庫區(qū)淤積物對大壩滲流安全的影響評價分析

(博州水利水電勘測設(shè)計(jì)院，新疆 博樂 833400)

庫區(qū)淤積物對大壩滲流安全的影響評價分析

王凱博

(博州水利水電勘測設(shè)計(jì)院，新疆 博樂 833400)

本文以博爾塔拉河五一水庫庫區(qū)淤積物為例，采用有限元法分析計(jì)算庫區(qū)淤積物對大壩滲流安全的影響程度。結(jié)論表明：壩前淤積物對大壩安全有很好的促進(jìn)作用。

淤積物；滲流安全；評價

1 工程概況

五一水庫位于新疆博樂市境內(nèi)的博爾塔拉河中下游河道上，壩址以上集雨面積6627km2，總庫容1960萬m3，是一座以灌溉為主，兼顧防洪和發(fā)電等綜合利用的中型水庫。1966年動工興建，1976年完工投入運(yùn)行，2005年完成除險(xiǎn)加固。樞紐工程由攔河壩、溢洪道、放水洞、發(fā)電廠房等建筑物組成。大壩壩線總長3.15km。在近50年的運(yùn)行過程中，水庫壩前庫區(qū)天然落淤形成一層淤泥質(zhì)土。

2 大壩結(jié)構(gòu)

大壩0+000～1+100段為黏土心墻加垂直混凝土防滲墻砂礫石壩，典型斷面如圖1所示。

大壩1+100～3+150段為黏土心墻砂礫石壩，典型斷面如圖2所示。

2.1 壩前淤積物特性

2.1.1 0+000～1+100段

壩前淤泥質(zhì)土屬低液限黏土(CL)，天然濕密度1.98～2.02g/cm3，天然含水率21.1%～23.6%，天然干密度1.62～1.63g/cm3，0.075mm以上砂粒含量約12.5%，0.075～0.005mm粉粒含量約55.5%，0.005～0.002mm黏粒含量約32%，小于0.002mm膠粒含量約17%，塑性指數(shù)約10.5，比重2.73。

圖1 五一水庫1+000斷面示意圖(單位： m)

圖2 五一水庫大壩1+900斷面示意圖(單位： m)

2.1.2 1+100～3+150段

由于地形變化較大引起庫水位變幅相對較大，該段庫內(nèi)淤積厚度較薄，造成壩基滲漏較為嚴(yán)重，除險(xiǎn)加固前壩后15～50m的坑槽內(nèi)存在沼澤濕地。根據(jù)現(xiàn)場取樣試驗(yàn)，淤積物屬低液限黏土(CL)或低液限粉土(ML)，天然濕密度1.85～2.03g/cm3，天然含水率16.8%～26.6%，天然干密度1.58～1.64g/cm3，0.075mm以上砂粒含量8.5%～20.0%，0.075～0.005mm粉粒含量45.0%～59.0%，0.005～0.002mm黏粒含量23.0%～46.0%，小于0.002mm膠粒含量14.0%～24.0%，塑性指數(shù)9.2～12.1，比重2.72～2.75。

3 滲流有限元計(jì)算分析

3.1 0+000～1+100壩段

該段對壩體護(hù)坡采用現(xiàn)澆混凝土處理后，經(jīng)過幾十年運(yùn)行，由于天然落淤，庫內(nèi)在厚約2.0～3.0m的壩基粉質(zhì)壤土上又形成一層厚約1～3m的淤泥質(zhì)土。

選擇1+000斷面作為該壩段滲流有限元計(jì)算典型斷面，其各區(qū)滲透系數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告[1]確定，見表1。其中庫區(qū)淤積物(淤泥質(zhì)土)的滲透系數(shù)首先參考壩基粉質(zhì)壤土取用，計(jì)算結(jié)果如圖3和表2所示?？梢姡?dāng)庫水位從正常蓄水位與設(shè)計(jì)洪水位528.50m上升到校核洪水位529.00m時，上游壩基粉質(zhì)壤土垂直向下的水力坡降為0.690～0.758，大于其容許水力比降0.59，小于其臨界水力比降0.89；壩基砂卵礫石層水平坡降為0.005，小于其容許水力比降0.1；下游壩腳附近滲流出口粉質(zhì)壤土垂直向上坡降為0.766～0.840，大于其容許水力比降0.59，小于其臨界水力比降0.89。因此，該壩段壩基粉質(zhì)壤土的滲透穩(wěn)定性不滿足要求。對比表3，滲流量也比采取垂直混凝土防滲墻處理方案有顯著增加，正常蓄水位情況下增長近8倍，校核洪水位情況下增長近7倍。

表1 五一水庫左副壩1+450斷面滲流場各區(qū)滲透系數(shù)

圖3 1+750斷面滲流場等勢線分布示意圖

編號取樣深度比重液限塑限塑性指數(shù)粒徑組成/mm5～22～0505～025025～00750075～0005<0005<0002m%%不均勻系數(shù)曲率系數(shù)有效粒徑CuCcd10mm土樣定名1+0000～20273255150105———12555532017016514000097CL1+9000～14273250147103———14056030017023412000094CL2+3350～16275355198157———8545546024011114000072CL2+6850～1327223214092———21054025016039319000084ML3+1500～09273250142108———19051030016022011000100CL

