岩土工程

土坝加高堆石坝工程防渗安全性分析

  • 岑威钧 , 1 ,
  • 郑小雨 1 ,
  • 邓成发 2 ,
  • 曹艺凡 3
展开
  • 1 河海大学 水利水电学院,南京 210098
  • 2 浙江省水利河口研究院,杭州 310020
  • 3 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122

岑威钧(1977-),男,浙江慈溪人,教授,博士,博士生导师,主要从事工程渗流与土石坝抗震方面的研究。E-mail:

Copy editor: 黄玲

收稿日期: 2024-08-09

  修回日期: 2024-11-12

  网络出版日期: 2025-04-30

基金资助

浙江省水利厅科技计划项目(RB2214)

Seepage Safety of a Rockfill-based Earth Dam Heightening Project

  • CEN Wei-jun , 1 ,
  • ZHENG Xiao-yu 1 ,
  • DENG Cheng-fa 2 ,
  • CAO Yi-fan 3
Expand
  • 1 College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098, China
  • 2 Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China
  • 3 Huadong Engineering Corporation Limited, Power China, Hangzhou 311122, China

Received date: 2024-08-09

  Revised date: 2024-11-12

  Online published: 2025-04-30

摘要

老旧水库大坝加高工程的整体防渗安全性需要重点关注。以某在建水库加高工程为研究对象,采用有限元法对土坝加高堆石坝开展三维渗流场计算,获得特征水位下加高后大坝的等水头线分布、渗流量、渗透坡降等渗流要素,并分析新建防渗系统的渗控效果;进一步针对周边缝止水局部失效、防渗墙局部开裂问题,分析不同失效宽度对大坝渗流特性的影响。计算表明:正常运行条件下,在新防渗系统的作用下,坝体内渗流自由面很低,大坝总渗流量为22.05 L/s;坝体、坝基及防渗系统均不会渗透破坏。当周边缝止水出现局部失效后,流经坝体的渗流量增加明显,与止水失效宽度近似成正比,且相应部位特殊垫层的渗透坡降显著增大,存在颗粒局部迁移调整的可能。当防渗墙底部出现局部开裂时,局部渗漏对大坝部分等水头线分布影响很小,但坝基河床部位渗流量显著增加,且与裂缝宽度呈较好的正相关性。计算成果为土坝加高堆石坝工程的安全建设和渗流稳定提供了理论依据。

本文引用格式

岑威钧 , 郑小雨 , 邓成发 , 曹艺凡 . 土坝加高堆石坝工程防渗安全性分析[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(6) : 147 -153 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240843

Abstract

[Objective] A large number of aging earth and rockfill dams in China needs to be heightened due to seepage risks and insufficient flood control capacity. This study aims to reveal the seepage patterns of heightened dams, quantitatively evaluate the effectiveness of anti-seepage systems, and investigate the effects of two typical defects—waterstop failure at peripheral joints and cracking in cutoff walls—on seepage safety. [Methods] With a reservoir heightening project under construction as a case study, a three-dimensional finite element seepage model was established, incorporating the old dam, heightened concrete-faced rockfill dam, concrete cutoff wall, and curtain grouting system. Based on actual geological conditions and material permeability parameters, the seepage field distribution under four operating conditions—normal water level, dead water level, design flood level, and check flood level—was simulated. Defect-induced seepage was also simulated by setting different waterstop failure widths to analyze the sensitivity of these defects to seepage discharge, hydraulic head distribution, and seepage gradient. [Results] Under normal operation, the combined action of the new impermeable system effectively controlled seepage flow in the heightened dam. The free surface of seepage in the dam body remained low, with most areas in a drained state, while seepage flow primarily concentrated in the foundation; the total seepage discharge was 22.05 L/s. The hydraulic gradients of the face slab, cutoff wall, and curtain grouting were all below allowable thresholds, indicating that the anti-seepage system is reliable. When local waterstop failure occurred at the peripheral joint, reservoir water flew into the dam body through failure areas, forming a “bulging” saturation zone in the total hydraulic head contours. As the failure width increased, this zone expanded, reflecting local concentrated seepage. When local cracking occurred at the base of the cutoff wall, seepage discharge through the foundation riverbed increased markedly. As the cracking width increased, the riverbed seepage discharge rose correspondingly. However, this local leakage at the base of the cutoff wall had minimal impact on the hydraulic head distribution in the dam body and posed no threat to overall seepage safety. [Conclusion] The findings provide a theoretical basis for optimizing seepage control design in rockfill-based earth dam heightening project and offer important guidance for advancing scientific and precise anti-seepage design in old reservoir heightening projects in China.

