考虑岩体裂隙作用的坝基渗流计算

考虑岩体裂隙作用的坝基渗流计算

彭海波欧阳显良

1广东省水利水电科学研究院；2广东省水动力学应用研究重点实验室广东广州510610

摘要：珠海市青年水库大坝右侧建于低山包上，原山体筑坝时未进行灌浆处理，建库后从山体裂隙内常年有较大量渗流溢出，影响水库蓄水。为有效评价大坝渗流安全情况，利用地下水模拟仿真软件Petrasim对坝基存在的裂隙渗流进行三维数值模拟。数值模拟时利用常规地勘资料和实测渗流量数据，结合工程研究经验，反演出模拟计算的裂隙宽度和非线性流下的渗流系数。后利用调整好的模型对设计工况水位下坝基渗流进行计算，表明岩石裂隙渗流产生的出逸渗透坡降远大于规范值，对坝坡冲刷作用明显，坝基急需进行帷幕灌浆，封堵裂隙渗水。

关键词：裂隙渗流；Petrasim；坝基；渗透比降

1、引言

进行坝基（包括坝肩）渗流分析是大坝工程设计和研究的重要内容之一，渗流分析成果也是进行大坝工程设计的重要依据。由于大坝大多数位于基岩地区，坝基岩体的渗流特性主要由其中的裂隙分布所决定。目前岩体坝基渗流分析大多采用平均化的连续介质渗流理论。实际上，岩体坝基渗流分析应根据岩体裂隙分布的特点等因素，而采用不同的分析方法。

PetraSim是用于TOUGH2模拟程序家族的图形化界面。TOUGH2及其衍生程序由LawrenceBerkeleyNationalLaboratory研发，因其在孔隙和裂隙介质中多相流和热运移的强大模拟能力而被认可，包括挥发性有机化合物的多组分混合物（TMVOC）模块。TOUGH2已被用于包括环境修复和山地下水流在内的多相、多组分问题。

图1Petrasim工作界面

对裂隙分布特别密集的岩体，由于表征单元体（其中包括许多裂隙）与所研究的岩体区域来说足够小，就可以认为岩体是由这些表征单元体组成的等效连续介质，从而采用等效连续介质的渗透系数张量理论来进行渗流分析。对裂隙分析特别稀疏的岩体，就必须研究渗流沿岩体裂隙网络中的流动，从而采用非连续介质的裂隙网络渗流原理来进行渗流分析。当然，采用何种分析方法还受到计算精度要求等其它因素的影响。本文利用Petrasim对裂隙稀疏分布的岩体坝基采用裂隙网络渗流原理进行渗流分析，以说明裂隙岩体坝基设置灌浆帷幕和排水孔的定量作用。

2.岩体裂隙网络渗流分析原理

岩体裂隙网络渗流原理认为，相对裂隙而言，岩块不透水；因而渗透水流只在岩体的裂隙网络中流动。以裂隙网络中的每个结点（裂隙交叉点）处的水量平衡为依据，可建立如下的方程组：

（A·T1·AT）H+Q=0

式中，H和Q分别为结点水头向量和源（汇）项向量；A为裂隙网络的衔接矩阵；T1为表示各裂隙渗透特性的对角矩阵。通过求解，可以求得内结点和第二类边界点上的水头值以及第一类边界点上的渗流量。

3.计算实例

青年水库位于珠海市香洲区前山街道界冲村的里界冲山谷中，集雨面积3.57km2，是一宗以防洪、供水为主的小（1）型水库。该水库始建于1956年10月，1958年11月建成。当时兴建的目的是为农田灌溉应用。自珠海建市以后，水库职能相应转变，转化为工业生产、居民生活供水之库。水库下游为界冲工业区和界冲居民区，有G105通过，西侧即是中山市坦洲镇的古鹤水库。

青年水库主要功能是调洪和供水，主要建筑物由均质土坝、溢洪道及输水涵管等部分组成。大坝坝顶高程25.31m，防浪墙顶高程25.64m，坝长200m，坝顶宽5m，最大坝高17.00m。大坝轴线基本沿正北方向，与右侧岸坡相交后，对接触部位的低矮岸坡（实为低矮山包）进行了加高培厚，因此右侧大坝（右侧坝轴线转弯坝体）是长约63m的山体坝。上游坝坡坡度为1：3，原均为干砌石护坡，后自坝顶至16.10m高程之间用水泥砂浆勾缝，因此现状上游坝坡16.10m以上已改建为浆砌石护坡，16.10m之下仍为干砌石护坡；下游坝坡在18.02m高程处设置1.5m宽的戗台一道，戗台以上坝坡坡度为1：2.4，以下为1：2.6，坝脚设有贴坡排水，坡度为1：2，顶部高程14.01m。

根据地勘资料显示，在坝基结合处，发现含有树木草根。地勘成果还显示坡积土层的部分接触层面存在清基不彻底的松散土体，且该土层的粉砂量较大，土体吸水饱和及经扰动后影响水体流向的均匀性，所取土样显示该层面的渗透系数较小，处于中等透水与微透水层之间。现场注水试验值较大，说明填土与坝基山坡土交汇处存在局部松软层面，由于筑坝时局部清基不彻底造成的。

坝基基础岩层为花岗岩，其中顶部的全风化花岗岩厚度约1.3~5.0m，褐黄色居多，岩芯呈碎块状，裂隙清晰，节理发育，破碎，但空隙为充填物填满，为弱透水性，地勘钻进过程中未发现明显的断层等不良地质现象。

由于筑坝时未对坝基河床处的冲积层采取有效防渗措施，且存在坝基清基不彻底等问题，建成后坝基存在一定渗透问题。1996年~1998年进行达标加固时，对坝体进行了培厚加宽和坝体（基）灌浆处理。坝体培厚加宽主要在下游坝坡进行，施工时均按照规范要求对腐殖土和坝体表层进行了清理，清理工作进行得较为彻底。灌浆时钻孔钻至全风化花岗岩层之下，完全钻穿河床位置处的冲积土层，且在河床位置处和右侧山体坝处布置有双排孔。坝基经过灌浆后，已运行超过15年，据水库管理人员介绍，在原河床位置处未发现渗漏现象。目前右坝端常年存在少量渗漏现象，由于渗水清澈，且低水位时渗流仍不止，可推断为山体裂隙地下水出露所致。

对右侧存在裂隙山水渗漏的坝体进行渗透稳定计算，计算断面如图2所示。

4、结论

（1）Petrasim软件能够较好的进行坝基裂隙渗流稳定计算。

（2）青年岩石裂隙渗流产生的出逸渗透坡降远大于规范值，对坝坡冲刷作用明显，坝基急需进行帷幕灌浆，封堵裂隙渗水。