平原水庫(kù)土石壩滲流特性及防滲措施分析

張宗坤

（濱州市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山東 濱州 256600）

打漁張渠首水庫(kù)位于博興縣喬莊鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)庫(kù)容1340萬(wàn)m3，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、人畜飲水和企業(yè)供水為主的平原水庫(kù)，圍壩為碾壓式均質(zhì)土壩。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017），水庫(kù)工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)，庫(kù)區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。本文運(yùn)用理正巖土軟件對(duì)其加固后大壩進(jìn)行滲流分析計(jì)算，從而驗(yàn)證所采取的加固措施防滲效果的有效性。

1 工程概況

1.1 大壩現(xiàn)狀

水庫(kù)始建于1997年，從打漁張引黃閘后通過(guò)十三條渠引黃河水，經(jīng)入庫(kù)泵站直接入庫(kù)，對(duì)黃河水帶來(lái)的泥沙采取以挖待沉的方式。圍壩長(zhǎng)13.1 km，庫(kù)底高程7.5 m，壩頂高程14.0 m，壩頂寬6.0 m，壩內(nèi)外邊坡均為1∶3，沿圍壩四周布置截滲溝一條，場(chǎng)區(qū)地下水位9.29 m?，F(xiàn)狀大壩迎水坡沒(méi)有進(jìn)行防滲、截滲和混凝土板護(hù)坡，受風(fēng)浪剝蝕局部坍塌嚴(yán)重。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀大壩年滲漏總量239.26萬(wàn)m3，為總庫(kù)容的17.86%，滲漏嚴(yán)重，不滿足《平原水庫(kù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 37/1342-2009）7.6規(guī)定，在一般情況下平原水庫(kù)的年滲漏量宜控制在總庫(kù)容的6%～10%以內(nèi)。

1.2 加固措施

擬采取加固措施有：庫(kù)底清淤下挖1.0 m，迎水坡采用聯(lián)鎖預(yù)制混凝土砌塊護(hù)砌，背水坡為草皮護(hù)坡。壩體采用復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)、壩基采用懸掛式截滲墻作為防滲措施。經(jīng)加固后，壩頂高程14.0 m，庫(kù)底高程6.5 m，水庫(kù)設(shè)計(jì)水位12.5 m，平均蓄水位11.5 m，死水位8.5 m。

2 大壩滲流穩(wěn)定分析

2.1 計(jì)算方法

本次滲流計(jì)算采用二維有限元法，具體分析原理是將連續(xù)的滲流分析域離散為有限個(gè)相互連接的單元，在每個(gè)單元內(nèi)用假設(shè)的插值函數(shù)近似代替未知場(chǎng)函數(shù)，通過(guò)求解插值函數(shù)計(jì)算各單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)近似值，進(jìn)而求得整個(gè)滲流分析域的場(chǎng)函數(shù)近似值。具體的實(shí)施步驟為：

1）轉(zhuǎn)化問(wèn)題。將滲流的偏微分方程的定解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為變分問(wèn)題。

2）離散區(qū)域。將求解區(qū)域劃分為一定幾何形狀的單元。

3）確定插值函數(shù)。

4）求解單元滲透矩陣。對(duì)單元進(jìn)行分片插值，以結(jié)點(diǎn)水頭值為未知量的代數(shù)方程組，組裝形成單元滲透矩陣。

5）集成求解域總滲透矩陣。

6）計(jì)算各節(jié)點(diǎn)滲流水頭。將總滲透矩陣聯(lián)合定解條件，確定整個(gè)求解域上的有限元方程，并對(duì)其求解得到各節(jié)點(diǎn)水頭情況。

7）由節(jié)點(diǎn)水頭推算其他滲流物理量并進(jìn)行結(jié)果分析。

本次計(jì)算程序采用北京理正滲流分析計(jì)算系統(tǒng)，其基本方程為：

式中：[K]為透水系數(shù)矩陣；｛H ｝為總水頭向量；[M]為單元儲(chǔ)水量矩陣；｛Q ｝為流量向量；t為時(shí)間。

通過(guò)數(shù)值解法可將此方程解求出，從而得到各節(jié)點(diǎn)未知水頭值及滲流的其他水力要素值。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)《平原水庫(kù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 37/1342-2009），平原水庫(kù)庫(kù)區(qū)及圍壩滲流計(jì)算應(yīng)包括以下水位組合工況。

1）水庫(kù)設(shè)計(jì)蓄水位與背水面相應(yīng)的最低水位。2）水庫(kù)平均蓄水位與背水面相應(yīng)的水位。3）水庫(kù)水位由設(shè)計(jì)蓄水位降落至1/3壩高水位時(shí)圍壩迎水面壩坡穩(wěn)定最不利的情況。

鑒于庫(kù)水降落時(shí)對(duì)上游壩坡穩(wěn)定不利，需考慮壩坡穩(wěn)定最不利情況，本文不涉及邊坡穩(wěn)定分析，故對(duì)此工況不進(jìn)行分析計(jì)算。主要滲流計(jì)算工況詳見(jiàn)表1。

表1 主要滲流計(jì)算工況

2.3 計(jì)算參數(shù)

壩體及壩基滲流計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 壩體及壩基滲流計(jì)算參數(shù)表

2.4 計(jì)算成果

滲流計(jì)算成果見(jiàn)表3，根據(jù)滲流分析計(jì)算結(jié)果繪制的浸潤(rùn)線流網(wǎng)圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 設(shè)計(jì)蓄水位下浸潤(rùn)線流網(wǎng)圖

圖2 平均蓄水位下浸潤(rùn)線流網(wǎng)圖

表3 滲流計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算，壩體采取防滲措施后，各工況下壩體均能滿足滲透穩(wěn)定，年滲漏量最大為10.76萬(wàn)m3，較防滲前減少228.50萬(wàn)m3，防滲效果顯著。

2.5計(jì)算結(jié)果合理性分析

本次計(jì)算為采用理正軟件進(jìn)行，由于滲流分析問(wèn)題本身很復(fù)雜，需要考慮的影響分析結(jié)果的因素也很多，本文在利用軟件進(jìn)行分析模型建立的過(guò)程中對(duì)基本條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，現(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析。兩種計(jì)算工況下，設(shè)計(jì)蓄水位工況下上下游水頭差較大，壩內(nèi)浸潤(rùn)線偏高，滲流量偏大。這與按照達(dá)西定律推求的有限公式法中單寬滲流量與上下游水頭差成正比、浸潤(rùn)線高度與上游水位成正比的規(guī)律相一致。

綜上所述，本次計(jì)算結(jié)果合理。打漁張渠首水庫(kù)經(jīng)采取相應(yīng)加固措施后，水庫(kù)滲漏問(wèn)題得到有效控制。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以濱州市博興縣打漁張渠首水庫(kù)為例，針對(duì)現(xiàn)狀水庫(kù)滲漏嚴(yán)重問(wèn)題，經(jīng)對(duì)大壩壩體采用復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)、壩基采用懸掛式截滲墻作為防滲措施后，根據(jù)滲流特性原理運(yùn)用二維有限元法，通過(guò)滲流分析計(jì)算，防滲效果明顯，在實(shí)際工程加固中可以開(kāi)展實(shí)施。