昌梨水库大坝防渗加固效果评价
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摘要：在土坝防渗加固工程中，混凝土护坡和混凝土防渗墙的应用在技术上已较为成熟，但对其实际防渗效果的评价尚缺乏计算依据。以昌梨水库为例，采用有限元法计算了防渗加固前后坝体的渗流特性，结果表明，以混凝土护坡和混凝土防渗墙为主要防渗措施建立的防渗体系效果良好，可明显改善坝体和坝基的渗流性态，加固后大坝各料区渗透坡降和渗透流量均明显减小，且满足规范要求。
中图分类号：TV698.23文献标识码：A文章编号：
16721683（2014）02016704
Evaluation of Reinforcement Effect for Earth Dam of Changli Reservoir
GU Lei1，WANG Ning2a，CHAI Xiandun2a，GE Borui2b
（1.Donghai Water Conservancy Bureau；Lianyungang 222300；China；
2.Hohai University，a.State Key Laboratory of HydrologyWater Resources and Hydraulic Engineering；
b.College of Harbour，Coastal and Offshore Engineering，Nanjing 210098，China）
Abstract：Concrete slope protection and concrete antiseepage wall are technically mature when used in the seepage reinforcement of earth dam.However，the comprehensive evaluation of its actual antiseepage effect lacks the computational basis.In this paper，finite element method has been used to compute the characteristics of the dam structure in the Changli Reservoir before and after the reinforcement.The results showed that the effect of the antiseepage system with the concrete slope protection and concrete antiseepage wall has good effect and the seepage condition of the dam body and foundation is improved.After the reinforcement，the seepage slope and seepage discharge of each area decreased significantly and met the standard requirements.
Key words：earth dam；concrete slope protection；concrete antiseepage wall；antiseepage reinforcement；antiseepage effect
近十多年来，许多大中小型水库由于运行多年陆续出现了不同程度的病险问题[1]，需要进行除险加固。由于各水库条件不同，故而加固措施不同，其加固效果也不同，因此对防渗加固技术进行工程分析和总结，对今后大坝安全鉴定、加固以及设计、施工和管理具有重要意义[2]。
昌梨水库位于江苏省东海县双店镇境内，是一座以防洪、灌溉为主，结合水产养殖等综合利用的中型水库。水库兴建于1957年4月，1958年6月建成蓄水。水库防洪标准为50年一遇设计，1 000年一遇校核，相应的设计水位为4930 m（废黄河零点，下同），校核水位5035 m，相应库容2 111万m3，其中防洪库容1 365万m3，兴利库容1 405万m3，死库容5万m3。
2007年6月对昌梨水库进行安全评价，发现其主要问题为：土层自重压密固结条件差，土质结构较松散；大部坝段未做截水槽，且在坝身与坝基连接处存在透水层；坝基存在中等透水砂土层，渗透严重；坝脚出现窨湿积水现象，护坝地沼泽化严重，渗流安全不符合要求。2008年3月昌梨水库被鉴定为病险水库，2009年6月进行除险加固，2010年10月竣工，防渗加固采用以混凝土护坡和混凝土防渗墙为主的防渗加固体系。
本文根据昌梨水库除险加固工程的实际情况，采用渗流分析有限元法[3]以及基于有限元法的可变容差法反演分析理论[4]等，选择典型断面，建立二维有限元模型，结合地质勘探资料和测压管水位观测资料，反演坝体、坝基材料的渗透参数，分析大坝除险加固前后的渗流场，获得坝体内的浸润面，坝体、坝基主要部位的渗透坡降等，并估算水库的总渗透流量。通过比较除险加固前后大坝渗流性态的变化，评价除险加固的实际效果，为该防渗加固体系的推广应用提供计算依据。
渗流分析有限元法即是采用伽辽金逼近方法，将计算区域离散为互不交叉重叠的有限单元，选取八结点六面体等参单元，采用截止负压法[56]求解，迭代求得渗流的压力场，从而计算位势场、自由面坐标、渗透流量、渗透坡降等物理量。其中，渗透流量采用计算任意断面渗流量的插值网格法[7]求得。
基于有限元法的可变容差法反演分析理论即是反复调整坝体、坝基各分区的渗透系数，利用渗流分析有限元法计算坝体和坝基的渗流场，使得每个钻孔水头的实测值与计算值相对误差小于5%，则认为该渗流场就是最接近实际条件的渗流场，相应的渗透参数就是计算所需坝体和坝基的渗透参数。
1工程概况