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

根据2022年全国水利发展统计公报,截至2022年底,我国已建成且运行的各类水库95 296座,其中小型水库90 290座,占比94.7%[1]。小型水库的拦河坝基本采用土石坝,且相当多的工程修建于20世纪60—70年代。受当时经济条件和筑坝技术的限制,工程建设标准偏低,存在填筑质量差、坝体渗漏、防洪能力不达标等问题,加之大坝经历了数10 a的长时间服役,部分水库泥沙淤积严重,无法发挥正常运行效益。为了保障这部分水库大坝的正常运行,需对大坝进行加固或加高[2]。土石坝加高工程中,在老坝基础上进行坝后式加高堆石坝的型式最为常见,如浙江横山水库[3-4]、四川竹寿水库[5]等,均是在原黏土心墙坝之上加高扩建混凝土面板堆石坝。
目前对加高土石坝安全性相关的系统研究较为少见,深入分析土石坝加高工程在渗流、结构、稳定等方面的安全问题,对指导工程设计、施工和安全运行具有重要意义[6-7]。黄理军等[8]对某心墙坝加高前后的应力变形进行计算分析,得出加高后坝体正应力增大23%~28%,蓄水后不会发生水力破坏。张运花等[9]计算分析了黏土心墙石渣坝加高混凝土面板坝的应力和变形变化规律,论证了此类型大坝加高设计方案的可行性。曹艺凡等[10]采用三维有限元法对某土坝加高面板坝的施工过程进行模拟计算,比较分析不同施工方案下老坝中增设防渗墙的应力变形特性,优选出防渗墙施工时机。对于土石坝加高面板坝的防渗安全问题,主要是要论证新建的防渗系统在降低坝体浸润面、控制大坝渗流量等方面是否满足工程安全运行要求[11-12]。周润田等[13]采用有限元法对某土石坝除险加固后的渗流稳定性进行计算,论证了除险加固措施可以有效降低土石坝浸润线、渗透坡降和渗流量。颜猛等[14]采用三维有限元研究了某面板砂砾石坝工程在正常运行以及周边缝止水失效时三维渗流性态,得出正常运行下设计渗控措施能够有效阻断渗流,但周边缝止水失效时坝体渗流量急剧增加,面板后的垫层渗透坡降大幅增大。
本文以某在建加高土石坝为研究对象,采用有限元法对加高大坝开展三维渗流场数值模拟,获得不同运行水位下加高后大坝的等水头线分布、分区及总渗流量、渗透坡降等渗流要素,对新构建的大坝防渗系统进行渗控效果评价;进而对周边缝止水局部失效的不利影响进行预测,计算成果可为该类土石坝加高工程的设计、施工和安全评价提供理论支撑。

1 工程概况

浙江省内某小(1)型水库,原设计总库容116万m3,大坝正常水位223.95 m,以灌溉为主,结合防洪、发电、养殖等功能。原水库大坝设计为黏土心墙坝,坝顶高程226.2 m,最大坝高28.25 m。为了满足当地灌溉、防洪等功能需求,拟对拦河坝主坝进行加高,即在原土坝基础上加高扩建面板堆石坝,加高后的坝顶高程235.5 m,相应的上、下游坝坡坡比分别为1∶1.4和1∶1.5。水库加高后大坝正常蓄水位232.0 m,总库容扩大至209万m3
由于老坝修建于20世纪中期,受当时筑坝技术和施工条件的限制,坝体中部黏土心墙渗透性大,且存在多处集中渗漏通道,不满足大坝防渗要求(之前水库未正常蓄水),故本次加高设计时在老坝加高段内增设0.8 m厚的混凝土防渗墙,墙高27.6 m,基础嵌入基岩0.5 m,并对防渗墙以下基岩进行帷幕灌浆,深入相对不透水层(透水率q<5 Lu)以下5 m,以此重新构建老坝防渗系统。上部加高采用面板堆石坝,其趾板置于老坝坝顶清基后高程222.0 m基础上,并通过连接板与混凝土防渗墙连接。图1为老坝加高面板坝的典型断面示意图。
图1 大坝加高后典型断面示意图

