肖家山水庫主壩異常滲流成因分析

張貴金，黎景智，梁經緯，譚守禮，戴宏基

（1. 長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114；2. 湖南省大壩安全與病害防治工程技術研究中心，湖南 長沙 410007；3. 肖家山水庫管理所，湖南 郴州 423000）

1 概 述

引起土石壩安全問題的原因多種多樣，由滲流問題導致的各類事故占很大比重[1]。由于滲流而造成的破壞形式主要有：壩身或壩體中出現管涌通道、壩基滲流出現管涌通道、坡面遭到滲流沖蝕、背水坡腳出現濕軟滑坡、波浪沖刷上游坡面、上游壩坡由于水位驟降而滑坡等[2～3]。

湖南肖家山水庫位于湘江流域耒水一級支流西水上游，建成于1976 年。水庫控制集雨面積4.2 km2，外引集雨面積37.4 km2，是一座以灌溉為主，兼顧城鎮供水等綜合效益的中型水利工程。主壩為均質土壩，最大壩高29.9 m，壩頂高程363.9 m，大壩正常運用洪水標準為100 年一遇，非常運用洪水標準為1 000 年一遇。水庫正常蓄水位360.50 m，相應庫容992 萬m3。

主壩自建壩以來就長期存在滲漏問題，尤其是位于下游壩坡自馬道往上349 m 高程處，存在一條寬約5.5 m 的明顯的水平滲漏帶，且從左岸至右岸貫穿，如圖1，滲漏帶的部分區域散浸滲漏嚴重，表層土壤已成泥濘狀。且在旱季低水位情況下，該滲漏帶依然滲水。即使2009 年經過除險加固，壩體實施灌漿帷幕以后滲漏也未得到解決，使得該水庫長期不能在正常水位運行，無法發揮原設計效益。

圖1 主壩下游壩坡面滲漏帶示意圖

2 滲漏帶檢測分析

2.1 滲流水成分

庫水在向壩基或壩體運移的過程中會與壩基巖石、帷幕、土體產生相互作用，水質特征的形成即是這些作用的結果[4]。壩基地下水徑流條件制約著這些作用的發展速度和程度，反之，壩基地下水質特征又可反映出壩基的徑流條件。

對庫區近壩處淺層水，滲漏帶左、中、右3 段出現的滲漏水以及壩趾處的積水進行取樣（實時庫水位356.87 m，庫容692.52 萬m3），通過PHSJ-3F 型實驗室pH 計與CA-1 型鈣離子測試儀分別測定各水樣pH 值與鈣離子濃度，結果如表1。

表1 水樣pH 值、鈣離子濃度檢測結果

1）pH 值分析。水庫蓄水后，庫水水質表現分層性。上層庫水與河水水質相近，為中性或弱堿性水。中下層庫水水質多為弱酸性的含侵蝕性CO2的低礦化度水[5]。壩基地下水pH 值接近或略高于庫底水值，說明地下徑流較通暢，帷幕的防滲性能可能已有衰減或帷幕搭接不夠，而壩基地下水為堿性、強堿性水時，則是帷幕防滲性狀完好的標志，尤其是強堿性水出現的部位，更是地下徑流緩慢、帷幕防滲完好的標志[6]。

根據測驗結果，庫水淺層水pH 值為7.91，為弱堿性；中下層庫水pH 值低于淺層水，為弱酸性，且與所測滲漏帶左部、中部、右部的滲漏出水pH 值接近。表明滲漏帶滲水來源于中下層，從壩基繞過帷幕或穿過帷幕。

2）鈣離子濃度分析。Ca2+是水中陽離子的主成分，壩基地下水中含量變幅很大。水中鈣離子的來源主要是巖石、帷幕、混凝土中的碳酸鈣水解[7]。

根據測驗結果，在滲漏帶全域滲漏水中鈣離子濃度都明顯低于庫區水與壩趾積水，表明水平滲漏帶內部滲流的流速很快，鈣離子無法富集。且根據滲漏帶3個部位滲漏水中鈣離子含量的差異，可以推測右壩段滲漏較為嚴重，壩體內部含水量較大，而壩中部與左壩段則較低。判斷滲水可能來源于右壩肩山體地下水或因壩體右岸帷幕質量相對較差，由庫水滲漏而來。

2.2 壩體分層土質檢測

對于均質土壩，土體材料性能對大壩滲漏及穩定具有重要的影響[8]。在左段、中段、右段分別選擇壩頂、滲漏帶上緣、滲漏帶以及滲漏帶下緣進行取樣。通過烘干法測量土樣含水率、環刀法測量土樣濕密度、變水頭滲透試驗確定滲透系數、直接剪切試驗測定抗剪強度并計算粘聚力與摩擦角。試驗結果匯總見表2。

表2 各部位土樣性能檢測結果

1）滲漏帶土體含水率明顯高于其他部位，且干密度與濕密度低于壩體其他部位土體。表明滲漏帶部位土體的壓實度低于壩體其它部位，且在水庫運行中遭受散浸嚴重。

2）滲漏帶區域內土體的抗剪強度、粘聚力以及摩擦角均小于壩體其他部位，其中滲漏帶右部土體最為明顯，說明滲漏帶土體的力學性能已明顯下降，且距離滲漏帶較近的區域土體力學性能也有所降低，可能會引起土石壩發生管涌與流土，嚴重情況下會導致潰壩，危及大壩安全。

