微观水库病险土石坝渗透系数的确定

微观水库病险土石坝渗透系数的确定

0坝体防渗的主要病害及防治建议观观河水库位于汉江月河支流观音河的上游，距陕西省汉阴县10公里。大坝为粘土心墙土石坝,坝高34.2m,坝顶长256m,坝顶高程466.833m。该水库建于1958年9月至1962年5月。由于当时施工质量存在的问题较多,水库运行40多年来,大坝经历了多次险情和抢险。目前,大坝存在的主要病害是:当库水位超过460m高程时,坝背水坡不同程度地向外渗水。其中最严重的一次发生在2000年7月13日,当汉阴县暴发了“7·13”洪水时,库水位猛涨到463.333m高程,背水坡渗水面积竟达到2518m2,最高渗出点达到459.7m高程,大坝安全处于十分危急的状态。同年8月,对大坝心墙上部的透水土层进行了垂直铺塑防渗的应急处理,大大缓解了大坝险情。在面临汛期不可能对坝体深层取样的情况下,考虑到除险加固工程与新建工程的勘测在内容、深度上应有所不同,除险加固工程更应强调针对性,做到“查明病因,对症下药”,无须按新建工程的勘测规范要求做到面面俱到。鉴于观音河水库大坝有40多年的运行经验和较为明确的病因,又有2000年6月大坝安全鉴定的比较详细的土工试验资料,特别是2000年大坝“7·13”险情和应急除险较详细的实测资料,我们认为除险加固初步设计阶段需进一步确定的土工指标重点应为坝体土的渗透系数,而且可以通过分析加以确定。1大坝坝形、地质结构的调查与分析观音河水库的原始设计文件档案在文化大革命中全部遗失。大坝建成后,由于经历多次险情和加固,现大坝坝形及其地质结构状况没有一份可靠、统一完整的资料可循。因此,必须首先确定大坝坝形及其地质结构现状。根据2001年6月坝址区的实测地形图、过去存留在个人手中的零散资料、1982年的一份大坝补勘地质横剖面图和2000年3月大坝安全鉴定时的探坑等资料的综合分析,确定当前大坝的坝形和地质结构如图1、图2所示。在确定大坝结构的分析中,我们所收集到的各零散资料中坝壳、心墙的结构形式基本口径一致,但对坝壳、心墙中的填料变化情况众说不一。图1中Ⅱ-Ⅱ横断图如图2所示。图中填料区分布根据大坝结构、病险出露和探坑位置分析划分。Ⅱ-Ⅱ横断面上中2(坝顶)和中4(下坝坡)探坑的土层分布编录如表1所示。土的渗透系数(垂直方向渗透系数kV和水平方向渗透系数kH)试验结果如表2所示。表中,土样的渗透系数为试验的平均值,不同部位的渗透系数为探坑各土样的试验值对大层厚的值。2数据分析及结果“观音河水库大坝安全复核”的结论指出,当库水位高于460m高程时大坝的主要病害是下坝坡的渗水问题。只要消除了下坝坡上的渗水现象,大坝是稳定的。因此,确定坝体土的渗透系数是大坝加固设计阶段最重要的土工研究任务。探坑的土层编录和1982年的大坝地质横剖面图表明,坝体施工填筑很不均匀。因此,有限土样的试验结果难以完全反映大坝土体的特性,这对于土渗透性尤为突出。但是,有限土样的试验结果在一定程度上可以反映土体特性的变化范围。观音河水库管理站已往的库水位与下坝坡渗水观测记录,特别是2000年汉阴县“7·13”洪水时下坝坡的渗水记录,为反分析渗透系数提供了重要的实测数据。我们认为用这组数据和原试验数据的反分析结果能够更逼近大坝土体的实际渗透特性。在反分析中,首先,按探坑的土层编录和土工试验资料划分计算断面的填料分区,再从渗透系数的试验值中选一组作为标准值,通过计算,确定影响浸润线的敏感填料区及其渗透系数。然后,以不同情况的实测最大渗出点高程为控制条件,不断修正敏感填料区的渗透系数,进行试算,使最终得到的浸润线基本上同时满足控制条件。最后,取各填料区最终计算采用的渗透系数作为本次除险加固初设的选用计算参数。在多待定渗透系数情况下,为了减小计算量,需要找出最有影响、最敏感的料区和最敏感的渗透系数。本文以Ⅱ-Ⅱ断面为例进行渗透敏感性分析。计算分析程序采用南京水利科学研究院开发的有限元平面渗流程序DQB。计算断面的填料区划分如图2所示。