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南雄市宝江水库工程地质特性及大坝安全评价研究

2024-11-01 127 上传者：管理员

摘要：文章旨在剖析南雄市宝江水库工程地质特性及其对大坝渗流安全性的影响。通过综合考察地形地貌、地层岩性、水文地质条件等多维度地质因素，并结合现场勘查、物理力学实验及数值模拟等多元方法，分析评估了大坝的渗流安全性。结果表明，库区地质条件复杂，但大坝渗流稳定性符合规范要求，整体安全稳定。

关键词：
大坝渗流
安全评价
宝江水库
工程地质
数值模拟
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南雄市宝江水库作为地区重要的水利工程，其大坝安全对于水资源调控和防洪减灾具有重要意义。随着工程地质学研究的深入，地质特性对大坝渗流的影响愈发受到关注[1]。近年来，国内外学者在大坝渗流领域开展了大量研究，王凯博对库区淤积物对大坝渗流安全的影响进行了评价分析，强调了地质材料特性对渗流安全的重要性[2]。张晓昕则从应力耦合的角度出发，研究了采空区上覆渠道工程的渗流问题，提供了多场耦合分析的思路[3]。刘群丽、徐继红在水库大坝的研究中通过渗流分析，强调了大坝渗流安全评价的重要性，并提供了相关的评价方法和流程[4-5]。

本研究立足于宝江水库工程地质实际，借鉴前人研究成果，深入分析地层岩性、地质构造等特性对大坝渗流的作用机制。通过现场勘查、物理力学实验和有限元数值模拟等方法，期望揭示工程地质特性与大坝渗流安全之间的内在联系，并进行大坝渗流及稳定安全性评价，为确保大坝安全提供科学依据，并为同类工程的安全管理与维护提供参考。

1、南雄市宝江水库工程概况

宝江水库位于南雄市东南浈江支流宝江河上游水口镇下楼村黄竹坪，距南雄市25km,距水口镇4km,位于浈江左岸一级支流宝江水中游，坝址以上主河段长约13km,河床平均坡度1.24%,集雨面积48.1km2。正常蓄水位为199.36m,相应库容为1901.5万m3;校核水位为202.35m,相应库容为2350万m3。

水库枢纽工程由库区及灌区两部分组成，是一座以灌溉为主，兼防洪、发电等综合效益的中型水库。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水隧洞、坝后电站等建筑物组成。灌区有总干渠、干渠、支渠、渡槽、隧洞、泄水闸等建筑物组成，灌溉面积为2133hm2。大坝位于库盆北部的河谷处，为均质土坝，实测坝顶高程为204.18～204.52m,防浪墙顶高程204.56～204.64m,最大坝高42m,坝顶轴线长180m,坝顶宽5.85～6.33m。

2、工程地质特性分析

2.1地形地貌与地层岩性

宝江水库位于南雄市区东侧19km,属盆地～低山地貌，以侵蚀～堆积外动力地质作用为主。区内地势呈南高北低，东部和南部海拔300～800m,为低山丘陵地貌，西部和北部海拔150～200m,为南雄盆地，山脉走向多为西南向，山体宽厚。

根据1∶20万区域地质资料，该区域分布地层结构及岩性由新自老分叙如下：

1)第四系全新统：

为黄色砂质黏土、砂砾等，分布在浈江水系周边。

2)白垩系上统下部：

为砂砾岩、砂岩夹粉砂岩和薄层石膏。

3)前寒武系下部：

为变余细粒砂岩、条带板岩。

4)燕山早期第一阶段：

为二长花岗岩，分布在工程区东面。

5)燕山早期第一阶段：

为中粒似斑状黑云母花岗岩，分布在工程区南面。

2.2地质构造与裂隙发育特征

本区处于北东向华夏式构造体系内，受华夏式构造体系控制，南雄盆地走向呈北东向，盆地内由白垩纪以来的新地层组成。区内构造较简单，区内地层平缓，产状较稳定，走向多为北东向，倾向北西，未发现淤泥、淤泥质土等软土地层。区内断裂构造有：

1)南雄硅化断裂带，北东向40°～50°,分布在盆地北侧，延伸长度>40km。分布在盆地北侧，距工程区约7km;

2)沿界址延伸的张性断裂，北东向30°～40°,倾向北西60°～70°,活动时代为晚白垩系之前，分布在盆地南侧，横穿宝江水库库区。

2.3水文地质条件分析

本区为盆地～低山地貌，工程区内水系较为发育，山地丘陵之间冲积成河谷盆地。区内地下水分布及运移主要受控于本区的地形地势特征，总体上，区内地下水与地表水体总体运动方向一致，地下水向河谷排泄，最后均汇于浈江。第四系松散堆积层孔隙潜水主要受大气降水补给，并排泄于河谷。残坡积层粉质黏土分布于山坡附近，属弱透水，土层赋水能力差，弱富水，无稳定的地下水位，属孔隙性含水层，冲积层中上部的粉土或粉质黏土，属弱透水，土层赋水能力差，弱富水，无稳定的地下水位，属孔隙性含水层，随季节气候变化大，属表层潜水层。下部的砂砾石层、块石层透水性好，强富水，是良好的含水层，构成统一的含水层，其水文地质意义较大，此含水层多属无压的孔隙性潜水。地下水主要靠大气降水补给，以地表径流和大气蒸发的形式排泄。

