0.   引言

北疆干旱地区某平原水库位于天山北缘山前冲洪积下部细土平原区。水库经四面筑坝围成，主要构筑物包括大坝、放水(兼放空)涵洞、入库建筑物等，总库容2.81亿m³，属大(2)型水库。自工程投入运行以来，有力支撑了北疆地区的工、农业用水。然而，受不良地质和恶劣环境影响，水库运行存在风险隐患。影响因素主要体现在：大坝基础为深覆盖层软基，主要为第四系全新统洪积低液限粉土和低液限黏土，局部夹薄层的透镜体粉细砂层；库区地处新疆内陆干旱地区，蒸发量大，地下水含盐量高，对普通水泥具有结晶类硫酸盐强侵蚀性；地区冬季气温极低，极端最低气温可达-40℃。软基蠕变、反复冻融、盐害等问题长期威胁着水库运行安全。

渗流破坏是水库大坝的主要破坏形式之一，也是最值得关注的破坏类型^[1-4]。平原水库一旦发生渗流破坏，后果不堪设想。目前来看，库水位变化、坝体反复冻融等原因对坝体内渗流性状产生影响。鉴于此，有必要根据工程地质勘察、渗流监测、安全检测等资料，结合渗流计算对大坝渗流进行安全评价，进一步掌握坝体渗流规律，指导运管实际工作。

1.   渗流监测与分析

为解决坝体渗流排水问题，本工程在坝后设置了排水系统，包括纵向和横向排水。纵向排水设置成明沟排水，在距下游坝坡脚66~88 m，环绕中坝、东坝、西坝平行坝轴线布置，总长10.5 km。横向排水垂直坝轴线设置，即每70 m设一道，其余坝段每100 m一道，环绕中坝、东坝、西坝垂直坝轴线布置，横向排水首端接下游坝坡脚的排水棱体，末端接纵向排水沟。沟底铺设40 cm反滤料及20 cm砂砾料。

根据前期工作安排，此水库渗流监测项目包括：渗透压力观测(自动化安全监测项目)、坝体渗透水位观测、围坝下游地下水位、坝后排水沟渗流观测。

1.1   渗流观测布设情况

(1) 坝基、坝体观测仪器布设

大坝共布设11个观测断面，共计125只GKD型钢弦式孔隙水压力计，布设情况如图 1所示。其中，东坝设2个观测断面，西坝设一个观测断面，上述3个断面的仪器主要用来观测东、西副坝坝体及坝基软弱夹层处孔隙水压力消散情况；中坝两个圆弧段各设一个观测断面，这两个断面的仪器主要用来观测圆弧坝段坝基坝体的渗流状态；在涵洞两侧各设3个观测断面，主要用来观测涵洞两侧坝基、坝体的渗流情况。上述断面除东坝5只孔隙水压力计外，其他10个断面各布置12只孔隙水压力计。

图  1  监测仪器布置图

Figure  1.  Layout of monitoring instruments

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(2) 涵洞观测仪器布设

涵洞沿线渗透压力观测，是在沿涵洞轴线的重点结构缝布设观测断面，以监测沿涵洞轴线的渗流情况。沿涵洞轴线共设置6个观测断面，每个断面布置6只孔隙水压力计(涵洞上、下、左、右、左上角、右上角各布置一只)。共计36只孔隙水压力计。目前实现自动化监测，每日进行两次监测。

1.2   渗流监测结果分析

(1) 坝体渗流情况

2014年至2021年监测结果如图 2所示。从图 2中可以看出，坝体各断面渗流基本稳定，随着库水位的变化而变化，与库水位呈正相关，变化有一定的滞后时间。靠近上游的渗压计水头滞后时间为5~10 d，而靠近坝轴线的渗压计滞后时间较长，为10~30 d。但都是随着库水位变化，符合坝体渗流规律。埋设在竖向排水棱体下游干燥区的渗压计，水头在一个很小固定范围内上下波动，说明坝体内排水体通畅。此外，靠近上游的测压管水位随库水位变化，并有一定的滞后时间，滞后时间约半个月左右；而坝轴线附近和下游测压管水位基本稳定。

图  2  坝体渗流监测结果

Figure  2.  Monitoring results of seepage of dam body

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(2) 坝后地下水位监测结果

坝后地下水位情况如图 3所示。水库运行16 a，中坝2+000断面坝后地下水测井水位已经趋于稳定，水位变化主要受水库蓄水影响。整体看离水库最近的地下水测井水位最高，离水库越远，地下水位越低，说明坝后地下渗流已经趋于稳定。

图  3  坝后地下水位监测结果

Figure  3.  Monitoring results of groundwater level behind dam

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(3) 坝后渗流

坝后渗流监测结果如图 4所示。坝后渗流与库水位关系密切，水库高水位运行时，坝后渗流值相应较大，水库低水位运行时，坝后渗流值相应较小。且库水位稳定时，坝后渗流测值稳定，说明坝后渗流场基本稳定。

