延川縣袁家溝水庫褥墊排水對(duì)大壩滲流的影響

，，

(陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018)

本文根據(jù)陜西省延川縣袁家溝水庫工程大壩滲流計(jì)算，通過AUTO BANK軟件計(jì)算大壩的滲流穩(wěn)定，水庫壩基坐落在強(qiáng)透水的強(qiáng)風(fēng)化巖石層上，這就需要下游壩坡進(jìn)行強(qiáng)有力的排水措施排出壩面及壩內(nèi)的滲水，本文通過棱體排水和棱體排水與褥墊排水綜合型式，布設(shè)兩種方案，結(jié)果表明采用綜合排水型式能夠有效排出壩內(nèi)水，有效降低浸潤線，構(gòu)建模型后計(jì)算過程簡單，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定壩坡排水型式，為今后類似工程提供相關(guān)設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

袁家溝水庫位于延川縣城西南約15 km處的袁家溝溝口，距文安驛鎮(zhèn)1.0 km。袁家溝屬清澗河二級(jí)支流，文安驛川右岸一級(jí)支流，流域面積24.5 km2，河道長12.3 km，河道平均比降13.6‰，袁家溝水庫壩址位于袁家溝河入文安驛川河口以上約0.3 km處，壩址以上控制流域面積24.3 km2。該工程任務(wù)以城鎮(zhèn)供水為主。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道及輸水放空建筑物等三部分組成?？値烊?82萬 m3，死庫容220萬 m3，起始興利庫容125萬 m3，50年使用年限淤積庫容320萬 m3，終極興利庫容25萬 m3，滯洪庫容137萬 m3。本工程屬Ⅳ等小(1)型工程，相應(yīng)主要建筑物：大壩、溢洪道、輸水放空洞等為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。水庫樞紐工程防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇設(shè)計(jì)，300年一遇校核，相應(yīng)洪峰流量分別為322 m3/s和517 m3/s。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水放空建筑物三部分組成。其中大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂高程為918.5 m，正常蓄水位912.90 m，設(shè)計(jì)洪水位915.30 m，校核洪水位917.10 m，死水位908.30 m，壩頂寬度6 m，最大壩高35.5 m，壩頂總長為189 m。壩體上游邊坡為1：3；下游壩坡坡比均為1：2.75。按壩體結(jié)構(gòu)要求，該均質(zhì)壩分為壩體、護(hù)坡、排水棱體三個(gè)區(qū)。其中壩體采用黃土狀壤土進(jìn)行填筑，排水棱體和褥墊采用石料和混凝土粗細(xì)骨料進(jìn)行加工，上游坡面采用15 cm厚C25鋼筋混凝土護(hù)坡，下設(shè)20 cm級(jí)配碎石墊層、20 cm細(xì)砂墊層，上游護(hù)坡頂部高程與壩頂齊平為918.50 m，底部交至現(xiàn)狀地面高程，下游坡面采用C20混凝土拱格內(nèi)植草皮護(hù)坡。為方便日后管理，在上游壩坡設(shè)一馬道，高程為909 m，寬2 m；下游坡比1:2.75，設(shè)一級(jí)戧臺(tái)，高程為900.50 m，戧臺(tái)寬2 m，最大壩底寬度為200.7 m。

排水體設(shè)計(jì)：按照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL189-2013)6.9規(guī)定：壩體排水設(shè)施型式應(yīng)綜合下列因素確定：(1)壩型及壩體、壩基材料的性質(zhì)。(2)壩基的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。(3)下游水位。(4)排水設(shè)施的材料及施工條件。(5)壩址區(qū)的氣候條件。壩體排水形式一般采用棱體排水、貼坡排水、褥墊排水及綜合排水四種。經(jīng)綜合考慮因下游水位較高，貼坡排水體雖能防止發(fā)生滲透破壞但是不能有效的降低浸潤線。本次壩體排水采用棱體排水、棱體排水和褥墊排水綜合排水兩種型式進(jìn)行比較后確定。

排水棱體頂部高程由下游最大水深和壩體浸潤線距壩面距離大于最大凍土深度兩種工況確定。本次設(shè)計(jì)因溢洪道下游校核水位為884.7 m，則下游水頭為1.7 m。壩體浸潤線出逸點(diǎn)高程為883.6 m，本地區(qū)最大凍土深度為0.98 m。結(jié)合現(xiàn)狀地形經(jīng)綜合確定壩體排水棱體頂高程為887.0 m。棱體內(nèi)、外坡比均為1:1.5，頂部寬度2.0 m。

設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)大壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，選定棱體排水、棱體排水和褥墊排水綜合排水兩種型式計(jì)算大壩的滲流穩(wěn)定性，最終通過計(jì)算確定本次采用排水棱體與褥墊排水綜合排水形式。褥墊深入壩體的長度根據(jù)規(guī)范、施工難易程度和地質(zhì)情況等綜合考慮確定褥墊深入壩體內(nèi)70 m，褥墊采用砂礫料填筑，反濾層級(jí)配及厚度同排水棱體，褥墊厚度根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)確定為50 cm厚。

2 模型建立

2.1 計(jì)算軟件介紹

計(jì)算采用河海大學(xué)滲流穩(wěn)定分析軟件AUTO BANK ，該軟件主要根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)、《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析-原理、方法、程序》(陳祖毓，中國水利水電出版社)等為編制依據(jù)，采用極限平衡法進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，通過軟件進(jìn)行建模，定義模型的材料參數(shù)，包括容重、滲透系數(shù)、水上和水下土體的物理力學(xué)指標(biāo)等，再給定模型的水頭邊界條件進(jìn)行滲流計(jì)算，通過定義模型的初始邊界條件，最終輸出結(jié)果。