Fig.1 Typical cross-section of dam after heightening

本次加高后的大坝新建防渗系统由防浪墙、混凝土面板、趾板、连接板、接缝止水、防渗墙及帷幕组成,各部分对大坝渗流安全均有不同程度的影响。由于加高部分坝体坐落在下部老坝基础上,受老坝填筑质量差等影响,蓄水后上部加高面板坝可能沿着新老坝体结合面向下游侧“滑移”,因此周边缝(面板与趾板之间的接缝)止水可能成为整个防渗系统的薄弱环节,需要重点关注[15]

2 大坝渗流计算模型与计算条件

2.1 计算模型

根据坝址区地形地质条件、库区平面布置图、大坝剖面图等资料,合理选取渗流计算域,并进行加高后水库大坝三维有限元建模。计算域边界取为:上游边界距坝轴线约840 m,下游边界距坝轴线约480 m,底部边界距坝顶240 m,左岸边界距大坝左岸延伸段(重力坝)坝肩约185 m,右岸边界距大坝右岸延伸段(面板坝)坝肩约100 m。大坝有限元网格剖分以8结点六面体单元为主,剖分后的大坝三维渗流场有限元计算网格见图2,其中结点数233 734个,单元数228 229个。
图2 大坝三维渗流场有限元计算网格

Fig.2 Finite element mesh of three-dimensional seepage field of dam

针对图2所示的加高坝工程建立三维有限元计算模型,模拟区域渗流场,对上、下游水位以下坝体、坝基及两岸山体表面施加已知水头边界,对下游水位以上坝体和山体表面设置为可能逸出边界。由于计算模型比较大,模型4个侧面和底面设置为不透水边界。

2.2 计算参数和计算工况

依据地勘资料、部分坝料室内试验成果以及参考类似工程,综合选取本工程计算域内各材料分区的渗透系数,见表1
表1 大坝各分区渗透系数

Table 1 Permeability coefficients of different dam zones


名称 渗透系数/
(cm·s-1)

名称 渗透系数/
(cm·s-1)
1 混凝土(面
板、趾板等)
1.00×10-7 7 含碎石黏土 1.00×10-4
8 混凝土防渗墙 1.00×10-7
2 垫层 1.00×10-3 9 基岩帷幕灌浆 5.00×10-5
3 过渡层 1.00×10-2 10 5 Lu等值线
以上岩体
3.00×10-4
4 上游堆石区 5.00×10-2
5 下游堆石区 1.00×10-1 11 5 Lu等值线
以下岩体
3.00×10-5
6 黏土 1.00×10-5
结合工程实际情况,拟定4组不同特征水位(正常蓄水位232.00 m、死水位212.00 m、设计洪水位233.51 m和校核洪水位233.77 m)下加高后水库大坝三维渗流场计算工况。进一步预测分析正常蓄水位下周边缝止水出现防渗失效时渗流场,分别假设周边缝局部止水失效宽度为2、4、8 cm。缺陷渗漏模拟方法可参阅相关文献[16-18],此处不再赘述。

3 正常条件下加高后大坝渗流场特性

本工程地形地质条件和大坝结构较为复杂,为此选取多个典型大坝横剖面和水平剖面绘制渗流场等水头线图,便于更好地分析本工程显著的三维渗流现象。限于篇幅,本文选择正常蓄水位下河床剖面(坝0+85.00)和水平剖面(高程187.00 m)处等水头线图进行展示分析,如图3所示。由图3可知:
图3 正常蓄水位下加高后大坝典型剖面等水头线分布

Fig.3 Distribution of hydraulic head contours of typical dam cross-section after heightening under normal water level

