堰塞壩滲透穩(wěn)定性評估

嚴祖文，魏迎奇，蔡 紅

堰塞湖是一種常見的現(xiàn)象，它主要是由降雨、地震、火山及冰川引起的，多發(fā)生在高山峽谷區(qū)。這些地區(qū)構(gòu)造活動強烈，地震、火山活動頻繁，巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，易發(fā)生滑坡。“5．12”汶川特大地震中誘發(fā)了34處規(guī)模較大的堰塞湖，影響巨大，特別是唐家山堰塞湖，其壩體高度、體積，蓄水量、影響范圍等在已知的堰塞湖史上均屬前列，引起了全國廣泛關(guān)注和重視。堰塞湖的存在對上下游區(qū)域造成嚴重的影響，對上游的危險主要是湖水淹沒庫區(qū)，而對下游的危險主要是堰塞壩突然潰壩，堰塞湖中的大量蓄水快速下泄，巨大的洪水將淹沒下游，引起洪災(zāi)。因此，考慮堰塞壩自身的工程地質(zhì)問題，確定性評估應(yīng)包括滲透穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定性和抗沖刷穩(wěn)定性3個方面。通過分析，以明確堰塞壩壩體可能的破壞成因，并采用相應(yīng)的工程處置措施。本文將主要討論堰塞壩滲透穩(wěn)定性評估。

1 堰塞壩滲透穩(wěn)定性評估

1．1 滲流計算方法

1．1．1 非穩(wěn)定滲流計算分析方法

非穩(wěn)定滲流場指其基本表征量隨時間而變化的滲流情況，即

考慮壓縮性的非均質(zhì)各向異性，非穩(wěn)定滲流微分方程式

式中：h＝h（x，y，z，t）為待求水頭函數(shù)；kx，ky，kz為以x，y，z軸為主方向的滲透系數(shù)；Ss為單位貯水量或貯存率其中Ec為彈性模量。

對均質(zhì)各向同性材料，式（2）變?yōu)?/p>

非穩(wěn)定滲流有限元計算公式為

式中：［K］為總體滲透系數(shù)矩陣；｛h｝為各結(jié)點水頭向量；［S］為壓縮土體內(nèi)部單元貯水系數(shù)矩陣；h 為自由面上的結(jié)點水頭為流量補給和自由面單元的流量變化項；｛F｝為已知常數(shù)項，由已知結(jié)點水頭確定。

1．1．2 穩(wěn)定滲流計算分析方法

根據(jù)達西滲透定律，x，y，z方向的滲透流速可分別表示為

式中H為總水頭。

將式（5）代入下式

得到

式（7）即為描述無源匯和各向異性穩(wěn)定滲流場的基本微分方程。

對于各向同性滲流場，即當kx＝ky＝kz＝k時，式（7）變?yōu)?/p>

式（8）即為著名的拉普拉斯（Laplace）方程。

對于具有恒定降雨入滲或蒸發(fā)量ω的水平面穩(wěn)定滲流場，其基本微分方程可寫作

式中：Kx，Ky分別為x，y方向的導(dǎo)水系數(shù)，它等于相應(yīng)滲透系數(shù)（k）與無壓滲透深度（h）或有壓含水層厚度（T）的乘積。

對于各向同性滲流場，即當Kx＝Ky＝K時，式（9）變?yōu)?/p>

式（10）即為著名的波松（Poisson）方程。

穩(wěn)定滲流有限元計算公式為

1．2 滲流計算內(nèi)容

1．2．1 非穩(wěn)定滲流計算

非穩(wěn)定滲流計算的目的主要是了解堰塞壩形成后，堰塞湖水位上升或下降過程中壩體內(nèi)的滲流場發(fā)展變化的規(guī)律、堰塞壩遭遇長期降雨時的滲流場發(fā)展變化特征以及判別非穩(wěn)定滲流期壩體的滲透變形或破壞的可能性。

1．2．2 穩(wěn)定滲流計算

堰塞壩形成之初，如果上游來水量較小且壩體的滲透性較低，則在短期內(nèi)難以在壩體內(nèi)形成穩(wěn)定的滲流場；反之如果上游來水量較大，壩體滲透性較強，則在壩體內(nèi)就會很快形成穩(wěn)定滲流場。因此對于堰塞壩而言，應(yīng)將不同上游水位條件下的穩(wěn)定滲流作為控制工況來考慮。

1．3 滲流計算工況和滲透系數(shù)的確定

1．3．1 計算工況

非穩(wěn)定滲流：①上游水位自堰塞壩形成初水位蓄至可能最高水位，如果最高水位超過堰塞壩壩頂，則最高水位按壩頂高程控制，下游水位按實際水位控制；②長期降雨入滲工況。

穩(wěn)定滲流：①上游最高水位與下游實際水位組合；②上游不同高程水位對下游實際水位。

1．3．2 滲透系數(shù)的確定

一般在確定壩體材料的滲透系數(shù)時應(yīng)考慮材料的顆粒組成、巖性特征、工程形成條件等因素，但在堰塞湖形成之初，由于信息缺乏，此時確定滲透系數(shù)，應(yīng)盡可能根據(jù)現(xiàn)場表觀地質(zhì)概況，選取相近工程的類似地質(zhì)條件類比確定。