2.4工程地质特性对大坝渗流的影响机制研究

从工程地质特性的角度来看，宝江水库大坝所处地区的地质条件对其渗流稳定性起到了关键作用。宝江水库位于盆地至低山地貌区，地势南高北低，这种地势差异可能导致地下水流向和流速的不均匀分布，进而影响大坝的渗流场。此外，低山丘陵地貌与河谷盆地的交替出现，可能形成复杂的水文地质条件，增加了大坝渗流控制的难度。

宝江水库所在地区地下水分布广泛，含水层类型多样。不同含水层的透水性、赋水能力以及地下水的补给、排泄条件都会对大坝的渗流稳定性产生影响。由于宝江水库大坝的松散岩类孔隙水主要分布于河床浅滩、坡脚等第四系地层中，地下水埋深一般较浅，孔隙水类型主要为浅层潜水，当大坝基础与强透水层接触时，可能发生严重的渗流问题，威胁大坝的安全。目前库区可观测到的微断裂，多为岩层的节理裂隙，存在着细微渗流通道，这是孔隙性渗漏的典型特征。

此外，库区目前存在的两种断裂带区域可能成为渗漏问题的主要影响区域，这些断裂构造可能破坏了坝基岩体的完整性，形成潜在的渗流通道或裂缝，导致地下水在坝体内或坝基中发生异常流动。此外，断裂构造还可能影响地层的连续性和稳定性，对大坝的整体安全性构成威胁。因此在对大坝进行安全性评价时，需要充分考虑这些地质因素，通过合理的工程设计和采取有效的技术措施，确保大坝的渗流稳定性，保障其安全运行。

3、大坝渗流分析与安全性评价

3.1现场勘查与渗流观测

大坝位于库盆北部的河谷处，大坝为均质土坝，坝顶高程为204.18～204.52m,防浪墙顶高程204.56～204.64m,最大坝高42m,坝顶轴线长180m,坝顶宽5.85～6.33m。上游坝坡高程181.66m设有2m宽马道，马道以上坡度为1∶2.65,以下为1∶3.38。下游坝坡为草皮护坡，坝坡自上而下分别为1∶2.49、1∶2.92、1∶2.88;在高程192.52m设有马道，马道内侧设有排水沟，坝脚设干砌石反滤排水体，反滤排水体顶部有进库公路通过，内侧设有排水沟，顶部进库公路及排水沟总宽度为4.29m,内坡坡比为1∶1,外坡坡比为1∶1.53。左坝肩山体宽厚，右坝肩为条形山，两岸植被茂盛，河谷下游最低高程为160m。

根据历史勘察资料和钻孔地质资料，填土来源主要为附近山体的风化土和坡积土。根据现场钻探成果，坝基不存在软弱土层及湿陷性土，也并不存在渗漏及渗透变形引起的不均匀沉降。坝址区基岩为不可溶岩，不存在岩溶塌陷的问题，并且水库已蓄水运行多年，坝基压缩沉降变形基本趋于稳定。通过取8组填筑土样进行室内物理力学试验，其主要物理力学性质指标均值为：天然含水率平均值w=19.6%;天然密度平均值ρ=1.79g/cm3;孔隙比平均值e=0.822;塑性指数平均值Ip=14.7;饱和慢剪强度C=18.7kPa,φ=26.4°。坝体填筑土渗透系数平均值为2.77×10-4cm/s,属于中等透水。根据试验结果，坝体填土为粉质黏土，渗透变形为流土，填土试验数据Gs=2.72,n=0.451。依据水利水电工程地质勘察规范，临界水力比降Jcr=(Gs-1)×(1-n),计算得出临界水力比降Jcr=0.94,安全系数取2.0,允许水力比降J允许=0.47。

表1各主要岩土层的水文地质特征表

3.2计算方法与工况

本次渗流计算采用Geo-studio进行有限元渗流稳定分析。计算中取大坝河床处最大典型剖面，包括以下水位组合情况：

1)上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；

2)上游校核洪水位与下游相应的最低水位；

3)库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

根据洪水复核结果，宝江水库大坝正常蓄水位为199.36m,校核洪水位为202.35m。库水位降落时考虑时段内无降水，水库库水位降落曲线见表2。

表2库水位降落曲线表

3.3渗流计算结果分析

根据渗流分析计算，可得到大坝不同工况下的坝体渗流浸润线计算成果，各工况的坝体单宽渗流量和最大水力比降Jmax计算结果如表3所示。

计算结果表明，各计算工况中的浸润线出逸点都位于排水棱体内部，排水棱体与坝壳料之间设有满足反滤要求的反滤层，能够有效地引导并排出坝体内的水分，防止水分在坝体内部积聚引发潜在的安全问题。

