工農(nóng)水庫大壩滲流穩(wěn)定安全鑒定分析與評(píng)價(jià)

趙 川, 蘇利軍, 何 歡

(1. 四川省水利科學(xué)研究院, 四川 成都 610072; 2. 四川君信工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司, 四川 成都 610091;3. 四川省內(nèi)江市東興區(qū)水務(wù)局, 四川 內(nèi)江 641100; 4. 西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 四川 成都 610039)

我國(guó)是世界上水庫數(shù)量最多的國(guó)家,同時(shí)也是水庫病險(xiǎn)問題日益凸顯的國(guó)家[1].根據(jù)水利部編制的各期病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固規(guī)劃,我國(guó)病險(xiǎn)水庫總量約有6.02萬座,數(shù)量龐大,分布廣泛[2].在“十五”期間,我國(guó)加大了對(duì)大中型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固的投資力度.我國(guó)大型水庫的病險(xiǎn)率已由1999年底的42%下降到14%,中型水庫病險(xiǎn)率由41%下降到25%,取得了良好效果[3].而根據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)中小型病險(xiǎn)水庫數(shù)量達(dá)到5.74萬座,占病險(xiǎn)水庫總數(shù)量的95.3 %.2011年中央一號(hào)文件要求在“十二五”期間應(yīng)基本完成小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固任務(wù).因此,小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固是當(dāng)前我國(guó)病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固工作的重點(diǎn),而準(zhǔn)確定量地評(píng)估大壩的滲透穩(wěn)定更是水庫安全鑒定工作的重中之重.

時(shí)鐵城[4]等采用有限元法分析了庫水位驟降條件下英布魯水電站土石壩的非穩(wěn)定滲流場(chǎng),發(fā)現(xiàn)土石壩在水庫敞泄時(shí),上游壩坡的安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求,庫水位按設(shè)計(jì)推薦的庫水位降落速度控制,上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求;羅春[5]等基于Van Genuchten非飽和滲流模型,綜合分析了水位驟降工況下土石壩滲流穩(wěn)定問題,發(fā)現(xiàn)上游水位的變化對(duì)壩體滲流量的影響較大,庫水位急劇降落易使浸潤(rùn)線形成逆向滲流形態(tài),并造成土石壩壩坡穩(wěn)定性的降低;S.E.Cho[6]等對(duì)路堤滲流進(jìn)行了概率分析,通過對(duì)傳統(tǒng)滲流分析方法進(jìn)行擴(kuò)展,提出了一種描述層狀土壤水力傳導(dǎo)系數(shù)的不確定性和空間變化的概率方法,利用所生成的隨機(jī)場(chǎng)對(duì)堤壩地基系統(tǒng)進(jìn)行了滲流分析,研究了水力傳導(dǎo)系數(shù)的空間異質(zhì)性對(duì)滲流的影響,證明了該概率框架可以有效地考慮地基滲透系數(shù)的空間變異性.

本文基于非飽和滲流有限元理論,采用AutoBank軟件對(duì)工農(nóng)水庫大壩目前的滲流穩(wěn)定進(jìn)行系統(tǒng)分析,旨在發(fā)現(xiàn)壩體目前存在的滲流穩(wěn)定問題,為后期水庫整治提供參考.

1 工程概況

工農(nóng)水庫位于四川省內(nèi)江市東興區(qū)三烈鄉(xiāng)羅皇村,距東興城區(qū)28 km,工程位于沱江水系富溪河的一級(jí)支流上游,該水庫于1972年3月建成,是一個(gè)典型的20世紀(jì)七八十年代修建的小水庫.水庫壩址以上集雨面積1.26 km2,總庫容73.8×104m3,正常蓄水位351.6 m,正常庫容55.3×104m3,死水位347.6 m,死庫容22.4×104m3.工農(nóng)水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主,兼有防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益的小(二)型水利工程,設(shè)計(jì)灌溉面積45.3 hm2,有效灌溉面積24.7 hm2.水庫建成運(yùn)行多年來,對(duì)下游防洪保安,解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水,促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展,發(fā)揮了重大作用.

工農(nóng)水庫大壩為均質(zhì)土壩,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn):壩頂高程353.85 m,壩頂長(zhǎng)100 m,最大壩高13.52 m,頂寬2.77 m.壩頂設(shè)漿砌條石防浪墻,尺寸為0.3 m×0.9 m(寬×高).大壩上游壩坡坡比為1∶1.72,大壩下游壩坡分3級(jí),自上而下坡比分別為1∶1.5、1∶1.14、1∶8.大壩壩基為侏羅系中統(tǒng)遂寧組(J2sn)粉砂質(zhì)泥巖上,其承載力與變形強(qiáng)度均能滿足土石壩要求.