1．4 滲流穩(wěn)定性評價

1．4．1 允許比降的確定方法

對于流土型無黏性土可用下式計算允許比降，

對于管涌型的無黏性土可用下式計算允許比降，

式中：Gs為土粒比重；d5為土粒粒徑，小于該粒徑的土質(zhì)量占總土質(zhì)量的5%；d20為等效粒徑（mm），小于該粒徑的土質(zhì)量占總土質(zhì)量的20%。

此外，如果條件允許，可能通過滲透試驗來確定土的允許比降。

1．4．2 滲流破壞形式的判別

均勻無黏性土的滲透破壞形式只有流土一種形式，不均勻土的滲透破壞形式有管涌和流土2種形式，這主要取決于細料填充粗料孔隙的程度。細料填滿粗料孔隙的土，滲透破壞形式為流土，否則為管涌型。無黏性土的滲透破壞形式的判別方法及判別標準如表1。

表1 無黏性土滲透破壞形式經(jīng)驗判別Table 1 Empirical discrimination of seepage failure form of cohesionless soil

表中D0按下式確定

式中：D0為土的孔隙平均直徑（mm）；n為土的孔隙率（以小數(shù)計）。

1．4．3 滲透穩(wěn)定性判別

根據(jù)確定的允許比降和計算得到的出逸比降，即可對壩體的滲透穩(wěn)定進行評估。

當i＜i允許時，則土處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當i＝i允許時，則土處于臨界狀態(tài)。

當i＞i允許時，則土處于破壞狀態(tài)。

對于無試驗資料的無黏性土，可以根據(jù)表2進行初判，表中的土類可根據(jù)表1進行判別。

表2 各類土抗?jié)B比降變化范圍及允許值Table 2 Range and allowable value of anti－infiltration slope

2 唐家山堰塞壩滲流計算

2．1 滲透系數(shù)確定

以唐家山堰塞壩為例，壩體和壩基共分為黃色碎石土區(qū)、強風(fēng)化碎裂巖區(qū)、弱風(fēng)化碎裂巖區(qū)、灰黑色含泥粉細砂和基巖5個區(qū)。在考慮材料分區(qū)不失真的情況下，對壩體和壩基材料進行概化如圖1。

圖1 滲流有限元計算概化模型Fig．1 Model of seepage finite element

在確定唐家山堰塞壩滲透系數(shù)時，根據(jù)工程地質(zhì)資料，參考的相近工程包括由基巖塌滑形成的大海子壩［1］、武都縣白龍江中游滑坡堵江工程［2］，以及通口電站大壩灌漿施工監(jiān)理的實踐［3］、岷江上游崩塌堵江次生災(zāi)害及環(huán)境效應(yīng)研究［4］等相關(guān)研究成果，各區(qū)滲透系數(shù)取值見表3。

表3 材料滲透系數(shù)Table 3 Permeability coefficients of materials

2．2 滲流計算成果

非穩(wěn)定滲流計算成果表明，至2008年5月31日堰塞湖蓄水位達到742．2 m高程并保持不變的條件下，在壩體內(nèi)形成穩(wěn)定滲流狀態(tài)需要1．81年，下游壩坡出現(xiàn)水流逸出發(fā)生在259 d后，并逐步向上發(fā)展，最后在698．5 m高程停止（圖2），下游壩坡最大出逸比降為0．11。

圖2 非穩(wěn)定滲流有限元計算結(jié)果Fig．2 Results of unsteady seepage finite element

穩(wěn)定滲流計算結(jié)果表明，各種計算工況下下游壩坡的出逸比降均較小，對比材料巖性和顆粒造成特征，壩體基本不會產(chǎn)生滲透破壞（表4）。但由于材料的不均勻性，局部區(qū)域出現(xiàn)滲透破壞也屬正常，建議加強下游滲漏的觀測，特別是出逸處是否夾帶顆粒，以避免滲透破壞造成嚴重的后果。

表4 滲流計算成果Table 4 Calculated results of seepage

3 結(jié) 語

（1）本文借助唐家山堰塞壩的滲透穩(wěn)定性評估過程，考慮堰塞壩自身的工程地質(zhì)問題，闡述了堰塞壩壩體滲流穩(wěn)定性評價的基本方法和內(nèi)容，確定了滲透破壞的形式和程度。

（2）通過對唐家山堰塞壩的滲透安全評估，各種計算工況下下游壩坡的出逸比降均較小，對比材料巖性和顆粒造成特征，其壩體的滲透穩(wěn)定性能夠滿足安全要求。

［1］ 中國水利水電科學(xué)研究院抗震防護研究所．關(guān)于岷江上游疊溪大、小海子地震壩抗震穩(wěn)定性的討論［R］．北京：中國水利水電科學(xué)研究院，1993．

［2］ 原俊紅．白龍江中游滑坡堵江問題研究［D］．蘭州：蘭州大學(xué)，2007．

［3］ 姚世軍．通口電站大壩灌漿施工監(jiān)理的實踐［J］．四川建筑，2005，25（9）：187－189．

［4］ 嚴 容．岷江上游崩塌堵江次生災(zāi)害及環(huán)境效應(yīng)研究［D］．成都：四川大學(xué)，2006．