庫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1.0 m厚反濾過渡層，壩基采用截水槽防滲。大壩上下游護坡均為干砌石，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；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。

小南海水庫始建于1958年5月，1960年大壩以小斷面合攏蓄水。由于標準及質量問題，建成后曾多次加固配套。1961～1964年對水庫進行了大壩下游補坡加戧、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建加固工程。1976～1981年進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。由于水庫的先天不足，1982年洪水造成京廣鐵路中斷17 h、安陽市城區進水，損失慘重，影響極大。1986年水電部將該水庫列入全國43座重點病險水庫之內。1989年10月～1994年6月水庫除險加固時，將大壩加高至188.1 m高程，并進行了兩壩頭基礎帷幕灌漿防滲處理，除險加固后水庫防洪標準為重現期100年設計，重現期2 000年校核。

由于小南海水庫初期建設潛在問題很多，且歷史上的除險加固工程限于當時條件，屬于低標準建設，所以水庫尚存在諸多問題。特別是1989～1994年除險加固工程，初設階段確定的大壩粘土斜墻內混凝土防滲墻因資金緊張等原因未實施，給大壩安全運行埋下隱患。

通過對小南海水庫粘土斜墻堆石壩進行滲流分析和計算，找出大壩滲流安全方面存在的問題，為水庫下一輪的除險加固提供支持和決策依據。

2 與滲流相關的設計及施工情況

2.1 壩體防滲處理

小南海水庫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壤土，少部分為代替料（采用風化的閃長巖和棄土）。根據大壩原設計圖，粘土斜墻與堆石體之間設反濾層。粘土斜墻后設三層反濾，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，以上為兩端進占拋填。根據歷史上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有形成，而且反濾層與堆石體之間也未設過渡帶，施工時鋪設的一層低質量反濾層也在堆石體變形過程中被錯斷，部分反濾料已散落于堆石體孔隙之中。

2.2 壩基防滲處理

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

2.3 1989～1994年除險加固工程防滲處理

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量差和缺失反濾層影響壩體滲流安全問題，除險加固時增加原粘土斜墻的防滲厚度。施工時先清除了上游坡原粘土斜墻干容重小于1.6 t/m3的低質量代替料，在163 m高程以上回填粘性土，設計干容重1.7 t/m3，土料采用下游溢洪道備用土區土料和上游上河土區土料。壩體與兩壩頭山坡連接處，按設計要求進行了正常清基處理。另外，對兩壩頭進行了帷幕灌漿處理：左壩頭從大壩樁號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112孔，孔深26～46 m。右壩頭從大壩樁號0+280向東至樁號0+350，按排距1.5 m、孔距2.0 m布置兩排防滲帷幕，自樁號0+350折向下游與大壩下游183.0 m高程戧臺中線相交止，按孔距2.0 m布置一排灌漿孔，計105孔，孔深13～28 m。

3 滲流計算

由于大壩目前滲流觀測資料較少，分析中僅應用歷史監測資料。為推算高水位下壩體的滲流狀態，并補充和驗證觀測資料分析成果，同時采用滲流確定性模型結合有限單元法對大壩滲流場進行反演計算分析。

3.1 計算斷面和計算工況

根據大壩隱患情況和實測資料分析，大壩斜墻內存在明顯滲漏帶，最大斷面為危險斷面，同時左右壩肩監測資料顯示，該部位存在基礎接觸滲流隱患，防滲帷幕處理質量極差，斜墻中也存在滲漏帶。由于兩個斷面具有相似性，為便于反演分析，選取0+200斷面作為本次滲流安全復核的典型斷面。首先根據現場試驗結果、觀測結果和土工試驗成果對典型斷面在高水位170 m下的穩定滲流場進行反演分析，然后根據反演成果進行正常蓄水位173 m下的滲流安全評價，并確定較為合適的確定性數學模型，利用該數學模型進行設計水位179.88 m和校核水位187.8 m下的穩定滲流場預報計算。滲流計算采用南京水科院二維滲流有限元數值模擬計算程序UNSST2，計算方法和詳細推導參見文獻[1]。

3.2 計算參數選取

本次數值模擬計算中土層滲透參數主要依據2006年鉆孔取樣試驗結果以及歷史多次鉆孔試驗結果，見表1。

3.3 0+200斷面滲流安全分析

3.3.1 現狀滲流性態反演計算

應用二維滲流有限元計算程序UNSST2計算正常高水位170 m下的穩定滲流場，此斷面下游坡腳出滲，選取壩后地面137.5 m作為下游邊界。有限元計算網格計剖分結點1 414個，單元2 728個。計算剖分網格見圖1。

表1 大壩材料主要物理力學指標表Table 1:Main physical mechanical indexes of the dam material

現狀反演計算主要根據目前的大壩滲流性態和測壓管實測水位，計算成果見表2、圖2和圖3。

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

（1）實測高水位170 m的滲流場反演計算

工況1：實測高水位170 m下，大壩0+200和0+270兩斷面下游坡183 m和152 m平臺布設的測壓管多年平均分別為138.80 m和137.53 m。對此進行了反演模擬，見圖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線很低，此時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平臺布設的測壓管A、B的模擬值分別為138.45 m和137.55 m。

表2 滲流計算結果Table 2:Results of seepage calculation

圖2 0+200斷面正常高水位170 m下滲流場分布(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的滲流場反饋計算

①反饋結果

工況2：實測高水位173 m下，大壩0+200和0+270兩斷面下游坡183 m和152 m平臺布設的測壓管多年平均分別為138.80～141.12 m和137.53～137.90 m。對此進行了反演模擬，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線很低，此時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平臺布設的測壓管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平臺布設的測壓管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平臺布設的測壓管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性

