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肖克尔水库大坝渗流安全评价

文档作者：徐继红文档来源：新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局			点击数：
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２０１５ 年第２ 期
２０１５ Ｎｕｍｂｅｒ ２
水电与新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
总第１２８ 期
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１２８
ＤＯＩ： １０．１３６２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１５．０２．０２２
收稿日期：２０１４ －１１ －０６ 作者简介：徐继红，女，技术员，主要从事水利工程建设管理工作。
肖克尔水库大坝渗流安全评价
徐继红
（新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆库尔勒　８４１０００）
摘要：根据肖克尔水库的实际情况，通过渗流有限元计算分析，全面评价了水库大坝的渗流状况。结果表明：大坝坝基
由低液限粉土、粉土质砂组成，坝基渗透较严重；坝基清除不彻底，坝体与坝基间接触渗漏；在水库正常蓄水位时，０ ＋１００
坝段、０ ＋６００ 坝段下游坝坡出逸段及下游坝基水力坡降大于允许坡降，坝体坝基有发生渗透破坏的可能。大坝渗流安
全评价为Ｃ 级，建议采取相应加固处理措施，并完善渗流监测设施。
关键词：渗流；安全评价；有限元法；肖克尔水库
中图分类号：ＴＶ２２３．４　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１６７１ －３３５４（２０１５）０２ －００７０ －０３
Seepage Safety Evaluation of Xiao’Ke’er Dam
ＸＵ Ｊｉｈｏｎｇ
（Ｘｉ’ｎｉ’ｅｒ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｔａｒｉｍ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ， Ｋｏｒｌａ ８４１０００， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ Ｘｉａｏｋｅｅｒ Ｄａｍ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
ｓｅｅｐａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｓ ｒａｔｈｅｒ ｓｅｒｉｏｕｓ， ａｓ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ
ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ｌｏｗ ｌｉｑｕｉｄ ｌｉｍｉｔ ｓｉｌｔ ａｎｄ ｓｉｌｔｙ ｓａｎｄ．Ｌｅａｋａｇｅ ｍａｙ ｏｃｃｕｒ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｄｕｅ ｔｏ ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ ｃｌｅａｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｉｓ ｉｎ ｉｔｓ ｎｏｒｍａｌ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ， ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｉｔ ｇｒａｄｉｅｎｔｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｄａｍ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｎ ０ ＋１００ ａｎｄ ０ ＋６００ ｄａｍ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｐｅｒｍｉｓｓｉｖｅ
ｇｒａｄｉｅｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍａｙ ｏｃｃｕｒ ｉｎ ｔｈｅｓｅ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ．Ｏｖｅｒａｌｌ ｓｅｅｐａｇｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｉｓ ｄｅｆｉｎｅｄ