3）滲漏帶區域土體的滲透系數大于壩體其他部位土體，說明滲漏帶土體的透水性更強，滲漏水更容易通過土體孔隙骨架，會導致土體的力學性能下降，危及壩體安全。

3 滲漏途徑判別及成因分析

由于滲漏帶土體含水量較大且土體性能弱于壩體其他部位，推測壩體滲流帶為松散填筑土層，這與該層為冬季施工受到凍融傷害的歷史記載相符。庫水通過滲漏帶滲入壩體并導致下游壩坡出現散浸，且由于基質吸力作用導致低水位時壩體滲漏帶依然存在滲漏現象。

1）基質吸力獲得的爬升高度計算。在土壤學中把毛管壓力的負值稱為吸力或基質吸力。毛細管作用是因為水的表面張力作用而產生的現象。水的表面張力，是因為水分子引力作用產生的沿著水表面的一種張力，由于表面張力的作用，把圓管內的水向上拉，使水位上升。毛細管水上升高度可按下式[9]計算：

當溫度在25℃時，水的表面張力T=0.075 gf/cm，水的重度γω=1 gf/cm3，如果α≈0，hc為：

hc和r 都以cm 為單位。

由上式可知，圓管半徑越小，水面上升高度越大。實際上土中的孔隙并不是圓管，如果用與圓管半徑r等價的孔隙比e 和有效粒徑d10（cm）的積來表示可得

C 是由土顆粒的粒徑和表面粗糙程度等因素決定的系數，變化范圍0.01～0.05 cm2。筑壩材料粘性土的d10=10-4cm、滲漏帶土樣e≈1.16，可得毛細管上升高度為86～430 cm。實際工程中土質結構松散，孔隙比偏大。且基質吸力與土體含水率有關[10]，隨著含水率的降低，基質吸力會增高，滲漏帶土體的含水率較高，基質吸力會偏小。

2）異常滲流成因分析。基于檢測分析結果，根據肖家山水庫水位歷史記錄，當庫區水位高于壩體滲漏帶底部高程349 m 時，主壩壩體滲漏帶會出現明顯散浸現象，在2009 年除險加固進行壩體帷幕灌漿后依舊如此；而低于349 m 時，由于毛細水的作用，仍然有滲水沿滲漏帶滲出。可以判斷滲漏帶來水主要源于庫區，不是來源于右壩肩地下水。見圖2。

圖2 壩體滲漏帶示意圖

由于沒有對松散填筑層采取必要的滲控措施，在運行時，庫水會通過各種途徑滲入匯集該層土體中，導致滲漏帶土體的含水量上升，土體性能下降。

4 滲流量估計與后果分析

1）滲流量估計。按以下控制方程進行有限元滲流計算：

式中 ν——滲流速度；

ν0——初流速；

k——二階滲透張量；

△——梯度算子；

φ=z+p/γw——總水頭；

z——垂直坐標分量；

p——孔隙水壓力；

γw——水的容重。

采用理論上嚴密的Signorini 型變分不等式方法求解，所建立的方法稱為SVA 法（子結構、變分不等式和自適應罰Heaviside 函數相結合的方法），不僅能夠對非線性滲流問題的滲流出滲點和自由面精確定位，而且具有計算精度高、計算速度快、算法穩定等優點[11]。

數值模型如圖3，結合試驗測得的土樣滲透系數，利用滲流計算程序計算土石壩在2009 年除險加固前后不同水位工況下的滲漏量，結果如表3。

圖3 滲流計算模型

表3 滲漏量計算工況及結果

2009 年完成除險加固工程包括對壩體進行旋噴灌漿與帷幕灌漿，以及壩體上游壩坡面鋪設混凝土六方塊護坡。分析表明除險加固工程有效降低了浸潤線，減少了壩體滲漏量。當庫水位低于滲漏帶高程時，壩體滲漏帶滲水量顯著降低，但當庫水位高于壩體滲漏帶時，滲漏量會急劇增加，超過正常蓄水位后的滲漏量高達0.37m3/s。

2）滲流后果分析。由于壩體長期存在滲漏帶，使得該部位的土體性能下降，極易發生局部滲漏破壞，導致壩體出現砂沸、泉涌、流土、管涌或沼澤化，危及大壩安全。

5 結論與對策

1）肖家山均質土壩在高程349 m 處存在凍傷填筑層，導致壩體下游側出現自左至右全斷面成層滲漏帶。庫水位從低于349 m 開始升高，壩體下游側始終出現滲漏，若在正常蓄水位360.5 高程運行，滲漏量會達0.37 m3/s，可能誘發局部滲透破壞，危及大壩安全。

2）大壩需布設滲流等監測設備，實時掌握壩內滲流場狀況，對滲漏帶部位的弱化筑壩材料采取必要的滲控處理措施，以使水庫盡早發揮正常效益。