不同填料区的渗透系数参考值采用试验渗透系数的分区加权值,如表3所示。坝坡堆石和坝基砂砾石层的渗透系数根据现场踏勘和有关手册的建议值。上游控制水位为463.333m,下游控制水位为432.633m。敏感性分析分别采用单因素法和双因素法。单因素法是在每次计算中对某一填料区只改变一种渗透系数数值,而保持其他渗透系数和其他填料区的渗透系数不变;双因素法是在每次计算中对某一填料区同时改变垂直渗透系数kV和水平渗透系数kH,而保持其他填料区渗透系数不变。按此方法对所有填料区逐个计算。单因素法计算结果如图3、图4所示。双因素法的计算结果见文献。图3、图4中:C,D,E,F,G,H表示坝体土料的分区号(见图2),下标H,V分别表示分区的水平渗透系数和垂直渗透系数的变化。浸润线特征点x坐标为历次大坝渗水记录中下坝坡最高渗水点曾发生过的可能位置。a.EH线、FH线和HV线随k/k0变化较大,表明影响浸润线的敏感填料区为E区、F区和H区,其中最敏感区为F区和H区,即下坝壳451.2m高程以下填筑区和心墙460m高程以下填筑区。b.最敏感的渗透系数为心墙460m以下填筑区的水平渗透系数和下坝壳451.2m以下填筑区的垂直渗透系数。c.其他分区渗透系数对渗出点高程影响不大,即使选原试验值也不会有大的影响。3方案的模型模拟为了减少计算量,根据上述渗透系数敏感区分析结果,在反算中只需调试渗透敏感区的最敏感渗透系数。反算控制条件为:a.使采用反算结果的计算在现有勘探试验资料条件下能够保证初步设计的可靠性。b.使计算浸润线逸出点高程基本能够同时满足不同情况的实测逸出点高程,即库水位460m时浸润线无逸出现象、库水位463.333m时浸润线逸出点高程近似于459.7m、库水位461m时浸润线近似于441.7m高程逸出、库水位463.333m并经心墙垂直铺塑处理后浸润线逸出点高程近似于443.0m。c.使反算值内涵于试验值范围,敏感区的敏感渗透系数不超过试验值的3倍。基本满足上述控制条件的反算渗透系数如表4所示。4渗透系数计算对有病险大坝的加固设计,渗透系数必须按控制断面分别选取。不存在最大坝高断面,即主断面渗透系数对其他断面的控制作用。例如,在本工程中,如果用Ⅱ-Ⅱ断面的渗透系数替代Ⅲ-Ⅲ断面的渗透系数,计算现大坝库水位463.333m的浸润线,则Ⅲ-Ⅲ断面计算浸润线必定逸出,显然这与实际观测不符。根据这一原则确定的观音河水库大坝除险加固初步设计的选用渗透系数如表4所示。根据探坑揭示的土层分布资料,上下游坝壳填料区基本上是不同含砾量的砾石土和粘土的互层结构;心墙填料区在460m高程以上部分也是不同含砾量的砾石土和粘土互层结构;460m以下部分是含少量砾的均质土体,该填土结构必然使心墙在460m高程以上部分的水平渗透系数过大,坝壳部分的垂直渗透系数过小,这是下坝坡坡面渗水的根本原因。通过渗透敏感性分析,得到最敏感的渗透系数为心墙460m高程以下部分(F区)的水平渗透系数和下坝壳451.2m高程以下(H区)的垂直渗透系数。对于H区的垂直渗透系数直接取试验值;对于F区的水平渗透系数取2倍试验值。这是因为,一方面,该试验值仅为F区表层即459.20m高程所取土样的试验值;另一方面,如果下面没有不良填土的透水层,取上层土的试验值则为最不利情况,可以起到对设计计算偏于安全的控制效果。按选用渗透系数计算,大坝不同情况的浸润线如图5～图10所示。从图中可以看出,在不同情况下计算的浸润线与管理经验或实测结果基本一致,进一步表明了这组渗透系数取值具有较好的近似性。5坝体渗透系数的确定a.由于观音河水库大坝的病险问题和病因明确,有“大坝安全复核”时较细致的勘探和土工试验资料,又有历次险情时较详细的渗水实测和长期的运行经验,从而使分析确定坝体土的渗透系数具备了较充分的分析条件。对于填料很不均匀的观音河大坝,这样确定渗透系数较单纯按有限试验确定渗透系数更符合实际。b.通过渗透敏感性分析,得到大坝在现状情况下渗透敏感区为:心墙460m高程以下的