而根據(jù)庫區(qū)淤積物現(xiàn)場取樣顆分試驗(yàn)資料(見表2)，按下式計(jì)算淤積物的滲透系數(shù)約為10-6cm/s量級。

式中d10——淤積物的有效粒徑，mm；

e——淤積物的孔隙比。

為此，按淤積物滲透系數(shù)k3=1×10-6cm/s，其他各區(qū)滲透系數(shù)同表2進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果一并列于表2和圖3。此時，由于淤泥質(zhì)土成了壩基相對不透水層，消殺大部分水頭，其下粉質(zhì)壤土層承擔(dān)的水頭則大大降低，當(dāng)庫水位從正常蓄水位與設(shè)計(jì)洪水位528.50m上升到校核洪水位529.00m時，上游壩基粉質(zhì)壤土垂直向下的水力坡降為0.009～0.01，小于其容許水力比降0.59；壩基砂卵礫石層水平坡降為0.001～0.002，小于其容許水力比降0.1；下游壩腳附近滲流出口粉質(zhì)壤土垂直向上的坡降為0.134～0.168，小于其容許水力比降0.59，壩基滲透穩(wěn)定性滿足要求，大壩滲流量也顯著減小，與水庫實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀基本相符。

3.2 1+100～3+150壩段

選擇1+900斷面作為該壩段滲流有限元計(jì)算典型斷面，其各區(qū)滲透系數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告[2]確定，見表3。其中庫區(qū)淤積物(淤泥質(zhì)土)的滲透系數(shù)參考壩基粉質(zhì)壤土取用。

由于該壩段庫內(nèi)淤積厚度較薄，運(yùn)行中壩后曾出現(xiàn)較為嚴(yán)重的壩基滲漏，同時假定不考慮淤積物的防滲作用進(jìn)行計(jì)算。

表3 五一水庫左副壩1+900斷面滲流場各區(qū)滲透系數(shù)

計(jì)算結(jié)果見表4并如圖4、圖5所示。可見，在考慮庫區(qū)淤積物的防滲作用時，當(dāng)庫水位從正常蓄水位與設(shè)計(jì)洪水位528.50m上升到校核洪水位529.00m時，上游壩基粉質(zhì)壤土垂直向下的水力坡降為0.314～0.325，小于其容許水力比降0.59；壩基砂卵礫石層水平坡降為0.012～0.015，小于其容許水力比降0.1；下游壩腳附近滲流出口粉質(zhì)壤土垂直向上的坡降為0.264～0.33，小于其容許水力比降0.59。因此，該段壩基滲透穩(wěn)定性是有保證的。

當(dāng)不考慮庫區(qū)淤積物的防滲作用時，上游壩基粉質(zhì)壤土垂直向下的水力坡降為0.391～0.441，小于其容許水力比降0.59；壩基砂卵礫石層水平坡降為0.013～0.016，小于其容許水力比降0.1；下游壩腳附近滲流出口粉質(zhì)壤土垂直向上的坡降為0.29～0.363，小于其容許水力比降0.59?？梢?，即使不考慮庫區(qū)淤積物的防滲作用，壩基滲透穩(wěn)定性也滿足要求。

圖4 1+900斷面考慮庫區(qū)淤積物防滲作用時滲流場等勢線分布示意圖

圖5 1+900斷面不考慮庫區(qū)淤積物防滲作用時滲流場等勢線分布

表4 1+900計(jì)算斷面在各種計(jì)算情況下關(guān)鍵部位滲流要素

4 結(jié) 語

a. 0+000～1+100壩段，考慮壩前淤積物的防滲作用時，壩基粉質(zhì)壤土的滲透穩(wěn)定性才能滿足要求，由此可見壩前淤積物對滲流安全有很好的保護(hù)作用。

b. 1+100～3+150心墻壩段由于地面高程較高，壩高與擋水高度較低，在不采取壩基防滲處理措施和不考慮庫盆淤積物的防滲作用下，壩基滲透穩(wěn)定性滿足要求，且有相當(dāng)?shù)陌踩６取?/p>

[1] 毛昶熙. 滲流計(jì)算分析與控制[M]. 北京： 水利水電出版社， 1990.

[2] 毛昶熙. 滲流數(shù)值計(jì)算與程序應(yīng)用[M]. 南京： 河海大學(xué)出版社，1999.

Evaluationandanalysisoftheinfluenceofreservoiraccumulationondamseepagesafety

WANG Kaibo

(BozhouWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Bole833400,China)

In the paper, Bortala River Wuyi Reservoir accumulation is adopted as an example. Finite element method is adopted for analyzing and calculating the influence of reservoir accumulation on dam seepage safety. The conclusion shows that the accumulation before the dam plays a promoting role to dam safety.

accumulation; seepage safety; evaluation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.006

TV697.2+2

A

1005-4774(2017)012-0020-05