楊埕水庫圍堤滲流分析與方案比選

段連強

(滄州水利勘測設(shè)計院,河北 滄州 061000)

1 工程概況

楊埕水庫是實施滄州東部地區(qū)供水工程的調(diào)蓄工程,工程建成后能極大地緩解當前水資源的供需矛盾。水庫設(shè)計庫容為6568萬m3,死庫容916萬m3,最高蓄水位9.0 m,圍堤軸線長度12.1 km,圍堤內(nèi)坡角高程2.5 m,圍堤堤頂高程 10.5 m,水庫占地面積 10.9 km2。

2 庫址的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

庫址位于海興縣東部,東臨漳衛(wèi)新河,西靠宣惠河,與渤海凹地相毗鄰,為一淺碟形洼地。其地貌屬華北沖積平原東部、濱海平原下游地帶。勘察場地位于海興濕地中北部,東側(cè)有溝渠、堤埝、蝦池、鹽池等微地貌分布,地勢略有起伏,鉆孔地面高程 1.70～3.40 m。庫區(qū)內(nèi)常年存有積水,積水深度平均為0.8 m。圍堤所在的區(qū)域工程地質(zhì)條件變化較大,表1和表2中分別列出了樁號0+350～4+700的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)指標值。

表1 土層承載力及壓縮模量統(tǒng)計表

表2 各土層滲透系數(shù)統(tǒng)計表

3 圍堤設(shè)計方案滲流分析

水庫圍堤滲流分析是壩體計算內(nèi)容的重要組成部分,通過計算壩體和不同壩基的滲漏量、壩體下游的出逸點位置及坡降,不僅可以進行壩體不同防滲方案的優(yōu)劣性比較,還可為水庫的下一步調(diào)節(jié)演算及圍堤穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是圍堤斷面設(shè)計方案確定的主要手段。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果,結(jié)合近幾年平原水庫的建設(shè)經(jīng)驗及當?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)條件,擬定了 3種圍堤斷面設(shè)計方案。方案一:均質(zhì)土壩,靠壩體、壩基作為主要防滲體,上游壩坡上段坡比為1∶3.5,在4.0 m標高處設(shè)3 m寬馬道,下段坡比均為1∶4;下游壩坡坡比為1∶4,并在下游坡腳標高2.5 m處設(shè)置15 m寬戧臺。方案二:斷面同方案一,并在上游壩坡迎水面加復合土工膜防滲。方案三:斷面同方案一,并在上游壩坡迎水面加復合土工膜防滲及上游壩址處設(shè)垂直鋪塑,鋪塑深度為8 m。

限于篇幅,文中只列出均質(zhì)壩迎水面加防滲土工膜方案的圍堤設(shè)計斷面,如圖 1所示。

圖1 圍堤設(shè)計斷面

滲流計算方法主要有公式法、有限單元法,現(xiàn)簡要介紹一下公式法。均質(zhì)土壩滲流穩(wěn)定計算公式:

式中,q為單位寬度滲流量,m3/(s·m);k為堤身滲透系數(shù),m/s;H1,H2分別為上、下游水位,m;h0為下游出逸點高度,m;m1,m2分別為上、下游坡坡率。

通過計算浸潤線,聯(lián)立求解式(1)和式(2)即可求得h0和q/k。求解時可用一組h0值分別代入式(1)和式(2),可得兩條q/k與h0的關(guān)系曲線,兩曲線的交點即為兩方程式的解。經(jīng)計算,求得壩體的滲流量為0.56×10-6m3/(s·m)。

壩基滲流量計算公式:

式中,k0為壩基的綜合滲透系數(shù),m/s。

通過對壩基不同土層進行加權(quán)平均,計算出壩基滲流量為1.72×10-6m3/(s·m)。壩體和壩基總的滲流量為2.28× 10-6m3/(s·m)。

方案二的滲流計算采用等代土層厚度法,用粘土斜墻壩進行滲流計算;對方案三則采用將垂直鋪塑近似等代成水平粘土鋪蓋的方法進行滲流計算[5]。經(jīng)計算,方案二的滲流總量為2.13×10-6m3/(s·m),方案三的滲流總量為1.57×10-6m3/(s·m)?？梢钥闯龇桨付⒎桨溉臐B流量較小,但與方案一的數(shù)量級相同,相差不大。