目前,大壩年久失修,上下游壩坡已長(zhǎng)滿雜草,加上表層壩體土流失,造成下游壩坡過陡,穩(wěn)定性較差,排水棱體被下游魚塘覆蓋,已基本失效,壩體局部存在滲漏.根據(jù)當(dāng)?shù)厮畮旃芾碚镜姆磻?yīng),目前壩體滲漏點(diǎn)主要有2處,一處位于后壩坡二級(jí)馬道上部坡面,另一處位于右側(cè)山體排水溝表面,具體如圖1所示.

圖1 工農(nóng)水庫大壩現(xiàn)狀Fig.1 The status of Gongnong Reservoir Dam

圖2工農(nóng)水庫Google影像
Fig.2 Google image of T Gongnong Reservoir

2 研究方法

2.1 滲流有限元基本理論

根據(jù)達(dá)西滲透定律,巖土體非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的控制性微分方程可表述為

式中:?x、?y分別為x、y軸方向;kx、ky分別為x、y方向的滲透系數(shù);H為水頭向量,Q為邊界滲漏量;Mw為水土特征曲線的斜率;γw為水重度.進(jìn)一步采用(Glerkin)加權(quán)余量法,則可推導(dǎo)出有限元滲流方程[7-10]

式中:τ為單元厚度;A為單元面積;λ為Mwγw;B為水力梯度矩陣;C為單元導(dǎo)水率矩陣;H為水頭向量;N為插值函數(shù)向量;q為單元邊界單位滲流量;L為單元邊長(zhǎng).

2.2 計(jì)算方法及工況選取

大壩體的穩(wěn)定性計(jì)算主要考慮水位以上坡體的滲流壓力,而水位以下部分,將坡面以上水體視為一種有重度無強(qiáng)度的特殊材料,根據(jù)該思路,本次壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典法、畢肖普法和摩根斯頓法.

工農(nóng)水庫正常蓄水位為351.6 m,校核水位為353.3 m,死水位為347.6 m.結(jié)合實(shí)際臥管的放水速率,庫水位下降速率為0.5 m·d-1,根據(jù)SL189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,本次選取3種運(yùn)行工況進(jìn)行分析,滲流穩(wěn)定計(jì)算工況設(shè)置見表1.

表1 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算工況Table 1 Dam seepage stability calculation conditions

根據(jù)大壩工程地質(zhì)條件,采用AutoBank軟件計(jì)算分析各工況下壩體內(nèi)瞬時(shí)浸潤(rùn)線變化規(guī)律,并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模塊中,運(yùn)用剛體極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算[11-16].結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取樣及室內(nèi)土體試驗(yàn)報(bào)告,壩體二維滲流計(jì)算主要物理力學(xué)參數(shù)見表2,計(jì)算模型見圖3.

表2 壩體材料主要物理力學(xué)參數(shù)Table 2 The main physical and mechanical parameters of dam materials

圖3工農(nóng)水庫大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算模型

Fig.3 Calculation model for seepage stability of Gongnong Reservoir Dam

3 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果及分析

分別采用瑞典法、畢肖普法和摩根斯頓法計(jì)算了壩體在3種運(yùn)行工況下的滲流穩(wěn)定,包含穩(wěn)定滲流期及非穩(wěn)定滲流期,計(jì)算結(jié)果見表3所示.通過與規(guī)范最小值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)上游壩坡在各種運(yùn)行工況下均大于規(guī)范值,說明上游壩坡穩(wěn)定性良好,水位驟降(工況3)時(shí)上游壩坡安全系數(shù)明顯小于穩(wěn)態(tài)滲流期(工況1、2)的壩坡安全系數(shù);

表3 不同工況大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Table 3 Dam seepage stability calculation results for different working conditions

而下游壩坡僅在工況3時(shí)安全系數(shù)大于規(guī)范值,其余工況均小于規(guī)范值,其中工況2時(shí)下游壩坡穩(wěn)定性最差,即上游為校核洪水位時(shí)形成的穩(wěn)定滲流期,瑞典法、畢肖普法和摩根斯頓法計(jì)算結(jié)果分別為1.024、1.088和1.094.這是由于當(dāng)前的大壩下游壩坡坡度比上游壩坡更陡,因此下游壩坡穩(wěn)定性相對(duì)更差,3種方法計(jì)算結(jié)果中瑞典法計(jì)算的安全系數(shù)最小,而畢肖普法和摩根斯頓法計(jì)算結(jié)果相差不大.