图  4  坝后渗流监测结果

Figure  4.  Monitoring results of seepage flow behind dam

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2.   渗流计算复核

进一步地，复核坝体浸润线及其下游逸出点的位置，分析坝体渗流稳定、复核坝体与地基渗流量、坝坡出逸点的渗透比降，判断该处的渗透稳定性。

(1) 计算内容

根据《碾压式土石坝设计规范：SL274—2001》关于大坝浸润线、等势线、等压线及坝体、坝基渗透比降及渗流量的计算要求，本次综合水库近年运行表现及最新地勘成果，计算断面的选择应有一定代表性，同时处于较危险位置，遵循上述原则，选取典型断面进行此次渗流计算分析。大坝横断面如图 5所示。

图  5  大坝横断面示意图

Figure  5.  Schematic section of dam

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(2) 计算参数

水库大坝筑坝土颗粒级配情况及土料物理力学试验成果见表 1、表 2^[5]。采用北京理正软件设计研究院开发的《渗流分析软件》计算。根据试验成果，结合经验类比，工程土层物理力学指标采用地质建议值，坝壳料、坝基渗透系数采用地质试验值，根据《水库竣工验收报告》中排水体相关系数给出建议值，渗透系数及允许渗透比降详见表 3，4。

表  1  筑坝土颗粒级配表

Table  1.  Grading table of dam soil

料场	粒组含量/%			取样深度 /m	岩性名称	备注
	> 0.075 mm	0.075~0.005 mm	< 0.005 mm
A 土料场	20.5	61.8	17.7	1~5	CL	试验组数N=60

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表  2  筑坝土料物理力学试验成果

Table  2.  Physical and mechanical test results of dam-building soil materials

位置	取样 深度/m	天然状态下		土粒相对质量密度	液限/%	塑限/%	塑性指数	组数
		含水率/%	干密度 /(g·cm-3)
A料场	1.0~5.0	9.9	1.45	2.72	24.4	13.9	10.5	156

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表  3  工程土层物理力学指标地质建议值

Table  3.  Recommended geological values of physical and mechanical indexes of engineering soil layers

部位	土体	土体厚度/m	渗透系数/(cm·s-1)	允许渗透比降
坝体及截水槽	低液限黏土	—	4.5×10-6	0.9
坝基	低液限黏土及低液限粉土	28	6.7×10-6	0.45
排水体	砂砾石	2.5	2.0×10-3	0.1

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表  4  典型断面渗透系数

Table  4.  Seepage coefficients of typical cross-sections

部位	材料	渗透系数
		K/(cm·s-1)
东坝	坝体及截水槽	4.5×10-6
	排水体	2.0×10-3
	坝基	6.7×10-6
中坝	坝体及截水槽	4.5×10-6
	排水体	2.0×10-3
	坝基	6.7×10-6
西坝	坝体及截水槽	4.5×10-6
	排水体	2.0×10-3
	坝基	6.7×10-6

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(3) 计算结果

坝体断面中坝、东坝和西坝处渗流量和出逸点渗透比降见表 5，坝体的浸润线、水头等势线和水压力分布见图 6。从计算结果看：坝体下游坝坡坡脚排水体最大破坏比降为0.07，小于允许的破坏比降0.1；坝基最大破坏比降为0.11，小于允许的破坏比降0.45；出逸点渗透比降均小于允许渗透比降，即大坝坝体不会发生渗透破坏。坝基渗透比降也均小于坝基允许比降，即坝基不会发生渗透破坏。

表  5  渗流计算结果

Table  5.  Calculated results of seepage

计算内容	中坝	东坝	西坝
单位渗流量/(m3·s-1·m-1)	1.4×10-6	8.22×10-7	7.64×10-7
坝体下游出逸点比降	0.07	0.04	0.05
排水体允许比降	0.1	0.1	0.1
坝基出逸点比降	0.08	0.08	0.11
坝基允许比降	0.45	0.45	0.45

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图  6  典型断面渗流有限元计算结果

Figure  6.  Results of finite element calculation of seepage of typical sections

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根据水库监测资料，2018年水库渗流量为23.90~39.35 m³/h，大坝2018年年渗流量为20.9万m³~34.5万m³。经本次渗流计算，计算结果显示大坝年渗流总量为52.22万m³，占总库容的0.19%，水库渗流量较小，大坝渗流稳定、正常。根据渗流安全计算结果，结合国内外类似工程建设经验，可以初步判断坝体发生渗透破坏的可能性较小。

3.   结论

本文围绕新疆北疆平原水库长期运行安全问题，在渗流监测资料基础上，通过渗流计算复核，论证了该工程的渗流情况，主要得到以下4点结论。

(1) 水库大坝为均质土坝，采用坝体防渗，坝体内设置竖式排水体，底部用水平排水体将渗水引出坝外，坝下游设置纵、横向排水沟。从工程实体的检测结果和实际渗流量来看，水库大坝工程质量良好，防渗系统和反滤排水设施较完善，质量良好。

(2) 根据水库渗流监测资料，所有坝体上游侧的渗压计监测得出，坝体各断面渗流基本稳定，随着库水位的变化而变化，与库水位成正相关，变化有一定的滞后时间，基本符合坝体内部渗流水头逐渐减小的趋势，坝体排水通畅。

(3) 大坝防渗土料以低液限粉土为主，土料具有对水分较敏感特性，运行期间应加强对大坝内部和外部的观测、监视，分析监测数据，为水库大坝正常运行提供可靠依据。

(4) 大坝渗流压力变化规律基本正常，渗流量较小，浸润线出逸点基本与设计相符，坝体防渗土料满足设计和规范要求。