表3大坝渗流计算结果表

各工况中出逸点的最大水力比降为0.25,这个数值远低于允许水力比降0.47,进一步表明了坝体在排水性能方面表现良好。因此，在不同工况下，坝体背水坡出现异常渗漏点的可能性较小，未出现严重的集中渗漏及绕坝渗漏现象，能够有效地防止各断裂带区域孔隙性渗漏和裂隙性渗漏等问题的发生，保证了坝体的安全性和稳定性。

3.4大坝稳定安全性评价

根据地质测绘及现场踏勘，大坝左坝肩山体宽厚，山顶高程约为211.30m。右坝肩为条形山，山顶高程约212.40m,山顶宽为65m,靠近库区侧坡度约75°,为岩质边坡；另一侧坡度约60°,为岩质边坡和土质边坡。溢洪道两侧山体高程约190.01～211.30m,边坡坡度为30°～55°,为岩土质边坡。本次现场踏勘发现右坝肩山体部分人工开挖的边坡已经发生了小规模的滑塌现象，而条形山处多为自然边坡，未发现滑坡崩塌现象；局部由残坡积土组成的岸坡，在雨季影响下，存在土坡滑移或崩塌的可能性，但由于岸坡植被茂盛，产生大规模且会影响水库正常使用的滑坡和崩塌现象可能性不大。总体而言，宝江水库坝址区域未发现存在有危害边坡稳定的不良地质现象。下通过抗滑稳定计算研究坝体的安全性。

大坝坝坡抗滑稳定计算断面采用渗流计算断面，稳定分析计算方法包括有刚体极限平衡和坝体坝基内各点剪应力水平两大类，而刚体极限平衡法中常用的为条分法。本次宝江水库大坝坝坡抗滑稳定计算采用不计及条块间作用力的瑞典圆弧法，求出最小安全系数。稳定渗流期采用有效应力法，库水位降落期采用总应力法，抗滑稳定计算成果如表4所示。

表4坝坡抗滑稳定计算结果表

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020)的规定，坝坡抗滑稳定的最小安全系数：正常运用条件时为1.30,非常运用条件Ⅰ时为1.20。由上表可知，正常运用条件下的坝坡抗滑稳定最小安全系数均>1.30,非常运用条件Ⅰ下上下游坝坡抗滑稳定最小安全系数同样>1.2,因此在各计算工况中，宝江水库大坝的坝坡抗滑稳定性能均满足规范要求，能够有效地抵抗滑动破坏，保持坝体的稳定。

4、结论与建议

本研究对南雄市宝江水库工程地质特性进行了深入分析，并评估了大坝渗流的安全性。通过综合考察地形地貌、地层岩性、地质构造、裂隙发育特征以及水文地质条件，我们深入探讨了这些地质特性对大坝渗流的影响机制。同时，结合现场勘查、物理力学实验、数值模拟计算等方法，对大坝的渗流场进行了详细分析，并评价了大坝的稳定安全性。

研究结果表明，宝江水库工程所在区域地质条件复杂，地形起伏较大，地层岩性多样，且地质构造发育，这些地质特性均对大坝渗流产生显著影响。基于对宝江水库库区工程地质特性的分析，结合渗流稳定计算结果，宝江水库大坝在渗流稳定安全性方面表现均符合规范要求，整体稳定性良好。为了持续保障大坝的安全性和稳定性，仍需加强地质勘察、完善渗流监测系统、制定有效的渗流控制措施以及提高工程管理水平等措施，可以确保宝江水库大坝的安全稳定运行，为南雄市及周边地区的经济社会发展提供有力保障。

参考文献:

[1]邢春鹏.基于集对云模型的大坝渗流安全评价与预测研究[D].郑州:华北水利水电大学,2023.

[2]王凯博.库区淤积物对大坝渗流安全的影响评价分析[J].水利建设与管理,2017,37(12):20-24,33.

[3]张晓昕.采空区上覆渠道工程渗流应力耦合分析理论与应用[D].天津:天津大学,2014.

[4]刘群丽.广东某水库大坝渗流安全分析[J].陕西水利,2022(12):4-6.

[5]徐继红.肖克尔水库大坝渗流安全评价[J].水电与新能源,2015(02):70-72.

文章来源:秦维.南雄市宝江水库工程地质特性及大坝安全评价研究[J].黑龙江水利科技,2024,52(10):80-82+86.