圖4給出了3種工況下壩體的浸潤(rùn)線及滑裂面分布情況.可見在正常蓄水位(工況1)時(shí),浸潤(rùn)線與下游壩坡二級(jí)馬道相交,高程346.30 m,說明滲流在坡面溢出,而經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,同樣發(fā)現(xiàn)了2處滲漏點(diǎn)(圖5),說明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符.正常蓄水位和校核洪水位工況下的單寬滲漏量分別為1.3×10-6m3·s-1、1.6×10-6m3·s-1,最大滲透比降Jmax分別為0.58和0.67,說明上游水位越高,單寬滲漏量和滲透比降也越大.而在驟降工況3時(shí),以臥管的最大放水速率(0.5 m·d-1)放水時(shí),各時(shí)刻瞬時(shí)浸潤(rùn)線隨庫水位的下降而下降,且浸潤(rùn)線的最高點(diǎn)均位于上游壩坡坡面,說明此時(shí)壩體不會(huì)出現(xiàn)明顯的滯水現(xiàn)象.

圖4 不同工況大壩浸潤(rùn)線及滑裂面分布

圖5下游壩坡坡面滲漏處
Fig.5 Slope surface leakage of downstream slope

以上滲流計(jì)算結(jié)果表明:下游壩坡溢出點(diǎn)高程高于排水棱體,說明目前該大壩的排水棱體處于失效狀態(tài),壩體出現(xiàn)滲漏,不能滿足排水要求.

由于上游壩坡的穩(wěn)定受上游水位驟降的影響很大,進(jìn)一步計(jì)算了庫水位從正常蓄水位351.6 m驟降至死水位347.6 m時(shí)上游壩坡穩(wěn)定性變化情況,結(jié)果見圖6.3種方法計(jì)算結(jié)果均說明隨著庫水位的下降,上游壩坡穩(wěn)定性急劇降低,其中以351.0～349.5 m期間最為明顯.同樣的,3種方法中瑞典法計(jì)算的安全系數(shù)最小,而畢肖普法和摩根斯頓法很接近,摩根斯頓法稍大.這是由于瑞典法抗剪強(qiáng)度計(jì)算僅考慮了土體內(nèi)摩擦角的影響,認(rèn)為土體為非粘性土,所以計(jì)算結(jié)果偏小,偏安全,不經(jīng)濟(jì),而實(shí)際上壩土體具有粘聚力.因此,建議以畢肖普法和摩根斯頓法的計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù).

圖6 水位驟降時(shí)上游壩坡安全系數(shù)

4 結(jié) 論

基于非飽和滲流有限元理論,采用AutoBank軟件對(duì)工農(nóng)水庫大壩目前的滲流穩(wěn)定進(jìn)行了系統(tǒng)分析,計(jì)算了不同工況下上下游壩坡的安全系數(shù)、浸潤(rùn)線、滲漏量和滲透比降,得到以下結(jié)論.

(1) 上游壩坡穩(wěn)定性在各種運(yùn)行工況下均大于規(guī)范值,而下游壩坡在穩(wěn)定滲流工況時(shí)的安全系數(shù)小于規(guī)范值要求.瑞典法計(jì)算的安全系數(shù)小于畢肖普法和摩根斯頓法.

(2) 水庫蓄水位越高,大壩的單寬滲漏量和滲透比降也越大.下游壩坡溢出點(diǎn)高程高于排水棱體,排水棱體處于失效狀態(tài),壩體出現(xiàn)滲漏,與實(shí)際監(jiān)測(cè)情況一致.

(3) 隨著庫水位的下降,上游壩坡穩(wěn)定性急劇降低,其中以351.0～349.5 m期間最為明顯.

根據(jù)SL 258—2017《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》有關(guān)規(guī)定,綜合對(duì)工農(nóng)水庫的滲流穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià):將大壩滲流安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定鑒定為C級(jí),屬三類壩,需及時(shí)進(jìn)行整治,建議對(duì)下游壩坡進(jìn)行放緩處理;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況,坡度放緩至1∶1.8為宜;同時(shí)應(yīng)拆除并重建下游排水棱體,降低壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線,從而提高大壩下游壩坡整體穩(wěn)定性.

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