ａｓ ｌｅｖｅｌ Ｃ．Ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ａｎｄ ｓｅｅｐａｇｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．
Key words： ｓｅｅｐａｇｅ ｆｌｏｗ； ｓａｆｅｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ； Ｘｉａｏ’Ｋｅ’ｅｒ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ
　　肖克尔水库位于新疆轮台县西南，是一座引水注
入式平原水库，总库容２４５ 万ｍ３ ，主要调节肖克尔农
场０．３ 万ｈｍ２ 耕地的灌溉要求。
根据枟水利水电工程等级划分及洪水标准枠
（ＳＬ２５２ －２０００），肖克尔水库属小（１）型水库，水库主
要建筑物由均质土坝、进水闸、放水闸、引水渠与放水
渠组成。
水库大坝为１９７８ 年修建的“三边”工程，经过３０
多年的运行，大坝渗流存在很多问题：
坝体渗漏问题明显。建库时由于没有进行地质勘
探，只根据地形的趋势选择坝址，坝基为低液限粘土、
粉土质砂组成，渗透系数较大；坝体填筑时没有严格的
质量控制，坝体整体的密实度不够，加之坝体填筑都是
在坝后推土筑坝，造成水库的渗漏严重。
大坝没有安装必要的安全监测设备，这对水库的
安全管理十分不利，也给本次渗流稳定计算带来一些
困难。
综上所述，本次渗流稳定计算根据坝体土力学试
验结果和断面测量资料以及所受水头情况，对所选断
面坝体渗流稳定进行定量分析计算，对局部坝体渗流
破坏现象进行定性分析。
１　渗流计算
1．1　计算过程
１）计算方法。采用北京理正软件设计研究院（理
７０
徐继红：肖克尔水库大坝渗流安全评价２０１５ 年２ 月
正岩土计算程序）渗流分析计算程序，该程序用有限
元分析法求解渗流场的拉普拉斯方程：
Kx 抄２ H
抄X２ ＋Ky 抄２ H
抄Y２ （１）
式中：H ＝Y ＋P
γ为渗流场的水头函数；P 为水压力；
Kx 、Ky 分别为x、y 方向的渗透系数。
２）计算断面的选择。肖克尔水库坝基地层岩性
上部主要为低液限粘土，下部为粉土质砂层，属中等透
水层。坝体施工质量差，且未做防渗处理，造成部分坝
后坡渗水严重，根据现状调查情况可知，水库在０ ＋
１００、０ ＋６００ 两处断面坝后均有较严重的渗水现象。
以上两处坝段在水库运行过程中属于危险部位，因此
选取这两个断面进行渗流分析计算。
３）计算工况。根据大坝运行情况，渗流计算工况
为：上游正常蓄水位与下游相应的最低水位，其中，上
游库水位９５６．７ ｍ；下游水位９５４．３ ～９５４．８ ｍ。
４）计算参数选择。计算采用坝体材料参数由室
内试验确定，见表１。
表1　渗流计算物理力学指标
桩号取土位置土层厚度／ｍ ρ／（ｇ· ｃｍ－３ ） ρｓａｔ ／（ｇ· ｃｍ－３） C ／ＫＰａ Φ／（°） K ／（ｃｍ· ｓ－１ ） 土名
０ ＋１００ 坝体３．８ １．７２ １．８８ ５．８ ２３ ２．３ ×１０－４ 低液限粉土坝基２ １．９ １．９６ １８ ２７ ２．７８ ×１０ －５ 低液限粘土 ＞５ １．８７ １．９５ ２．５ ３１ ２．７ ×１０－３ 粉土质砂０ ＋６００ 坝体１．５ １．９２ １．９７ ２ ３２ ３．１ ×１０－２ 砾石混合土２ １．８９ １．９５ １８ ２６．５ ２．９ ×１０－５ 低液限粘土 坝基１．３ １．９ １．９６ １８ ２７ ２．７８ ×１０ －５ 低液限粘土 ＞５ １．８５ １．９５ ２．５ ３１ ２．７ ×１０－３ 粉土质砂1．2　计算成果
１）坝体坝基渗流量计算。坝体坝基渗流量通过
单宽渗流量、大坝长度及水库蓄水调度方案等因素确
定，计算结果见表２。
表2　坝体、坝基渗漏量计算
桩号
单宽渗流量
q ／（ｍ３ · ｄ－１ ）
坝体长度
／ｍ
日渗漏量
／ｍ３ 蓄水时间
／ｄ
渗漏量
／万ｍ３
０ ＋１００ ０．１９ ４９０ ９３ １２０ １．１２ ０ ＋６００ ０．２３ ９１０ ２０９ １２０ ２．５１ 　　根据水库实际蓄放水情况、不同地层岩性和坝高
分段计算水库的渗漏量。由表２ 可知，水库在每年的
蓄水期间（按４ 个月计），水库总渗流量为Q ＝q平均· t
＝３．６３ 万ｍ３ 。
２）大坝下游出逸比降的计算。坝坡出逸段和下
游坝基表面在正常蓄水位情况下的最大出逸比降可通
过计算确定。计算成果见表３。
表3　坝体坝基出逸比降计算成果
坝体桩号出逸比降J