(1)加高后整个大坝(含坝基,下同)渗流场等水头线和渗流浸润面分布规律合理,等水头线的形态、走向和密集程度反映了相应区域材料的渗透特性和边界条件。等水头线在地层分界处出现一些偏折,合理反映了坝基分层的渗透特性。
(2)正常运行条件下,在混凝土面板、趾板、连接板、防渗墙以及坝基帷幕组成的防渗系统作用下,整个大坝渗流场的渗透水流得到有效控制,坝体内渗流自由面很低,坝体区域基本处于疏干区,渗透水流主要集中于坝基。等水头线在大坝面板、趾板、连接板、防渗墙以及坝基防渗帷幕处集中分布,在库周山体和库内底部分布较稀疏,渗透水流水头经防渗系统后被显著削减,自由面在面板与防渗墙后急剧下降,贴着面板下降到趾板、连接板和防渗墙,最后进入下方老坝内。
(3)正常运行条件下,随着上游水位上升(从死水位到校核洪水位),坝前水头增大,更多上游库水流入坝基,下游侧渗流自由面相应上升,等水头线和渗流自由面变化程度与水位变化幅度吻合。
当大坝防渗系统完好时,渗透水流水头会被显著削减,死水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位下,河床大坝典型剖面(坝0+85.00)处防渗墙后水头分别为202.82、207.37、207.51、207.53 m,相比库水位212.00、232.00、233.51、233.77 m分别削减9.18、24.63、26.00、26.24 m,防渗系统渗控效果显著。
将水库和大坝分为老坝加高坝体、右岸延伸段坝体、左岸混凝土坝坝体、河床、左岸和右岸6个区域,分别计算不同工况下各分区渗流量,累加后得到总渗流量,如表2所示。表3给出了各工况下加高后大坝各分区、帷幕及防渗墙的最大渗透坡降。
表2 不同特征水位下大坝及坝基渗流量

Table 2 Seepage discharge of dam and dam foundation under different characteristic water levels L/s

工况 不同分区渗流量 总渗
流量
老坝加
高坝体
右岸延
伸段
坝体
左岸
混凝土
坝坝体
河床 左岸 右岸
正常蓄水位 0.07 0.05 0.002 7.14 3.55 11.24 22.05
死水位 3.16 0.33 3.49
设计洪水位 0.08 0.07 0.002 7.57 4.53 12.34 24.59
校核洪水位 0.09 0.07 0.002 7.65 4.69 12.52 25.02
表3 不同特征水位下大坝各部位最大渗透坡降

Table 3 Maximum seepage gradient of different parts of dam under different characteristic water levels

工况 面板 垫层 过渡
堆石
黏土
心墙
老坝
坝壳
帷幕 防渗
正常蓄
水位
100.25 0.44 0.19 0.08 0.56 0.33 11.87 25.60
死水位 0.01 0.30 0.03 2.67 9.13
设计洪
水位
104.96 0.48 0.20 0.08 0.58 0.34 12.15 26.92
校核洪
水位
105.76 0.49 0.20 0.08 0.59 0.34 12.84 27.16
允许渗
透坡降
200.00 0.90 0.60 0.35 0.65 0.50 20.00 80.00
表2表3可知:
(1)正常运行条件下,在面板、趾板、连接板、防渗墙以及防渗帷幕组成的防渗体系作用下,整个大坝渗流场的渗透水流得到有效控制,流经坝体的渗流量很小,占总渗流量的比例<1%,渗流量基本集中于坝基(含河床及两岸绕渗)。设计方案下,正常蓄水位时,大坝总渗流量为22.05 L/s,其中流经老坝加高坝体、右岸延伸段坝体、左岸混凝土段坝体、河床、左岸和右岸的渗流量分别为0.07、0.05、0.002、7.14、3.55、11.24 L/s,分别约占总渗流量的0.32%、0.23%、0.01%、32.38%、16.10%、50.98%。坝基5 Lu等值线以上地层渗透系数较大,是渗流场中相对强透水地层,是坝基防渗的重点部位。现防渗设计方案中防渗帷幕可有效控制坝基渗流量,说明大坝防渗设计方案合理,防渗效果好。
(2)随着水位增加,大坝渗流量不断增大,渗流量与水位变化呈现较好的相关性。死水位、设计洪水位和校核洪水位下,大坝总渗流量分别为3.49、24.59、25.02 L/s。
(3)正常运行条件下,对坝体和坝基起防渗作用的混凝土面板、防渗墙和帷幕承担了较大的水头差,因此相应的渗透坡降较大,但均小于各自允许渗透坡降经验值,因此防渗体系不会发生渗透破坏。坝体绝大多数区域处于疏干区,各区域的渗透坡降较小,渗透水流经的老坝黏土心墙和坝壳料的渗透坡降亦较小,发生渗透破坏可能性小。