公式法只適用于某些簡單的典型情況,對于工程上經(jīng)常遇到的復雜情況,需作一系列的簡化假定,而且分析計算較復雜,且計算結(jié)果不盡如人意。近年來由于有限元分析法的迅速發(fā)展,可以適應(yīng)復雜的邊界條件、非均質(zhì)、各向異性等不同情況,應(yīng)用范圍較廣,也更全面,且能根據(jù)實際計算結(jié)果,自動繪出壩體、壩基滲流的矢量圖、等勢線圖、水壓分布圖等計算成果,能直觀地顯示壩體滲流的變化情況。本次計算采用河海大學工程力學研究所編制的autobank程序,建立了有限元滲流模型,劃分了圍堤壩體的有限元網(wǎng)格。方案一的網(wǎng)格劃分如圖 2所示。

圖2 方案一的網(wǎng)格劃分

對 3種設(shè)計方案分別在壩內(nèi)高水位時進行了穩(wěn)定滲流分析比較,為了更好地了解壩體的滲流情況,列出了各方案穩(wěn)定滲流矢量圖(圖 3～圖 5)。

圖3 方案一的穩(wěn)定滲流矢量圖(單寬滲流量 2.45×106m3/(s·m))

圖4 方案二的穩(wěn)定滲流矢量圖(單寬滲流量 2.41×106m3/(s·m))

圖5 方案三的穩(wěn)定滲流矢量圖(單寬滲流量 2.13×106m3/(s·m))

由以上各方案的流速矢量圖可以看出:1)本工程壩體滲流量在整個滲流過程中所占比重很小,壩基4為水庫主要滲漏通道,而壩體、壩基 1～3可以作為相對隔水層;2)復合防滲土工膜+垂直鋪塑方案滲流量最小,但其數(shù)量級與前兩個方案相同,滲流量相差不大,也就是說,壩體與壩基 1～3的防滲減滲效果明顯;3)截滲溝是圍堤滲流的主要出口,通過設(shè)置截滲溝,降低圍堤外部地下水位,有效地減輕了由于修建水庫而使周邊地區(qū)次生鹽堿化問題;4)在圍堤下游戧臺后有少量水出逸,可通過設(shè)置貼坡排水保護下游坡腳不受破壞;5)方案二與方案一比較雖然滲漏相差不大,但其有效地降低了壩體的浸潤線;6)壩體滲流量雖然與手算結(jié)果有一定的差別,但比較接近,可以做為設(shè)計依據(jù)。

4 圍堤設(shè)計方案的確定

通過以上穩(wěn)定滲流計算分析比較,3個方案的單寬滲流量相差不大,壩體與上部壩基防滲效果明顯,而方案三雖然做了垂直鋪塑,但其截滲作用不明顯,且方案一、方案二的滲流量并不大,在經(jīng)驗值范圍以內(nèi),因此方案三只作為比較方案;而方案一為均質(zhì)土壩,根據(jù)經(jīng)驗從抗凍脹、施工質(zhì)量控制及工程管理等綜合分析,易出現(xiàn)問題,為此,最終確定方案二即壩體上游鋪設(shè)復合土工膜防滲方案為最終設(shè)計方案。

5 結(jié)語

平原水庫圍堤設(shè)計斷面的選取是在各種設(shè)計條件下經(jīng)綜合比較選定,需根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)條件、地形地貌、成庫條件進行各種計算,如圍堤穩(wěn)定計算、滲流計算等等,文中僅從滲流分析的角度對楊埕水庫的 3個圍堤方案進行了計算分析,為圍堤斷面防滲形式的選取提供了依據(jù),最終確定方案二作為設(shè)計方案,其較方案三節(jié)約了垂直鋪塑部分的投資。

楊埕水庫工程現(xiàn)已建成蓄水,通過在圍堤上設(shè)置的觀測設(shè)備進行觀測,其實際的滲流量與計算結(jié)果比較接近,現(xiàn)已穩(wěn)定運行1年以上,達到設(shè)計預期效果。

[1]SL274-2001,碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范 [S].

[2]SL/T 225-98,水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

[3]SL 60-94,土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 [S].

[4]GB50268-98,堤防工程設(shè)計規(guī)范[S].

[5]華東水利學院.水工設(shè)計手冊:第3冊 [M].北京:水利電力出版社,1984.