岳壁水庫大壩滲流及穩(wěn)定分析

朱厚斌

(臨汾市水利勘測設計院，山西 臨汾 041000)

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岳壁水庫大壩滲流及穩(wěn)定分析

朱厚斌

(臨汾市水利勘測設計院，山西 臨汾 041000)

水庫大壩壩體壩基內部滲流的發(fā)生及性能等都與混凝土屬性有關，岳壁水庫大壩受到許多外界因素的綜合影響，因而內部滲流穩(wěn)定情況異常復雜，筆者在結合勢流原理與相關方程模型的基礎上對岳壁水庫大壩滲流及穩(wěn)定情況進行綜合分析。利用勢流原理及柯西黎曼方程進行了大壩壩基耦合模型的構建，并進行了滲流穩(wěn)定計算與分析，提出了針對性和適用性較強的兩個加固設計方案。

岳壁水庫；大壩滲流；穩(wěn)定性；穩(wěn)定系數(shù)；加固設計

1 工程概況

岳壁水庫位于臨汾市堯都區(qū)大陽鎮(zhèn)岳壁村東南澇河一級支流內鼻河下游溝內，是一座以灌溉為主兼有防洪、養(yǎng)殖的小型水庫，原設計水庫總庫容106萬m3，本次設計及大壩安全鑒定時對水庫庫容進行復核和洪水調節(jié)計算，水庫總庫容為64萬m3。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管組成。該水庫建成于1978年。大壩壩體為均質土壩，最大壩高20m，壩頂高程為590.0m，壩頂長160m，壩頂寬5m。溢洪道位于大壩左岸，矩形斷面，進口底高程588m，進口寬度約2m，全部為土基且未按原設計開挖，無襯砌及消能設施。岳壁水庫位于臨汾市堯都區(qū)大陽鎮(zhèn)岳壁村東南，澇河一級支流內鼻河下游，屬黃河流域汾河水系。壩址以上控制流域面積8.9km2，流域長度7.0km，主河道縱坡13.2‰。本流域地下水的主要補給來源是大氣降水。地下水類型為松散巖層孔隙水和碎屑巖類裂隙水；地下水由東向西逕流，最終進入汾河。

本水庫工程在設計正常高水位585m時，壩體、左、右壩肩的滲透均處于穩(wěn)定性狀態(tài)；壩基在未考慮壩前淤積的情況下實際水力比降略小于允許水力比降，滲透處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；在考慮壩前淤積的情況下滲透處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。左壩肩下游壩坡存在著滲漏問題，為使大壩正常運行，建議采取防滲處理。

2 水庫大壩滲流穩(wěn)定分析

由于水庫大壩壩體內部裂縫與孔隙十分復雜，且一旦發(fā)生滲流將直接引發(fā)大壩沖蝕侵害及滑坡破壞，以往理論大多利用勢流原理的柯西黎曼方程，構建水庫大壩壩體流固耦合模型，并進一步確定大壩滲流的穩(wěn)定安全系數(shù)及其他相關參數(shù)，并為大壩出險加固設計提供數(shù)據(jù)支撐。計算大壩滲流穩(wěn)定的流體力學法準確度較高，而且可以求出大壩任何滲流點的系列參數(shù)(滲流水頭、流體壓力、坡降、滲流量等)，相反水力學法計算過程較為簡便、且只能計算出特定截面既定滲流點的系列參數(shù)，誤差較大[1]。結合勢流原理及其中的柯西黎曼方程來看，大壩滲流過程中的流函數(shù)與滲流點系列參數(shù)存在偏導的函數(shù)關系，且滲流勢函數(shù)與流函數(shù)之間呈共軛關系，通過求解便可求得流網的實際值，進而可以通過比較流網值與預測值而得到滲流量、流體壓力、坡降、孔隙壓力等具體值。結合達西定律的相關原理與規(guī)定，水庫大壩范圍內所可能發(fā)生的滲流流速的二維取值在三維立體坐標軸上所反映的具體量很容易得出，將這三個反應各自方向的滲流流速的三維向量分別帶入滲流方程，便可將水庫大壩滲流浸潤線的函數(shù)表達式寫出。

浸潤線的計算公式為：

(1)

其中q為水庫大壩滲流量，計算公式如下：

(2)

(3)

式中：k為水庫大壩滲流系數(shù)，cm/s，本工程取k=2.2×10-5cm/s；H1、H2分別為大壩壩址上下游水深，m；h0為滲流水深，m；L′為大壩壩址垂直坡面與上游坡腳處的水平距離，m。將岳壁水庫大壩滲流數(shù)據(jù)代入式(1)-(3)，計算結果見表1。