昌梨水库大坝长1 850 m，坝顶宽度55～60 m，坝顶高程520 m，最大坝高150 m，挡浪墙顶高程5265 m。加固前后坝体结构主要变化如下：迎水面护坡进行坝坡维稳处理，高程4500 m至坝顶原护坡拆除，其中高程4100 m至高程4500 m老护坡整修C20细石混凝土灌缝，高程4500 m至高程5060 m现浇12 cm厚C20混凝土护坡，下设厚12 cm碎石垫层和350 g/m2土工布，高程5060 m至高程5200 m（坝顶）做框格生态护坡；下游原反滤体拆除重建，结构为5 cm厚粗砂、350 g/m2透水土工布、10 cm厚碎石、25 cm厚干砌块石；坝身防渗措施采用混凝土垂直防渗，墙身厚30 cm、墙底入强风化岩05 m，墙顶高程5054 m。由于该坝断面沿坝轴方向变化不大，故选择布置有观测孔的0+930断面作为典型断面进行计算分析，该断面加固前后结构见图1。
图1典型断面结构图
Fig.1The typical crosssectional structure
2有限元模型
2.1有限元网格
根据材料特性，坝区划分为坝体、坝基岩体等分区，建立有限元计算分析模型。有限元计算范围为：X方向取为垂直坝轴线，上游边界截至上游坝以外2700 m（约2倍坝高），并取为坐标原点，下游边界至下游坝趾以外20 m（约15倍坝高），上游和下游坝基均截取约15倍坝高；Z方向以高程为坐标，坝基亦截取15倍以上坝高，即截至高程2251 m。加固前后有限元网格见图2。
图2典型断面有限元网格
Fig.2Finite element meshes of the typical cross section
2.2边界条件
考虑稳定渗流情况，渗流分析的边界类型主要有已知水头边界、出渗边界及不透水边界3种[8]。（1）已知水头边界。包括坝址区上下游水位线以下的水库库岸和库底、坝体上游坡和下游坡、河道。（2）出渗边界。上下游水位线以上坝体上、下游坡面和坝顶。（3）不透水边界。包括模型上下游两侧边界，以及模型底面。
3渗透参数反演
昌梨水库大坝自1958年竣工至今已运行50余年，且经多次除险加固，大坝土体状态变化较大，大坝设计参数已无法反映大坝现状，需根据提供的现场资料选取稳定渗流场或准稳定渗流场对坝体渗透参数进行反演分析。
典型断面钻孔位置见图3。选取加固前2007年4月15日的坝体地下水位观测资料，采用基于有限元法的可变容差法反演分析理论反演计算坝体和坝基主要分区的渗透系数，见表1。此时，ZK19、ZK20、ZK21、ZK22四个钻孔水头观测值与计算值的相对误差分别为394%、429%、-322%和-411%，均小于5%，故表1所示渗透参数可用于有限元计算。
图3典型断面钻孔位置
Fig.3Drilling positions of the typical cross section
4防渗加固效果评价
4.1计算工况
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 2742001），土坝渗流计算应考虑运行中出现的不利工况条件，按稳定渗流考虑，因此本文考虑以下水位组合情况。（1）正常蓄水工况。上游正常蓄水位4850 m，下游4057 m。（2）设计洪水工况。上游设计洪水位4923 m，下游4057 m。（3）校核洪水工况。上游5025 m，下游4057 m。
昌梨水库大坝除险加固主要是防渗处理，其防渗加固主要料区的渗透参数由现场试验获取，见表2。
4.2削减水头
通过有限元法计算，得到了加固前后各工况坝体和坝基的渗流场（限于篇幅，这里仅给出正常蓄水工况下加固前后典型断面的位势分布图），如图4、图5所示。加固后，在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位工况下，混凝土护坡两侧水头分别降低06 m、074 m和098 m，分别占总水头的8%、9%和10%，混凝土护坡阻渗效果较明显；混凝土防渗墙两侧水头分别降低28 m、306 m和345 m，分别占总水头的35%、35%和35%，防渗墙防渗效果良好。
图4典型断面加固前正常蓄水位渗流等势线分布
Fig.4Seepage equipotential line distribution of the typical crosssection before reinforcement under the normal water level
图5典型断面加固后正常蓄水位渗流等势线分布
Fig.5Seepage equipotential line distribution of the typical crosssection after reinforcement under the normal water level
4.3渗透坡降
坝体允许渗透坡降为0653。加固前在正常、设计和校核洪水位工况下，坝体土料内的最大渗透坡降均大于容许渗透坡降，不满足规范要求。加固后，在各种工况下，混凝土护坡、防渗墙的最大平均渗透坡降均较大，分别达到816和115（表3），坝体其它分区渗透坡降均较小，且均小于允许渗
透坡降，满足规范要求。由此可知，此防渗加固措施实施后，坝体渗透安全有较大改善，满足规范要求。
4.4渗透流量
正常、设计、校核水位下坝体、坝基单宽渗透流量分别为0137 5 m3 /（d・m）、0154 3 m3 /（d・m）、0164 4 m3/（d・m），较加固前分别减少46%、47%、52%，减小幅度较大，防渗效果明显。
5结论
本文根据昌梨水库大坝的实际情况，建立了防渗加固前后的有限元模型，并利用坝体地下水位观测资料，对加固前大坝典型剖面的渗流场进行反演分析，得到坝体和坝基主要分区的渗透参数。结果显示，在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位工况下，混凝土护坡削减的水头分别占总水头的8%、9%和10%，混凝土防渗墙削减的水头分别占总水头的35%、35%和35%。另外，结合削减水头、渗透坡降和渗透流量三个方面，对混凝土护坡和混凝土防渗墙组成的防渗体系的防渗加固效果进行了评价，认为该防渗加固体系施工质量可靠；加固后坝体各料区渗透坡降均满足规范要求，渗透安全有较大改善；加固后渗透流量大幅度减小，防渗效果明显。
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