土石壩除險加固工程滲流分析

王海波 ，陳吉森

（1.南京林業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 210037；2. 水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

滲流是影響土石壩安全運行的 1 個重要因素，發(fā)生的眾多工程安全問題中有很大一部分是由于滲流引起的，所以正確地進行滲流分析是解決好巖土工程設計的一項重要工作。

2001 年以來，隨著國家對病險水庫除險加固的重視，國家和各級地方政府陸續(xù)投入大量資金，對病險水庫進行大規(guī)模的除險加固。各水利科研部門、施工單位對大壩防滲能力薄弱的問題也進行了深入研究，并推出許多處理方法和施工工藝，如粘土套井回填、大壩土工膜防滲處理、劈裂灌漿防滲、混凝土防滲墻等以降低大壩的浸潤線和出逸坡降，從而保證大壩的滲透穩(wěn)定。

2003 年以來，浙江省全面貫徹落實“千庫保安”工作部署，積極推進水庫除險加固和標準化建設。設計中，多數(shù)水庫采用了防滲墻加固方案。設計時，一般要求防滲墻入巖（或深入相對不透水層）深度為 0.5～1.0 m，但在施工過程中，往往對入巖面判定不清，施工記錄比較模糊，這就可能造成防滲墻入巖深度不足甚至有可能根本未入巖，由此使防滲墻底部與巖基（或相對不透水層）之間，仍留有 1 層滲流薄弱環(huán)節(jié)，從而違背了設計的初衷。本文依托浙江省通濟橋水庫除險加固工程，根據(jù)數(shù)值計算結合監(jiān)測系統(tǒng)測值進行分析，以檢驗設計施工效果。

1 工程概況

通濟橋水庫位于錢塘江支流浦陽江上游，壩址以上流域面積 104.5 km2，主流長 17.7 km。水庫正常蓄水位 108.60 m（985 國家高程基準，下同），總庫容 8097 萬 m3，電站裝機容量 1.76 MW，設計年發(fā)電量為 400 萬 kW·h，是 1 座以防洪、灌溉為主，結合發(fā)電等綜合利用的重要中型水利工程。

原大壩為粘土心墻砂殼壩，除險加固前，存在的主要問題是大壩心墻不滿足規(guī)范要求，需進行防滲處理。針對工程特點，采取在壩頂防浪墻下游距壩軸線 1.0 m 處設置 1 道厚 0.8 m 的塑性混凝土防滲墻，防滲墻入巖深度為 0.5 m，防滲墻 2 岸設岸墻，防滲墻及岸墻以上設 C20 混凝土頭墻。防滲墻頭墻與壩頂防浪墻連接，對防滲墻、2 岸岸墻及壩頭基礎進行帷幕灌漿處理，形成封閉的防滲系統(tǒng)。

2 計算原理及模型

為了檢驗設計方案在防滲方面的合理性，根據(jù)工程設計及勘察資料，建立三維有限元模型進行模擬計算。

2.1 基本方程

在符合達西定律的各向異性的連續(xù)介質(zhì)中的三維空間穩(wěn)定滲流，應滿足下列滲流的基本微分方程：

式中：Kx，Ky，Kz分別為滲流介質(zhì)在 x，y，z 方向的滲透系數(shù)；O 為單位邊界表面的流出或流出量；y 為計算點的縱坐標高度；H 為水頭函數(shù)。

2.2 邊界條件

式中：Γ1為上下游及滲出面邊界之和；Γ2為不透水邊界；n 為 Γ2的外法線方向；Kn為 n 方向的滲透系數(shù)；t 為時間。

對于無壓滲流的自由面邊界除應滿足式 (3) 外，還需滿足：H = y 。

2.3 計算模型及參數(shù)

由施工設計階段提供的大壩地質(zhì)資料，結合施工設計中攔河壩斷面的相關尺寸選取了K0 + 100～K0 + 250 區(qū)域，運用 GEO-Studio 軟件建立三維數(shù)值計算模型，計算工況為正常蓄水位時的穩(wěn)定滲流情況。各土層材料的滲透性系數(shù)如表1 所示，計算網(wǎng)格圖如圖 1 所示。

表1 土層材料滲透性系數(shù) cm/s

圖1 計算網(wǎng)格圖

3 計算結果分析

通過 GEO-Studio 的 SLOPE-3D 模塊計算得到混凝土防滲墻施工后壩體的理論滲流場水頭分布，分布云圖如圖 2 所示，模型切面滲流場水頭、水壓力等值線圖如圖 3 所示。