０ ＋１００ 坝后出逸段０．３５
下游坝基０．４０
０ ＋６００ 坝后出逸段１．２０
下游坝基０．８３
２　渗透稳定计算
2．1　土的渗透变形计算
根据坝体、坝基所揭露的土层，现以细颗粒含量
Pc 值分析判断渗透变形类型是管涌型还是流土型，判
别式如下：
Ａ．流土：Pc≥ １
４（１ －n） ×１００％
Ｂ．管涌：Pc ＜ １
４（１ －n） ×１００％
式中：Pc 为土的细粒颗粒含量，以质量百分率计；n 为
土的孔隙率。
７１
水电与新能源２０１５ 年第２ 期
１）坝体、坝基低液限粘土的渗透稳定性。
Ａ．低液限粘土渗透变形形式的判别
低液限粘土不均匀系数Cu ＝d６０
d１０ ＝２０．１。按Pc 与
１
４（１ －n）的关系来确定渗透破坏类型。
其中，Pc 为土的细颗粒含量，以质量百分率计，％；df ＝
d７０ d１０ ；d７０为小于该粒径的含量占总土重７０％的颗
粒粒径，ｍｍ，取０．０３５ ｍｍ；d１０ 为小于该粒径的含量占
总土重１０％的颗粒粒径，ｍｍ，取０．００２ ３５１ ｍｍ；n 为土
的孔隙率，％，取４７．８％。
据颗粒分析结果，该土层属连续级配土，df ＝
０．００９ １ ｍｍ，该土层Pc 值为３０．１％。经计算，该土层
１
４（１ －n） ×１００％ ＝４７．５％，Pc ＜ １
４（１ －n） ×１００％，低
液限粘土的渗透破坏类型为管涌。
Ｂ．低液限粘土的临界水力比降及允许水力比降
的确定
根据土样实测物理指标，计算坝基土临界水力比
降Jｃｒ值如下：
Jｃｒ ＝２．２（Gs －１）（１ －n）２ d５
d２０ （２）
式中：Jｃｒ为临界水力比降；Gs 为土的颗粒密度与水的
密度之比，取２．７４；n 为土的孔隙率，％，取４７．８％；d５
为占总土重的５％的土粒粒径，ｍｍ，取０．００１ ８ ｍｍ；d２０
为占总土重的２０％的土粒粒径，ｍｍ，取０．００４ ８ ｍｍ；
计算得Jｃｒ ＝０．３９。
按枟水利水电工程地质勘察规范枠（ＧＢ５０２８７ －
９９）附录Ｍ 第Ｍ．０．４ 规定对无粘性土可采用下述公
式计算J允＝Jｃｒ ／m，m 为安全系数，取２．０。
通过上述公式计算得出坝基土J允＝０．２０。
２）坝基粉土质砂渗透稳定性。
Ａ．粉土质砂渗透变形形式的判别
粉土质砂不均匀系数Cu ＝d６０
d１０ ＝２．９。按Pc 与
１
４（１ －n）的关系来确定渗透破坏类型。
其中，Pc 为土的细颗粒含量，以质量百分率计，％；df ＝
d７０ d１０ ；d７０为小于该粒径的含量占总土重７０％的颗
粒粒径，ｍｍ，取０．１７ ｍｍ；d１０ 为小于该粒径的含量占总
土重１０％的颗粒粒径，ｍｍ，取０．０５ ｍｍ；n 为土的孔隙
率，％，取４３．０％。
据颗粒分析结果，该土层属连续级配的土，df ＝
０．０９２ ｍｍ，该土层平均Pc 值为４２．０％。经计算，该土
层１
４（１ －n） ×１００％ ＝４４．０％，Pc ＜ １
４（１ －n） ×１００％，
渗透破坏类型为管涌。
Ｂ．含细粒土砂的临界水力比降及允许水力比降
的确定
根据土样实测物理指标，计算坝基土临界水力比
降Jｃｒ值见式（２）。
计算得Jｃｒ ＝０．３２，按枟水利水电工程地质勘察规
范枠（ＧＢ５０２８７ －９９）附录Ｍ 第Ｍ．０．４ 规定对无粘性土
可采用下述公式计算J允＝Jｃｒ ／m，m 为安全系数，取
２．０。
通过上述公式计算得出坝基土J允＝０．１６。
2．2　土的渗透稳定判别
根据坝体坝基计算的出逸比降，与现状土体本身
的允许渗透比降比较，从而确定坝坡出逸段和下游坝
基表面渗透是否稳定，计算成果见表４。
表4　坝体坝基渗流计算成果
坝体桩号J计算［J］ 稳定性评价
０ ＋１００ 坝后出逸段０．３５ ０．１５ 不稳定下游坝基０．４０ ０．２０ 不稳定０ ＋６００ 坝后出逸段１．２０ ０．１５ 不稳定下游坝基０．８３ ０．２０ 不稳定　　由表４ 可知，在水库正常蓄水位时，０ ＋１００ 坝段、
０ ＋６００ 坝段上下游坝坡出逸段水力坡降均大于允许
坡降，因此坝体坝基有发生渗透破坏的危险。
３　结　语
１）水库坝体土料渗透系数基本在２．３ ×１０ －４ ～
３．１ ×１０ －２ ｃｍ／ｓ 之间，不满足规范要求的小于１ ×
１０ －４ ｃｍ／ｓ。
２）水库坝基由低液限粉土、粉土质砂组成，坝基
渗透严重。
３）水库坝基清除不彻底，造成坝体与坝基间接触
渗漏。
４）在水库正常蓄水位时，０ ＋１００ 坝段、０ ＋６００ 坝
段下游坝坡出逸段及下游坝基水力坡降大于允许坡
降，因此坝体坝基有发生渗透破坏的可能。
综上所述，根据枟水库大坝安全评价导则枠（ＳＬ２５８
－２０００）附录Ｂ 并结合现场检查和工程质量评价肖克
尔水库坝体坝基渗流形态不稳定，评定为Ｃ 级。
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