浴室水库大坝安全评价

浴室水库大坝安全评价

山东省的浴室水库是一个大型（二级）水库，总面积为1.872亿3m。主要建筑包括水库、主洪水通道、副洪水通道、左、右排水孔和灌溉。大坝为宽黏土心墙砂壳坝,最大坝高44.80m,坝顶轴线长310m,坝顶宽7.4m,坝顶高程90.80m,防浪墙顶高程92.00m。上游坝坡为干砌块石护坡,下游坝坡为草皮护坡;下游坝脚设有排水棱体,长200m、顶宽3.5m、顶高程51.74m。该工程运行中出现的主要渗流问题有:①1972年3月,左放水洞发电支洞发现环向裂缝,呈集中漏水。原因是1972年以前出现过一次水锤产生的裂缝,1975年6月用环氧树脂贴橡胶板对其进行了处理,效果较好。②2003年10月检查发现,大坝左端已废弃卧管出现异常渗漏,渗流量为0.56L/s左右。③右放水洞廊道内浆砌石溶蚀、漏水严重,多处出现射流和泥土流出,射流直径为2～5mm,渗漏水孔径为15mm,廊道与坝体填土间已发生较严重的接触渗透变形,威胁大坝安全。④1960年7月大坝左、右两端出现裂缝,左坝端缝长120m、宽30～40mm、深1.2m,右坝端缝长30m、宽40～60mm、深2.5m。1960年8月沿裂缝挖槽回填黏土,再进行夯实,完成土方300m3,经处理后未再出现裂缝。1水库区域的地质特征和建设1.1与下伏地层相关联该水库地处华北地台鲁东地盾胶北隆起与胶莱坳陷接合部,库周为岩岸,坡度较缓。坝址区地层岩性主要为下元古界片麻岩、片岩。片麻岩为矽线石榴黑云片麻岩,节理较为发育,风化深度一般为2～8m,与下伏地层为整合接触。片岩为灰黑色黑云片岩,仅在大坝左端呈数条带状分布。第四系冲积物以砾砂为主,含有少量卵砾石,局部为坡积物,岩性为粉质黏土含少量砾石。鉴定阶段钻探揭示,坝基广泛分布第四系砂砾石层,最大厚度为7.0m。颗粒组成:砾石含量为39.3%,砂粒含量为60.1%,粉粒含量为0.6%。干密度为1.58g/cm3,渗透系数为3.4×10-2cm/s,相对密度为0.56。坝基基岩强风化层厚度为2～6m,局部裂隙发育。大坝左端发育一小断裂,右放水洞附近有一小断层。经压水试验,基岩透水率为2.4～20.6Lu,属弱、中等透水,压水试验结果见表1。1.2混凝土齿墙坝基渗流控制措施为沿坝轴线设黏土截渗槽,在下游坝脚设排水棱体。按设计要求,截渗槽底宽10m、边坡坡度为1∶3,深3.5～8m。在齿槽中部清除岩石风化层,挖一个宽0.5m、深0.5m的基槽,再沿其轴线浇筑90号素混凝土齿墙,平均高度为2m。大坝两端接头开挖台阶,左岸接合处坡缓,借天然山腰做1道宽3m、深5m的黏土截渗墙,高至坝顶以下10m。右岸山坡陡峻,沿放水洞构筑3道浆砌石截渗环,高度由5.74m(洞底)至24.38m,相邻截渗环间距15m,施工符合设计要求。1.3坝壳坝底排放勘探初步查明断面桩号为0+070、0+110、0+210的坝体填筑情况如下:(1)0+070断面。该断面位于右放水洞左,高程88.36m以上为加高部分,勘探揭示高程84.96m以上(加高部分及原心墙上部3.4m)心墙质量较差,土料为山皮土,渗透系数为5.2×10-3cm/s,不符合防渗体质量要求。下部心墙为粉质黏土,渗透系数为2.96×10-6～2.65×10-4cm/s。上游坝壳为山皮土,渗透系数为6.2×10-3cm/s,坝壳与护坡间无反滤层。下游坝壳高程63.25m以上为山皮土,坝壳与心墙之间无反滤层,下部为砾砂,渗透系数为2.7×10-2cm/s。(2)0+110断面。该断面位于最大坝高处,高程85.76m以上(加高部分及原心墙顶部2.6m)心墙质量较差,土料为山皮土,渗透系数为6.4×10-3cm/s,不符合防渗体质量要求。下部心墙为粉质黏土,渗透系数为1.01×10-7～2.01×10-4cm/s。