琵琶寺水庫滲流有限元分析

李濤 張玉杰

摘 要：本文選取琵琶寺水庫典型斷面，采用有限元模型對琵琶寺水庫壩體和壩基滲漏進(jìn)行計(jì)算和分析。研究表明，水庫主要通過壩基礫巖層向下游河床滲水;由于壩基黏土鋪蓋層、礫巖層厚度不同，不同壩段灌漿帷幕防滲效果存在差異。除險(xiǎn)加固后，大部分壩段滲漏量顯著減少，說明有限元分析法具有較大的成效。

關(guān)鍵詞：水庫壩體壩基滲漏;有限元;帷幕灌漿

中圖分類號：TV698.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0092-05

Finite Element Analysis of Seepage in Pipa Temple

LI Tao ZHANG Yujie2

Abstract： In this paper， the typical section of Pipa Temple Reservoir is selected， and the seepage of dam body and foundation of Pipa Temple Reservoir was calculated and analyzed by finite element model. The results show that the reservoir seeps into the river bed downstream mainly through the conglomerate layer of dam foundation， and the anti-seepage effect of grouting curtain in different dam sections is different due to the different thickness of clay cover and conglomerate layer of dam foundation. After danger removal and reinforcement， the leakage of most dam sections is significantly reduced， which shows that the finite element analysis method has great effect.

Keywords： reservoir dam foundation seepage;finite element;curtain grouting

1 工程概述

琵琶寺水庫位于湯陰縣宜溝鎮(zhèn)西5km，衛(wèi)河湯河支流永通河上游，控制流域面積30km2。工程主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪洞、引淇工程及南北灌溉洞等。其中，大壩為均質(zhì)壩，壩頂高程125.50m，壩長1 176m[1-3]。

琵琶寺水庫始建于1958年，建設(shè)及擴(kuò)建過程可分為三個(gè)階段，三個(gè)階段填土成分和質(zhì)量差異較大，壩體分為不同分區(qū)。第一階段為小型水庫階段（1958—1967年），壩體填土為壩體1區(qū);第二階段是由小型水庫擴(kuò)大到中型水庫階段（1968—1973年），壩體填土為壩體2區(qū);第三階段為中型水庫擴(kuò)大提高階段（1974—1981年），壩體填土均為壩體3區(qū)。2001年大壩安全鑒定后，2002年10月至2006年7月對水庫大壩進(jìn)行了壩基防滲帷幕灌漿，范圍為大壩樁號0-100至樁號1+276，全長1 376m;垂直灌漿范圍為向上包含天然覆蓋層并伸入壩體2m，向下伸入相對不透水泥巖層5m。施工過程中，因種種原因，取消了壩體及天然覆蓋層的灌漿，僅對壩基礫巖進(jìn)行了灌漿，下部進(jìn)入泥巖2m?？⒐ず蠼?jīng)檢驗(yàn)，灌漿質(zhì)量滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。水庫運(yùn)行后，水庫滲漏量較之前有所減少，下游耕地沼澤化有所減輕。

工程場區(qū)勘探深度范圍內(nèi)，揭露的地層為第四系全新統(tǒng)（Q4alp）沖洪積物、第四系中更新統(tǒng)（Q2alp）沖洪積物和新近系上新統(tǒng)鶴壁組（N2h），土層2為粉質(zhì)黏土（Q2alp），土層3為黏土巖、泥灰?guī)r，土層4為礫巖，土層為5黏土巖、泥灰?guī)r。

2 大壩滲流計(jì)算

2.1 計(jì)算斷面及參數(shù)選取

自2002年琵琶寺水庫除險(xiǎn)加固以來，琵琶寺水庫保持在較低庫水位運(yùn)行狀態(tài)。為預(yù)測未來高水位情況下的大壩滲流狀態(tài)，并補(bǔ)充和驗(yàn)證觀測資料分析成果，有必要采用有限元進(jìn)行滲流計(jì)算分析。

結(jié)合壩體質(zhì)量、水文地質(zhì)、監(jiān)測設(shè)施布置等，選取河槽段0+595、左岸0+400、右岸0+800斷面作為滲流有限元計(jì)算分析的典型斷面。由地質(zhì)勘察結(jié)果和施工資料可知，大壩分多個(gè)階段加高培厚，樁號0+500～0+700合攏段113.00～109.00m高程為水中倒土未經(jīng)碾壓部分，含水量高達(dá)28%，干容重小，壩體質(zhì)量差。樁號0+250～0+655段為1968年填筑土料不合格范圍，大部分為泥巖和泥灰?guī)r碾壓而成，孔隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)疏松。為此，將壩體斷面分為1958年、1964年和1968年三個(gè)部分，建立的有限元模型如圖1至圖3所示。

