坝基不控制渗漏量的土坝渗流设计特点（温明霞,徐志刚）

摘要：介绍了我援突尼斯水坝工程, 由于回灌地下水的需要, 建设坝基不防渗黏土心墙坝渗流计算的特点和所采取的工程措施。

关键词：坝基 土坝 渗流

中图分类号TV223.4 文献标识码B 文章编号1673- 4637( 2006) 05- 0027- 03

随着水资源的日趋紧张, 筑坝拦蓄洪水的要求越来越强烈。特别是在干旱地区及经济不发达地区, 利用较少的资金投入, 选用当地材料筑坝, 对透水坝基不做防渗处理, 将雨季的地表水拦蓄后入渗至下游, 通过一些配套工程, 可充分利用水资源。在透水地基上修建土坝, 以往的资料显示坝基渗流设计主要是控制渗漏量和保证渗透稳定。渗漏量的控制主要是通过采用水平防渗和垂直防渗以控制渗漏量在允许范围内; 渗透稳定主要是通过渗径长度及出口反滤层的设计满足坝基土的水力坡降来保证。完全意义上的针对回灌地下水做为主要功能的水库建设在国内据我们所知还没有, 而本文所阐述的突尼斯克比尔水库项目就是一座以回灌地下水为第一功能的水利工程建设项目。

1 工程概况

突尼斯克比尔水库是我国政府的一项对外经济援助项目。水库位于突尼斯加夫萨市上游约15 km 处, 靠近撒哈拉沙漠的边缘。坝址以上控制流域面积3 100 km2,其中2/3 是在阿尔及利亚境内, 水库总库容4 285 万m3,属中型水库。该地区常年干旱少雨, 年平均降雨量只有298 mm。地区经济也非常落后。

水库的主要功能是回灌地下水, 其次担负防洪、灌溉等多种功能, 工程实施后还可以抬高地下水位,减缓土地沙漠化, 调节地区气候。

水库大坝长1 998.08 m, 最大坝高21.5 m, 坝体为黏土心墙坝。其他主要建筑物还有溢洪道和输水管。建筑物的设计关键是坝基不做防渗处理, 在工程技术上需要保证坝体和坝基的安全。工程既节约了投资, 又满足了当地政府和人民的要求, 对增进中、突两国友好关系及突尼斯的政治、经济具有重要的意义。

2 工程地质条件

坝址区位于克比尔河谷, 主河床宽约800 m, 右岸为阶地。右岸阶地, 冲洪积层厚度大于18 m, 岩性为中细砂含黏性土, 渗透系数为10- 4 ~ 10- 3 cm/ s。

主河床近代冲积物厚度大于50 m, 地质结构上部为砂性土层, 下部含砾卵黄色黏土及红色黏土层。其中上部砂性土层, 厚度25 m 左右, 又可划分为2 大层: 地表以下11 m, 岩性为含少量卵砾细砂层, 不均匀系数为5.6 左右, 褐黄色, 结构松散; 其下为含砾中粗砂, 地层渗透系数为10- 3 ~ 10- 2 cm / s。下部含砾卵黄色黏土及红色黏土层, 厚度大于25 m。

3 断面设计

通过对料场的勘察, 坝址上游河谷分布有砂砾料和部分黏土料, 为了充分地利用当地材料, 并考虑尽量选用运距较短的料场, 坝型确定为黏土心墙坝。防渗体为黏土心墙, 心墙上游设厚2 ～3 m 的黏土内铺盖, 坝壳料为当地砂砾料, 心墙及铺盖与坝壳料间设反滤层, 坝后排水设施采用水平褥垫式排水和堆石棱体排水结合的排水方式。

4 渗流设计

4.1 渗流设计的前提

为了满足突方对水库回灌地下水的要求,克比尔水库大坝设计的原则是不控制坝基的渗漏量, 断面设计需满足坝体的抗滑稳定和坝基渗流稳定。

4.2 渗流设计理论

渗流运动的基本规律遵循达西定律, 它表明对均匀砂土中的恒定均匀渗流, 其水力坡度(单位流程的水头损失) 与渗流流速的一次方成正比。

工程中发生的渗流问题, 通常都是复杂的空间渗流。在运用水力学知识进行渗流分析时, 都将其转化为二向问题进行研究, 并且在研究中都要基于如下假定条件: ①渗流服从达西定律; ②不考虑土体和水的压缩性, 渗透时土体的孔隙尺寸不变; ③土体内水的饱和度不变。

渗流简化模型假设渗流区内的全部空间都被连续的水充满。因此, 渗流的连续性和其他水流的连续性是一样的, 两者有完全相同的连续方程。

基于以上的假定条件, 一般情况下的二向稳定地下水运动, 可以用下列微分方程式来描述:

在进行渗流分析时通常认为土是均质各向同性的,渗透系数% 是个常数, 这样侧压管水头h 就是x、y 的函数, 上式就可以得到描述稳定渗流场的微分方程,即拉普拉斯方程:

在满足边界条件下求解以上微分方程, 就可以得到渗流的坡降、水头以及渗流量等要素。

以下采用的分析方法是根据模型边界条件, 用水力学的方法推导微分方程得出的方程组进行计算, 来求解各个变量, 并进行渗流分析。

4.3 渗流模型的建立

将拟定的河床和台地坝体最大断面作为典型断面,简化成模型, 见图1、图2。

4.4 渗流计算和渗流稳定分析

渗流计算的目的是确定通过坝身及地基的渗漏量;坝身浸润线的位置; 渗流动水压力或水力坡降的大小。

坝基渗流稳定选取2 个典型断面进行计算: 河床最大断面及台地上断面。计算工况为:

校核洪水位429.64 m, 坝后水位最大断面处409.10 m、台地断面处418.10 m。

设计洪水位428.63 m, 坝后水位最大断面处409.10 m、台地断面处418.10 m。

正常高水位426.30 m, 坝后水位最大断面处409.10 m、台地断面处418.10 m。计算方法参照《水工设计手册》3—“有限深透水地基上有铺盖的土坝渗流”。

通过坝体及地基的单宽渗流量q 及墙后渗流水深h2 由下列方程组求得。

式中: q 为通过坝体及地基的单宽渗流量, m2 / s; k0为地基土料的渗透系数, m/ s; k1 为心墙、铺盖土料的渗透系数, m/ s; k2 为坝壳砂砾料的渗透系数, m/ s;h2 为墙后渗流水深, m; H1 为上游水位, m; H2 为下游水位, m; T 为地基相对可渗透土层厚度, m; "0 为上游水位对应的心墙上部宽度, m; "1 为心墙底部宽度, m; L 为墙后到排水体前端的距离, m; L1 为墙后到下游自由水面前端的距离, m; Les 为铺盖和截水墙的总等效长度, m, 可根据《水工计算手册3 结构计算》中提供方法求出。

墙后坝体浸润线由下式确定:

计算得出结果见表1。

计算成果分析: 经计算克比尔水坝无黏性土料属流土型, Cu < 5, 按照规范《水利水电工程工程地质勘察规范