上游坝壳为山皮土,局部含粉质黏土,渗透系数为1.3×10-2cm/s,坝壳与护坡之间无反滤层。下游坝壳上部为山皮土,下部为砾砂,渗透系数为3.5×10-2cm/s,坝壳与心墙之间无反滤层。(3)0+210断面。该断面位于大坝左端,高程88.36m以上心墙为加高部分,心墙加高部分及原心墙土料为粉质黏土,符合防渗体质量要求。上游坝壳主要为山皮土,渗透系数为4.8×10-3cm/s,坝壳与护坡之间无反滤层。下游坝壳上部为山皮土,下部为砾砂,渗透系数为3.2×10-2cm/s,坝壳与心墙之间无反滤层。2河流观测的计算2.1坝体轴线位置1981年在0+100、0+170两个断面埋设了8根坝体浸润线测压管,每个断面4根,坝轴距分别为-12、17、53、86m,前2根置于大坝心墙内,后2根置于下游坝壳中。对测压管水位、库水位等资料进行整理,考证观测数据的合理性,剔除差错数据,通过过程线、相关线及相关关系分析表明:坝体在运用条件下未出现明显异常渗流,但其未经受过高水位考验。2.2计算断面选取及心墙渗透系数计算结果采用二维有限元方法,使用南京水利科学研究院开发的UNSST2二维有限元渗流计算程序。选取0+110和0+070两个典型断面为计算断面。计算工况见表2。土层渗透系数按地质勘查建议值初选,计算中以0+100断面测压管水位反演0+070断面心墙渗透系数倍比,以0+170断面测压管水位反演0+110断面心墙渗透系数倍比。0+110断面渗透系数见表3。2.3维渗流特征参数计算计算结果与测压管资料对比,两者趋于接近,计算结果偏于安全,表明计算模型合理。有限元计算得出0+110和0+210两断面的渗流压力分布,并整理出二维渗流等势线分布图及断面渗流特征指标。以0+110断面为例,其渗流要素见表4。2.4坝体内部渗流按大坝渗流分析原理,从流网形态看:①大坝渗流计算等势线分布符合一般黏土心墙坝渗流规律,心墙消减了约80%的水头,防渗效果良好。②大坝防渗心墙顶高程不够,在校核洪水位下渗流直接从心墙顶部砾砂层穿过,危及大坝安全。③当库水位从正常水位81.96m升至校核洪水位87.03m时,心墙截渗槽承受的渗透坡降在2.99～3.44之间,规定值为4～5,表明其渗流是稳定的。排水棱体附近砂砾石层平均渗透坡降为0.12,允许坡降为0.16,可见坝基砂砾石层也不会发生渗透破坏。④从渗流量结算结果看,从正常水位81.96m到校核洪水位87.03m,渗流量在25.72～25.96L/(d·m)之间,也表明心墙防渗效果良好。3坝左端废弃卧管和管道渗流问题工程有关渗流问题的发展变化与评价:①左放水洞发电支洞裂缝处理情况尚好,但鉴定阶段检查发现,隧洞内壁出现多条裂缝,其中环向裂缝有30条,非贯穿性裂缝及渗漏点、面有39处,表明左放水洞衬砌已老化。②大坝左端废弃卧管出现异常渗漏,反映出接触防渗处理不足及封堵不彻底。鉴定阶段检查发现,自封堵面向下游15m范围内洞壁溶蚀,管身老化,漏水严重,底板有黏土淤积现象,反映出接触渗流问题仍然严重并有发展,原采取的导渗排水处理方法未解决其渗流安全问题。③右放水洞廊道内浆砌石溶蚀、漏水,多处出现射流和泥土流出,鉴定阶段检查结果反映出廊道与坝体间的接触渗透变形问题仍然存在。这是该大坝存在的严重渗流安全隐患之一。④1960年两坝端出现裂缝,反映出坝顶填筑质量差,土料和碾压均达不到要求,之后虽进行了裂缝处理,但本次勘探揭示出上部心墙土料不合格,渗透系数偏大,不符合防渗体基本要求,也起不到有效的防渗作用。4大坝渗流安全评价综合上述工程勘探、设计、施工、运行情况,以及测压管观测资料分析和渗流有限元计算分析可知:沐浴水库大坝下部心墙防渗效果良好,大坝渗漏量少,渗透稳定性满足要求。但大坝存在心墙防渗体顶高程不满足规范要求,