海南省水利水电勘测设计研究院安徽分院 安徽合肥 230000
摘要：文章分析总结了城西水库大坝渗流现状，认为大坝目前仍存在渗流安全隐患，并据此提出相应建议。
关键词：大坝；防渗；渗流；混凝土防渗墙；帷幕灌浆
1 基本情况
1.1 工程概况
城西水库位于安徽省滁州市，是一座以灌溉、城市供水、防洪、养殖等综合利用的全国防洪重点中型水库，由于水库的地理位置较高，地势险要，该水库素有“滁城头上的一盆水”之称。水库集水面积168km2，总库容7112万m3。
1.2 地形、地质特征
水库地处江淮之间丘陵地带，所在地滁州市地跨长江、淮河两大流域，区域内地势西高东低。
结合地质补勘成果及历史地质资料，坝身以粘土、粉质粘土为主，土料混杂，填筑质量一般，含较多砖瓦、碎石等杂物，1+605处坝身①3层填土，呈软塑状态，高压缩性，可能引起坝身变形[1]。坝基⑥细砂层中等透水性，工程地质条件差；⑦层为泥砾石夹砂砾石，有论文指出，该层一般情况下泥砾石不具透水性，当局部含泥量较少含砂砾石较多时又成了强透水层，这种特殊的地质特性降低了坝基的抗渗能力[3]。这两者均可引起坝基渗透的稳定性问题。
1.3 水库除险加固经过
大坝原为粘土铺盖加粘土斜墙防渗的混合坝，2000年9月水库大坝安全鉴定评定水库为三类坝，针对提出的渗流安全问题，2002年8月19日省水利厅以皖水基函〔2002〕451号文对城西水库除险加固，大坝防渗处理分二期。第一期于2002年2月～2003年5月，对桩号0+500～1+200段进行坝基高压喷射灌浆、坝身粘土劈裂灌浆防渗；因河槽段防渗处理效果不佳，第二期于2010年4月～2010年6月对大坝进行了坝基帷幕灌浆（范围0+550～1+200）及坝身混凝土防渗墙（范围0+550～0+950）的防渗补强处理。
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图1 坝身混凝土防渗墙施工示意图
同时，在桩号0+680、0+710、0+760、0+800坝后公路下游布置减压井，采用导管将渗水引至坝脚。
2.渗流分析
2.1渗流现状运行表现
在经历2002~2010年两期防渗处理后，大坝渗流状态得到明显改善，但依然存在渗流安全隐患。2013年库水位28.50m时，位于大坝混凝土防渗墙末端的0+920~0+980段岸坡段坝后平台上出现散浸现象，出渗点约在马道平台坡脚及以上约0.5m，出渗高程约21.50~22.00m。
2.2渗流监测资料分析
通过整理与分析测压管、大坝安全自动化监测系统、减压井及管渗流等监测资料，对比不同时期、不同断面的坝体坝基渗透压力、渗流量、浸润线等观测资料，对大坝渗流运行性态进行评价。城西水库现有大坝渗流监测设施布置如下图所示。
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图2 大坝渗流监测设施布置图
渗流位势过程线分析：2010年补强加固后，整体上防渗墙后断面的测点位势较2010年前有下降趋势，且2010年后有逐年不断下降趋势，如坝体1-1，1-2，2-1，2-2、3-1和3-2、4-2和4-3、5-4和5-5、6-1和6-2及6-3等观测点。下游测点位势降低，说明大坝渗流向安全有利方向发展。但受绕渗影响，0+900断面有逐年增加趋势。
特征水位分析：2010年防渗墙补强后相同库水位下，除副坝外各断面防渗墙前后测点水位差异较大，有明显跌幅，跌幅2m~8m。而且0+700断面附近下游出逸现象也消失，这说明混凝土防渗墙补强起到防渗效果，与2003~2010年对比可看出补强效果。
相关性分析：1）从上游到下游，各断面测点水位与库水位相关性逐渐降低，这与测压管水位过程线分析结果基本一致，符合均质土坝渗流规律；而且防渗墙后测点相关性均不是很强，这符合防渗墙后测点渗流规律；2）坝体测点与库水位相关性低于坝基测点，主要是坝基有透水层分布，而且坝体渗透性小于坝基，同时坝体防渗效果也容易控制；3）防渗墙补强前后墙后测点与库水位相关程度差异说明了补强效果明显，尤其是0+670和0+720这两个断面均有较大幅度降低。