2.2 計(jì)算原理

大壩滲流計(jì)算符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場(chǎng)，水頭勢(shì)函數(shù)滿足微分方程：

(1)

式中：φ=φ(x,y)為待求水頭勢(shì)函數(shù)；x，y為平面坐標(biāo)；Kx，Ky為x，y軸方向的滲透系數(shù)。

水頭φ還必須滿足一定的邊界條件，經(jīng)常出現(xiàn)以下幾種邊界條件：

(1) 在上游邊界上水頭已知φ=φn

(2)

(2) 在逸出邊界水頭和位置高程相等φ=z

(3)

(3) 在某邊界上滲流量q已知

(4)

其中l(wèi)x，ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

將滲流場(chǎng)用有限元離散，假定單元滲流場(chǎng)的水頭函數(shù)勢(shì)φ為多項(xiàng)式，由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式，可導(dǎo)得出線性方程組：

[H]{φ}={F}

(5)

式中：[H]為滲透矩陣；{φ}為滲流場(chǎng)水頭；{F}為節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解以上方程組可以得到節(jié)點(diǎn)水頭，據(jù)此求得單元的水力坡降，流速等物理量。求解滲流場(chǎng)的關(guān)鍵是確定浸潤線位置，Autobank采用節(jié)點(diǎn)流量平衡法通過迭代計(jì)算自動(dòng)確定浸潤線位置和滲流量。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001及本工程實(shí)際情況，確定大壩計(jì)算工況為：

(1)正常蓄水位穩(wěn)定滲流；

(2)正常蓄水位912.90 m降落至放水管底部高程896.00 m降落期非穩(wěn)定滲流。

2.4 計(jì)算材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告成果，確定均質(zhì)土壩壩體、壩基各分區(qū)滲流計(jì)算采用參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 滲流計(jì)算參數(shù)表

2.5 計(jì)算斷面選擇

滲流計(jì)算時(shí)選用最大典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算(圖1)。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)大壩典型斷面，計(jì)算大壩的滲流特性(見圖2)。

圖2 有限元網(wǎng)格剖分圖

3.1 棱體排水下大壩滲流分析

工況一：正常蓄水位穩(wěn)定滲流(見圖3)

圖3 工況一水頭等值線和水力坡降圖

根據(jù)正常蓄水位下水頭等值線圖和水力坡降等值線圖可以看出，水力坡降在上游最大，下游排水棱體處最小，最大值為0.57，最小值為0.008 25。

工況二：正常蓄水位912.90 m降落至放水管底部高程896.00 m降落期非穩(wěn)定滲流(見圖4)

圖4 工況二水頭等值線和水力坡降圖

根據(jù)水位降落期水頭等值線圖和水力坡降等值線圖可以看出，水力坡降在上游水位變動(dòng)區(qū)最大，下游排水棱體處最小，最大值為0.382，最小值為0.054 7。

3.2 棱體排水和褥墊排水下大壩滲流分析

工況一：正常蓄水位穩(wěn)定滲流(見圖5)

圖5 工況一水頭等值線和水力坡降圖

根據(jù)正常蓄水位下水頭等值線圖和水力坡降等值線圖可以看出，水力坡降在上游最大，下游排水棱體處最小，最大值為0.772，最小值為0.089 7。

工況二：正常蓄水位912.90 m降落至放水管底部高程896.00 m降落期非穩(wěn)定滲流(見圖6)

圖6 工況二水頭等值線和水力坡降圖

根據(jù)水位降落期水頭等值線圖和水力坡降等值線圖可以看出，水力坡降在上游水位變動(dòng)區(qū)最大，下游排水棱體處最小，最大值為0.545，最小值為0.061 4。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

兩種排水型式下計(jì)算正常蓄水位工況和水位降落期工況下大壩的浸潤線和水力坡降，可以看出，僅設(shè)排水棱體時(shí)，大壩在下游壩坡浸潤線下降比較慢，而排水棱體和褥墊排水時(shí)，壩體浸潤線在褥墊排水處呈明顯下降趨勢(shì)，壩內(nèi)水能夠快速的從褥墊排出壩外，增強(qiáng)了大壩的滲透穩(wěn)定性。同時(shí)從等值線圖可以看出，增設(shè)褥墊排水后，等值線值在該處明顯變小，說明褥墊增設(shè)后水力坡降變小，有利于壩內(nèi)水的排出。最終確定袁家溝水庫壩坡排水型式采用棱體排水和褥墊排水相結(jié)合的綜合排水型式。

4 結(jié)語

通過進(jìn)行建模計(jì)算，對(duì)袁家溝水庫工程確定合理的壩坡排水型式，最終進(jìn)行比較后確定采用棱體排水和褥墊排水的綜合排水型式，在實(shí)際工程中，有多種綜合排水型式，若遇下游水位較高時(shí)，可采用棱體排水和貼坡排水相結(jié)合的排水型式；若遇壩基透水性較強(qiáng)可選用本次計(jì)算分析的棱體排水和褥墊排水相結(jié)合的排水型式。因此，排水型式的選擇，必須結(jié)合壩基排水的需要和形式、針對(duì)不同的地基和外界因素，選擇合適的壩坡排水型式。