4 渗漏影响分析

4.1 加高坝周边缝止水局部失效时渗漏影响分析

本工程上部加高面板坝的混凝土面板通过趾板与下部老坝内增设的防渗墙形成连续的防渗系统。由于趾板坐落在老坝(土坝)上,在水压力的作用下上部加高坝有下滑趋势,此时周边缝可能成为整个加高大坝的防渗薄弱环节,为此专门研究面板周边缝局部止水失效对大坝渗流场特性的影响。结合大坝三维应力变形计算成果,分别假设不同的周边缝失效宽度2、4、8 cm,失效位置如图4所示,该部位为周边缝三向变形最大处(由三维应力变形计算得到)。
图4 大坝面板周边缝变形最大位置

Fig.4 Location of maximum deformation at peripheral joint of dam panel

图5为正常蓄水位下加高后大坝周边缝失效8 cm时典型剖面等水头线分布。由图5可见,当周边缝出现止水失效后,上游库水将通过周边缝失效处流入坝体,但对大坝等水头线整体分布影响不大。周边缝失效部位处总水头等值线存在突变,下游侧出现近似“鼓包”的浸润区域,且随着失效宽度的不断增加,“鼓包”区域逐渐增大,体现了局部的集中渗漏现象。
图5 周边缝局部失效宽度8 cm时典型剖面(坝0+85.00)等水头线分布

Fig.5 Distribution of hydraulic head contours at typical cross-section (dam 0+85.00) with 8 cm local failure width of peripheral joint

表4给出了周边缝止水局部失效下大坝和坝基(山体)各区的渗流量及总渗流量。随着失效宽度的增加,大坝总渗流量不断增大。当周边缝失效宽度分别为2、4、8 cm时,大坝总渗流量分别为25.00、26.40、27.81 L/s,其中流经老坝加高坝体的渗流量分别为2.38、3.36、4.34 L/s。当周边缝失效宽度为8 cm时,流经老坝加高坝体、右岸延伸段坝体、左岸混凝土段坝体、河床、左岸和右岸的渗流量约占总渗流量的15.60%、0.18%、0.01%、30.63%、12.66%、40.92%。其中,流经老坝加高坝体的渗流量明显增加,由0.07 L/s大幅增加至4.34 L/s,增加了61倍,可见周边缝局部失效对加高坝的渗流量影响很大。
表4 周边缝止水局部失效时坝体及坝基渗流量

Table 4 Seepage discharge of dam and dam foundation under local waterstop failure at peripheral joint

周边缝失
效宽度/
cm
不同分区渗流量/(L·s-1) 总渗
流量/
(L·s-1)
老坝加
高坝体
右岸延
伸段
坝体
左岸
混凝土
坝坝体
河床 左岸 右岸
2 2.38 0.05 0.002 7.74 3.54 11.29 25.00
4 3.36 0.05 0.002 8.13 3.53 11.33 26.40
8 4.34 0.05 0.002 8.52 3.52 11.38 27.81
此外,当周边缝止水出现局部失效后,上游库水将通过周边缝破损处流入坝体,破损处附近区域渗透坡降显著增大。当周边缝失效宽度8 cm时,面板、垫层、过渡层、堆石区、老坝、帷幕和防渗墙的渗透坡降分别为96.06、0.76、0.19、0.08、0.33、11.58和24.32,可见破损处特殊垫层渗透坡降增加明显,过渡料渗透坡降显著增加,存在颗粒局部迁移调整的可能,其余部分变化较小。因此确保止水完整有效,对大坝防渗安全很重要。