圖2 滲流場水頭分布云圖

圖3 模型切面滲流場水頭、水壓力等值線圖

大壩除險加固前，攔河壩心墻粘土屬高分散性土，填筑質(zhì)量差，滲透系數(shù)低于規(guī)范要求，尤其是0 + 110～0 + 240 壩段高程 92～108 m 范圍，粘土心墻滲透系數(shù)遠低于規(guī)范要求，部分測壓管水位與庫水位同步性好，沒有明顯滯后時間，且管內(nèi)水位與庫水位十分接近，近年來測壓管的時效分量呈上升趨勢，可能存在滲透變形；壩基粘土截水槽底寬僅為 4 m，槽底最大接觸滲透比降達 8.5，遠超過其允許值，加之截水墻土料屬分散性土，壩基砂礫石為管涌土，接觸面無反慮層保護，難以保證滲流穩(wěn)定。

經(jīng)模擬計算后，從計算結果可以看出采用防滲墻除險加固措施后，理論上壩體浸潤線有明顯下降，大壩安全性得到提高，壩體滲漏問題得以解決，加固后單寬滲流量理論值為 4.25 cm3/s，且計算結果表明不會產(chǎn)生接觸沖刷等滲流破壞問題。

4 原型觀測結果分析

大壩除險加固時，布置 1 套 DG-2005 型智能分布式大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，分別在壩 0+075，0+145 及0+235 設置了 3 個滲流原型觀測斷面。每個斷面分別在壩軸線上游 0+010.0，0+002.5 m，壩軸線下游側(cè)0+002.5，0+010.0，0+032.5 m 及下游 1 級馬道 0+064.5 m 這 6 個位置共埋設了 11 只滲壓計，用以觀測壩體的滲流情況，布置剖面示意圖如圖 4 所示。

圖4 壩體滲流觀測儀器布置剖面示意圖

2007年1 月至 2009年 3 月，利 用 MCU-2M 型智能采集模塊對工程施工期及運行期進行了自動觀測，其中某日壩體實測浸潤線如圖 5 所示，壩體滲流觀測資料整理結果如圖 6 所示。

圖5 某日壩體實測浸潤線示意圖

圖6 壩體防滲墻上、下游測點與庫水位時間序列曲線

從圖 5 可以看出，實測浸潤線與理論計算值有所差別，主要反映在：墻后實測總水頭比理論值高出約 10 m，防滲墻對壩體水頭削弱程度與設計預想有較大出入；觀測斷面處，防滲墻下游側(cè)土體，特別是壩體填筑砂壤土起到了一定的防滲作用，浸潤線形態(tài)比模型計算結果陡一些；壩腳逸出點高程實測為 78.3 m 左右，比模型計算值高出 2.0 m 左右。

從圖 6 各曲線可以看出：防滲墻上游側(cè)各測點水頭（如G1-4）與庫水位的相關性較好，而下游側(cè)應測位置的測點的水頭與庫水位的相關性相對較弱，各測點之間的水頭差在 14～15 m 之間，說明防滲墻起到一定的防滲作用，但是墻上下游各對應位置測點的水頭歷時曲線顯示出它們之間的相關性相當高，特別是如 G2-5 與 G2-8 這 2 點，水頭升降步調(diào)一致，且無滯后性，說明 2 點之間具有較好的連通通道，即防滲墻底部可能存在薄弱環(huán)節(jié)。日后對這些測點應加強觀測，防止產(chǎn)生接觸滲流破壞。

5 觀測結果反演計算

根據(jù)某日實測浸潤線，采用同樣的計算模型，計算邊界條件為：上游固定水頭邊界，下游側(cè)各測點埋設位置水頭已知，假定混凝土防滲墻與壩基存在一薄弱層，厚度為 10 cm，則可根據(jù)定解條件反算得到該薄弱層的滲透性系數(shù) K。

計算得到的大壩水頭及滲透比降分布如圖 7 所示。薄弱層的 K 值為 3.2×10-5cm/s，接觸帶最大滲透比降為 0.57。

圖7 反演計算得到的大壩水頭分布圖

6 結語

通過現(xiàn)場原型觀測數(shù)據(jù)與三維理論數(shù)值模型計算結果對比分析，得出除險加固后，防滲墻起到了一定的防滲作用，但可能由于部分槽段所處的基巖較破碎或槽段中局部成渣較多但沒得到有效處理，導致防滲墻防滲效果有一定程度地削弱，大壩實測浸潤線比設計預想要高。

實際上在防滲墻施工過程中，一般采用沖擊鉆進等方式造孔，對基巖面不容易判定，極易造成防滲墻入巖深度不足甚至有可能根本未入巖，從而在防滲墻底部與巖基之間留有滲流薄弱夾層。因此，防滲墻施工中，要保證墻體的連續(xù)與完整，特別要處理好墻體與墻體之間的搭接及墻體與壩基的銜接。同時要提高現(xiàn)場施工地質(zhì)人員對基巖面的判定經(jīng)驗。

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