工況5：實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平臺布設的測壓管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，之間無反濾措施，斜墻壩料細粒容易流入砂礫石內發生接觸滲流，而此時接觸滲流坡降為0.237，超出一般砂卵石允許坡降0.1。因此應對無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加固。

5.堅持公平公正執法。堅決保護民營企業公平公正平等地參與市場競爭，享受同等法律待遇。全面推行行政裁量權基準制度，細化、量化行政處罰標準，堅決摒除隨意檢查、多重檢查、重復處罰等執法歧視行為。大力推行行政執法公示、執法全過程記錄、重大執法決定法制審核“三項制度”，切實增強行政執法工作的法治化、規范化、透明化。全面推行“雙隨機、一公開”監管，推動陽光執法，堅決避免人情監管、選擇執法、執法不公、暗箱操作等現象。

③反饋結果分析

由模擬結果還可知，斜墻后坡出逸坡降一般在1.8～2.1，已經接近和超出斜墻細料的允許值，必須進行有效反濾保護。而根據筑壩過程分析和鉆探結果，斜墻與堆石之間的反濾層質量不合格，甚至局部缺失，不能起到反濾作用，長期滲流作用下滲流對斜墻后部的沖蝕是十分危險的，將會形成斜墻壩料內的滲漏通道，并有可能造成壩體塌陷而導致潰壩。

④反濾失效的滲流危害

針對該壩斜墻壩料，一般在下游134～145 m高程墻后細料容易發生滲流流失，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，繼續向上擴展。由于通道更向上擴展，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允許值，將會發生更大的滲透破壞。滲漏通道繼續發展，斜墻內土體淘空，如若發現較晚，水位較高，將會引起大壩潰決。

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，厚度約3 m。計算結果表明，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，長期滲流作用下容易發生滲透變形而導致滲流破壞。

圖4 0+200斷面設計水位下滲流自由面及等勢線分布（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線分布（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)

據此分析，主壩段老河槽斷面的滲流隱患主要有：（1）壩基地質條件差，存在砂卵石層，基巖表層風化層抗滲能力差，現壩體壩基接觸抗滲能力不夠；（2）壩體填筑質量差，土料差異性大，與一般情況及規范要求相去甚遠，上部斜墻防滲體內可能存在水平裂縫或架空等，下部截水槽填筑質量不佳；（3）截水槽和斜墻土料與下游堆石之間反濾缺失或不合格，易形成細料不斷流失，長期發展容易形成集中滲流，可能導致裂縫和局部通道產生，高水位下出滲坡降已超過允許指標；（4）大壩壩基防滲處理效果不佳，鉆探和監測結果表明，主壩段無帷幕灌漿，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允許指標，漏水嚴重。

3.3.2 高水位滲流性態正演計算

對設計水位和校核水位下滲流場進行了預報計算。結果見圖4、圖5和表2。設計工況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，兩工況下該斷面滲流穩定性能滿足要求。但是現狀下斜墻以及截水槽下游的反濾本身存在較多安全隱患，計算表明更高水位下大壩的滲流穩定性不夠，反映大壩在未來高水位下的滲流狀態可能要比目前狀況大大惡化，而且有垮壩的危險。

4 大壩滲流分析結論及建議

小南海水庫地理位置重要，其安危緊系下游10 km彰武水庫的安危，同時兩庫對下游京廣鐵路、京深高速公路和已申報世界文化遺產成功的安陽市區的安危更是至關重要。

水庫自建成運行以來，由于前期施工質量極差，曾于1986年被列入全國43座重點病險水庫之列。雖然后經除險加固處理，工程質量得到改善，但受當時工程經費限制，工程處理并不徹底，水庫大壩滲流還存有諸多問題。結合工程運行、滲流計算分析結果，可以得出以下結論：

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

（2）壩基河床段為強透水性的砂卵石層，而上次除險加固初步設計中的混凝土防滲墻因故未能實施，壩基無垂直防滲工程，大壩沒有形成完整的防滲帷幕，下部存在不密實的截水槽土體，與基巖接觸存在滲流安全隱患，大壩下游曾經出渾水已經說明其內部可能形成局部集中滲流。

（3）壩體防滲僅靠粘土斜墻，而斜墻填筑質量較差，與一般情況及規范要求相去甚遠，上部斜墻防滲體內可能存在水平裂縫或架空等，下部截水槽填筑質量不佳。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允許指標，易形成細料不斷流失，長期發展容易形成集中滲流，可能導致裂縫和局部通道產生。

（4）原設計在粘土斜墻173.0 m高程至基巖設置混凝土防滲墻，墻頂173 m高程以上壩面考慮以鋪設土工織物作為防滲等解決壩體防滲工程未實施，尤其是大壩沒有壩體滲漏的觀測設施，不能對大壩進行安全監測。

根據水庫地質情況及滲流存在問題，建議做以下處理：

（1）繼續完成除險加固初設中的混凝土防滲墻等工程；

（2）對兩壩肩灌漿帷幕進行補充完善；

（3）完善大壩滲流觀測設施，加強觀測和數據整理分析。

[1]毛昶熙，段祥寶.滲流數值計算及程序應用[M].河海大學出版社，1999.

[2]河南省安陽市小南海水庫大壩安全評價報告[R].邯鄲市水利水電勘測設計研究院，2007.

[3]小南海水庫歷史上相關地質勘察成果[R].