4.2 防渗墙局部开裂时渗漏影响分析

老坝内新增的防渗墙在其底部与两端嵌入基岩处会产生较大的拉应力。由于防渗墙墙体较为单薄,当出现拉应力集中时会产生平行于嵌入端的裂缝。图6为大坝三维应力变形计算得到的防渗墙拉应力峰值区,据此假设该区域防渗墙开裂宽度分别为2、4、8 cm,开展考虑防渗墙缺陷渗漏时的大坝三维渗流场计算。
图6 防渗墙拉应力峰值区

Fig.6 Peak tensile stress area of cutoff wall

图7为正常蓄水位下加高后大坝防渗墙局部开裂8 cm时典型剖面等水头线分布。表5给出了防渗墙不同开裂宽度时大坝和坝基各区渗流量及总渗流量。由图7可以看出,当防渗墙底部出现局部开裂后,更多上游库水将通过防渗墙裂缝处流入下游坝基,大坝部分等水头线分布整体变化不大。随着裂缝宽度的增加,大坝总渗流量不断增大,增加部分主要位于河床坝基。当防渗墙裂缝宽度为8 cm时,大坝总渗流量为30.22 L/s,其中流经老坝加高坝体、右岸延伸段坝体、左岸混凝土坝坝体、河床、左岸和右岸的渗流量分别为0.07、0.05、0.002、14.94、3.85、11.31 L/s,其中流经河床处的渗流量明显增加,由7.14 L/s增加至14.94 L/s,增幅109.24%。
图7 防渗墙局部开裂8 cm时典型剖面等水头线分布

Fig.7 Distribution of hydraulic head contours in typical cross-section with 8 cm local cracking in cutoff wall

表5 防渗墙局部开裂时坝体及坝基渗流量

Table 5 Seepage discharge of dam and dam foundation with local cracking in cutoff wall

防渗墙
开裂宽
度/cm
不同分区渗流量/(L·s-1) 总渗
流量/
(L·s-1)
老坝加
高坝体
右岸延
伸段
坝体
左岸
混凝土
坝坝体
河床 左岸 右岸
2 0.07 0.05 0.002 11.30 3.74 11.27 26.43
4 0.07 0.05 0.002 13.44 3.81 11.29 28.66
8 0.07 0.05 0.002 14.94 3.85 11.31 30.22

5 结论

(1)在混凝土面板、趾板、连接板、防渗墙以及坝基防渗帷幕的联合作用下,加高后整个大坝渗流场的渗透水流得到有效控制,坝体渗流自由面很低,坝体区域基本处于疏干区,渗透水流主要集中于坝基。死水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位下,防渗墙后水位相比库水位分别削减9.18、24.63、26.00、26.24 m,总渗流量分别为3.49、22.05、24.59、25.02 L/s。
(2)当周边缝出现局部止水失效时,上游库水将通过失效处流入坝体,在失效部位总水头等值线出现近似“鼓包”的浸润区域,且随着失效宽度的增加,“鼓包”区域逐渐增大,体现了局部集中渗漏现象。当周边缝失效宽度分别为2、4、8 cm时,大坝总渗流量分别为25.00、26.40、27.81 L/s,其中流经老坝加高坝体的渗流量分别为2.38、3.36、4.34 L/s,较止水完好时(0.07 L/s)增加较为显著。
(3)防渗墙底部出现局部开裂时,坝基河床部位渗流量显著增加。防渗墙裂缝宽度分别为2、4、8 cm时,流经河床处的渗流量由防渗墙完好时的7.14 L/s分别增加至11.30、13.44、14.94 L/s,但这种防渗墙底部的局部渗漏对坝体等水头线分布影响很小,基本不影响坝体的防渗安全性。
(4)正常运行条件下,混凝土面板、帷幕和防渗墙承担了较大的水头差,相应的渗透坡降较大,但均小于各自允许坡降经验值,防渗体系不会发生渗透破坏。但当周边缝止水出现局部失效或防渗墙局部开裂后,破损处附近区域坝体或坝基渗透坡降显著增大,有局部渗透破坏的可能。
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