斷面各區(qū)滲透系數(shù)初始值根據(jù)地勘資料、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及一般工程經(jīng)驗(yàn)確定，具體參數(shù)見表1。

2.2 滲流計(jì)算參數(shù)反演分析

依據(jù)近年來庫水位較高且較穩(wěn)定情況下的壩體壩基滲流場的實(shí)測觀測資料進(jìn)行滲流計(jì)算參數(shù)的反演分析?？紤]到觀測資料的完備性和斷面的代表性，采用河槽段0+595斷面、臺地段0+400斷面、0+800斷面三個(gè)斷面2012年11月26日（庫水位121.06m）的壩體、壩基測壓管監(jiān)測資料。計(jì)算斷面各區(qū)滲透系數(shù)初始值時(shí)，根據(jù)地勘資料、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及一般工程經(jīng)驗(yàn)確定。反演與實(shí)測結(jié)果對比見表2，反演調(diào)整后的滲透參數(shù)見表3。從表格可以看出，0+595斷面、0+800斷面的反演計(jì)算值結(jié)果與滲流觀測值吻合較好。

2.3 計(jì)算分析工況

根據(jù)琵琶寺水庫的實(shí)際情況以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的需要，參考《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2001），確定大壩滲流性態(tài)分析的計(jì)算工況為：①正常蓄水位121.00m+下游相應(yīng)的最低水位形成的穩(wěn)定滲流;②設(shè)計(jì)洪水位123.51m+下游相應(yīng)的水位形成的穩(wěn)定滲流;③校核洪水位124.92m+下游相應(yīng)的水位形成的穩(wěn)定滲流。其中考慮本次洪水復(fù)核的特征水位略高于設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位選取本次復(fù)核值。

2.4 有限元計(jì)算

采用圖1至圖3的有限元模型，以及表3中反演的滲透系數(shù)，計(jì)算河槽段、臺地段三個(gè)斷面在上述工況下相應(yīng)部位的滲流要素。

2.4.1 0+595斷面。河槽段0+595斷面各工況下的滲流場等勢線如圖4所示，各工況下關(guān)鍵部位的滲流要素見表4。計(jì)算得到的滲透坡降與觀測值計(jì)算成果較為接近。

2.4.2 0+400斷面。0+400斷面正常蓄水位下的滲流場等勢線如圖5所示。由于在已知條件下，反演計(jì)算值與實(shí)測值相差較大，正常水位條件下斷面的滲流場分析結(jié)果僅作參考，其他工況不做分析。

2.4.3 0+800斷面。0+800斷面各工況下的滲流場等勢線如圖6所示，各工況下關(guān)鍵部位的滲流要素見表5。計(jì)算得到的滲透坡降與觀測值計(jì)算成果十分接近。

3 計(jì)算成果分析

①0+595斷面、0+800斷面計(jì)算的等勢線分布符合一般均質(zhì)土壩的滲流規(guī)律，壩體浸潤線較低;灌漿帷幕的防滲效果明顯，帷幕消耗了大部分水頭，礫巖層的滲透坡降略大，但尚在允許值內(nèi);0+400斷面計(jì)算的礫巖層的滲透坡降略大，結(jié)合實(shí)測資料，推斷設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位下存在滲透破壞可能。因此，帷幕防滲效果較好的壩段，壩基礫巖層基本滿足滲透穩(wěn)定要求;防滲效果欠佳的壩段，高水位下局部存在滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

②水庫主要通過壩基礫巖層向下游河床滲水，由于壩基黏土鋪蓋層、礫巖層厚度不同，不同壩段灌漿帷幕防滲效果的存在差異，除險(xiǎn)加固后大部分壩段滲漏量顯著減少;但部分壩段滲漏量仍然較大。從表4、表5中的滲流量計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)庫水位在正常蓄水位121.00m時(shí)，全壩段平均單寬滲流量為3.3m3/m·d，以壩長1 200.0m計(jì)，大壩日滲漏量約為3 960m3/md，年滲漏量約為144.54萬m3;對比實(shí)際庫容，水庫滲漏損失較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧廷浩.士力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2002.

[2]河南省湯陰縣琵琶寺水庫大壩安全評價(jià)報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2015.

[3]湯陰縣琵琶寺水庫除險(xiǎn)加固工程水文地質(zhì)勘察報(bào)告[R].安陽：河南省豫北水利勘測設(shè)計(jì)院，2001.