表1 岳壁水庫大壩浸潤線計算成果

3 滲流穩(wěn)定系數(shù)的確定

水庫大壩內部存在各種形式滲流的情況下，各種滲流形式都會對壩體靜水壓力產生或多或少的不利影響，從而導致壩體土體中的含水量和含水率大大提升，而抗剪強度與抗剪能力減低，容易發(fā)生滑坡、失穩(wěn)、變形等病害。可以通過計算孔隙水壓力進而確定滲流總應力及其中所包含的有效應力進行大壩滲流穩(wěn)定的相關分析及參數(shù)的確定，其中真正引起大壩滲流和壩體變形的是有效應力，為此，在計算和確定大壩孔隙壓力的滲流影響時，只需要計算自由基面及其以下高程的靜水壓力即可。常用的計算方法有替代容重法和比少普法[2]。

替代容重法由最早的瑞典法演變而來，如今已經廣泛運用于國內外大中型水庫大壩壩體與壩基的滲流穩(wěn)定分析方面，其主要利用浮容重代替自由基面以下的飽和容重，由于自由基面以下孔隙水壓力值較小，一般忽略不計，該方法也只能用于平緩(或小坡度)的大壩，鑒于本工程實際情況，該方法較為適合，其滲流穩(wěn)定系數(shù)的計算為：

(4)

式中：Mc為壩體加固土條對圓心力矩，kN·m，取Mc=1.0kN·m；b為壩體加固土條寬，m；c、φ為土條容重及應力指標，kg/m3；μ為自由基面以下(上)的設計高程，m；R為圓弧半徑，m；W為土條重量，kg；V為垂直向慣性力大小，kN。計算結果見表2。

表2 岳壁水庫大壩滲流穩(wěn)定復核成果表

由表2計算結果可知，岳壁水庫大壩滲流穩(wěn)定系數(shù)k的取值始終>1(除下游壩段正常蓄水位+地震蓄水位工況下k<1外)，大壩滲流穩(wěn)定且運行安全可靠。

為便于進行可視化處理，運用ANSYS有限元軟件首先構建針對岳壁水庫大壩壩體的數(shù)學模型，并將大壩模型的平面如圖1所示。：

圖1 岳壁水庫大壩平面圖

通過所選用的滲流模型可以推測，瞬間出現(xiàn)的壩體與壩基穩(wěn)定性擾動所引發(fā)的滲流歷時較長，一般都會持續(xù)十幾小時甚至幾十小時。為了應對這種主要由于滲流所引發(fā)的水庫大壩病害的發(fā)生并在發(fā)生后控制其損害的嚴重程度，可以利用ANSYS模型工具先確定大壩的初始數(shù)據(jù)，并進一步得到大壩水位高程升高后的各種應力分布形態(tài)，在其中的豎向應力中，隨著水位高程的提升，豎向應力中的靜水壓力呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，并且最終中間低兩頭高的情勢分布，這充分表明水位高程的變化對大壩壩體和壩基穩(wěn)定性能有直接影響[3]。

4 加固設計

針對岳壁水庫大壩滲流特征及穩(wěn)定分析的基本情況，現(xiàn)提出兩種針對性和適用性較強的加固方案。

4.1 套孔沖抓回填防滲設計

在進行套孔沖抓回填設計時，必須充分利用沖抓鉆頭的沖力進行滲漏部位鉆進，選擇黏性較大的土體進行回填，隨后做夯實處理即可成為連續(xù)防滲墻，該設計所需設備儀器較為簡單、操作過程無特別的技術要求，經過試用防滲效果較好，經過黏土回填夯實后可以大大降低滲透系數(shù)，提高防滲效果。

4.2 深層攪拌防滲設計

深層攪拌防滲設計主要利用攪拌機等類似機械設備將符合配比要求的混凝土等填筑材料輸送到地下滲漏部位，并在地下使之與沙土和黏土充分拌和，待其硬化便形成防滲層，該技術所構筑的防滲層厚度較大、且完全按照配合比進行拌和，硬度符合要求，施工期短而成本較低。

5 結 論

岳壁水庫大壩運行受到許多外界因素的綜合影響，壩體及壩基內部孔隙狀況異常復雜，在確定滲流點水流流速方面確實存在困難，筆者利用勢流原理及柯西黎曼方程進行了大壩壩基耦合模型的構建，并進行了滲流穩(wěn)定計算與分析，并提出了針對性和適用性較強的兩個加固設計方案。

[1]羅澤旻.桎木水庫大壩滲流與穩(wěn)定分析[J].湖南水利水電，2016(05)：12-15.

[2]于濤.探討關于水庫壩體加固施工中穩(wěn)定滲流的分析[J].工程技術：全文版，2015(12)：93.

[3]袁昊天，袁春光.非均質土石壩穩(wěn)定—非穩(wěn)定滲流有限元分析[J].工程技術：文摘版，2015(10)：269.

1007-7596(2017)04-0042-02

2017-03-14

朱厚斌(1972- ) ，男，江蘇濱海人，工程師。

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