坝体压力平面图：可以看出，老河槽部位由于补强和下游减压井作用，下游位势不大，相反在0+550附近坝体下游压力较大。建议增设减压井。
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图3 坝体渗流压力平面等值线分布图（2017年10月10日）
2.3渗流数值模拟分析
在城西水库工程特定的地质环境条件和观测资料分析基础上建立二维渗流反演计算模型，充分利用已经取得的若干施工资料和监测资料来反演各土层分布和计算参数以及防渗体系有效性，反馈分析大坝二维渗流场的变化情况，重点反馈分析老河槽坝段渗流分布特征。
应用有限元法求解式（1）及相应定解条件，渗流计算采用南京水利科学研究院二维渗流计算程序UNSST2。计算中土体透水性均概化为非均质各向同性，渗流量计算采用中断面法[4]。
符合达西定律的非均质各向异性不可压缩土体的二维空间稳定渗流，其渗流域内任一点水头函数h应满足下述基本方程式
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（1）
式中：
h=h（x，z）—待求水头函数；
kx、kz—分别为x、z向渗透系数。
与式（1）相对应的定解条件为
水头边界
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（2）
流量边界
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（3）
式中：
Г—边界面，
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；
Г1—第一类边界，如上、下游水位边界，自由渗出段边界等已知水头边界；
Г2—不透水边界和潜流边界等第二类边界即已知流量边界；
Г3—自由面边界，在其上q=0，自由面上任一点需满足h*=z。
渗流二维有限元计算成果表明：1）现状水位条件及正常蓄水位下渗流基本正常，河槽段渗流安全；1+000向左副坝浸润线较高，渗流尚处于安全状态；2）设计高水位和校核高水位下，0+566、0+930等局部坝段，浸润线高，出逸高度超过可控范围，出逸坡降大于允许值，坝后弱透水覆盖层顶托坡降大于允许值，存在渗流安全隐患。
2.4大坝渗流现状总结
2010年后监测资料表明2002年～2010年大坝除险加固防渗处理效果较明显，但受资金限制，混凝土防渗墙仅对0+550~0+950进行处理，沿坝轴线方向长度不足；帷幕灌浆0+550~1+200基岩深度不足，帷幕底部控制10Lu线标准防渗效果不足，大坝防渗质量不满足规范要求。
目前，大坝存在反滤排水高度不够、下游减压措施大多损坏或失效等问题。监测资料和计算表明，部分坝段浸润线仍较高，随着坝后减压排水设施的损坏，有增加趋势。建议扩大坝身混凝土防渗墙范围，尤其是0+950~1+200坝段，并进一步补充完善减压排水和反滤设施，加强维护管理。
3.结语
2010年大坝二期防渗加固效果较明显，但防渗措施存在长度不够、深度不足的问题，目前大坝仍存在渗流安全隐患。说明坝基帷幕灌浆+坝身混凝土防渗墙对同类土石坝防渗效果较好，但同时应重视绕渗问题的处理，并合理布置大坝减压排水和反滤设施，及时养护。大坝渗流监测系统作为掌握大坝渗流性态的重要手段，建议所有水库运行管理部门做好该系统的运行维护及资料整理工作，为大坝渗流安全提供保障。
参考文献：
[1]海南省水利水电勘测设计研究院.滁州市城西水库大坝安全评价勘察报告[R]，2018.
[2]海南省水利水电勘测设计研究院.滁州市城西水库大坝安全评价报告（报批稿）[R]，2018.
[3]张林.滁州市城西水库大坝防渗加固实践[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2017年6月.
[4]毛昶熙、段祥宝、李祖贻.渗流数值计算及程序应用：[M].南京：河海大学出版社，1999.