黏土心墻壩滲流性態(tài)安全分析

(1.山東百盛建工集團(tuán)有限公司，山東 臨沂 276000； 2.臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276000)

土石壩的滲流對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行起著決定性的作用，如何科學(xué)地對(duì)土石壩滲流安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，是土石壩研究的課題之一[1-2]。目前研究土石壩滲流安全性態(tài)的主要方法有實(shí)測(cè)資料分析和數(shù)值計(jì)算兩種[2-3]。

近年來(lái)，諸多學(xué)者分別采用監(jiān)測(cè)資料、有限元計(jì)算分析等方法對(duì)黏土心墻壩滲流安全進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。盧新民[4]等分析了新疆恰甫其海黏土心墻壩滲流監(jiān)測(cè)資料，說(shuō)明帷幕防滲效果良好，運(yùn)行正常。尹小濤[5]等采用有限元計(jì)算方法，設(shè)計(jì)多種工況，對(duì)某黏土心墻壩進(jìn)行滲流安全分析，結(jié)果表明大壩不滿足安全要求，需要進(jìn)行加固處理。

土石壩運(yùn)行期滲流性態(tài)難以精確模擬，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際工況存在差異；土石壩滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)多布置在典型斷面，使監(jiān)測(cè)資料分析存在一定局限[3]。本文對(duì)洋河水庫(kù)黏土心墻壩，綜合運(yùn)用滲流監(jiān)測(cè)資料和數(shù)值模擬計(jì)算的方法，研究壩體滲流安全性態(tài)，以期為該工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有益參考。

1 工程概況

河北省洋河水庫(kù)(又名響水鋪水庫(kù))位于張家口懷來(lái)縣的洋河干流上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程。工程副壩為黏土心墻壩，壩頂高程591.1m，最大壩高15.0m，壩頂為泥結(jié)碎石路面，寬5.0m，長(zhǎng)189.0m。黏土心墻壩上游部分為干砌石護(hù)坡，部分為草皮護(hù)坡，坡比為1∶3.0，下游壩坡為干砌石護(hù)坡和草皮護(hù)坡，坡比為1∶2.5，下游壩坡腳外設(shè)排滲溝。土壩壩基覆蓋層表層為輕砂壤土層，下為砂層和礫卵石層。

2 測(cè)壓管監(jiān)測(cè)成果分析

2.1 監(jiān)測(cè)布置

選擇距右壩頭6m、36m、86m、130m為觀測(cè)斷面，在0+006、0+036、0+086斷面防滲墻上游、防滲墻下游、下游壩坡各布置1個(gè)測(cè)壓管，在0+130斷面防滲墻上游、下游壩坡各布置1個(gè)測(cè)壓管，各斷面測(cè)點(diǎn)均位于壩基砂層和礫卵石層內(nèi)，黏土心墻壩共設(shè)滲流壓力測(cè)點(diǎn)11個(gè)。

表1 測(cè)壓管位置安裝統(tǒng)計(jì)

2.2 監(jiān)測(cè)成果分析

根據(jù)管理處提供的測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2005年6月5日—2017年6月25日)，對(duì)測(cè)壓管水位變化規(guī)律進(jìn)行分析。

根據(jù)綜合分析，測(cè)壓管歷史最大水位、最大年變幅、最大年均值主要集中出現(xiàn)在防滲墻上游，說(shuō)明防滲墻前水位受庫(kù)水位變化影響較大。2005年6月以來(lái)，水庫(kù)最高水位585.6m，未達(dá)到正常蓄水位586.0m。

圖1 0+006斷面測(cè)壓管監(jiān)測(cè)水位歷時(shí)過(guò)程線

圖2 0+006斷面歷史最高水位(585.6m，2016年2月25日)測(cè)壓管水位分布示意圖

圖3 0+006斷面當(dāng)前水位(582.74m，2017年6月25日)測(cè)壓管水位分布示意圖

從圖1～圖3可以看出：?防滲墻上游測(cè)壓管測(cè)值變化與庫(kù)水位相關(guān)性明顯，監(jiān)測(cè)效果良好，庫(kù)水位升高，壩體滲壓增大，壩前的測(cè)點(diǎn)滲透壓力最大，受水位變化影響變幅大；?防滲墻下游測(cè)壓管測(cè)值變化與庫(kù)水位變化相關(guān)性較弱，受水位影響變幅減小，由測(cè)壓管分布示意圖可以明顯看出，防滲墻折減水位效果明顯，起到了較好的防滲作用；?0+036斷面、0+086斷面壩坡測(cè)壓管測(cè)值隨庫(kù)水位漲落變化有一定相關(guān)性，總體變化不大；0+006斷面、0+130斷面壩坡測(cè)壓管測(cè)值變化較小。測(cè)壓管監(jiān)測(cè)水位變化規(guī)律符合土石壩滲流特點(diǎn)。

3 數(shù)值模型及計(jì)算方法概要

3.1 計(jì)算原理

對(duì)于穩(wěn)定滲流，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)——待求水頭勢(shì)函數(shù)；

x，y——平面坐標(biāo)；

Kx，Ky——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：

a.在上游邊界上水頭已知：

φ=φn

(2)

b.在逸出邊界水頭和位置高程相等：

φ=z

(3)

c.在某邊界上滲流量q已知：

(4)

式中l(wèi)x，ly——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(wèn)題的變分形式，可導(dǎo)得出線性方程組

[H]{φ}={F}

(5)

式中 [H]——滲透矩陣；

{φ}——滲流場(chǎng)水頭；

{F}——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(rùn)線位置，Autobank軟件采用節(jié)點(diǎn)流量平衡法通過(guò)迭代計(jì)算自動(dòng)確定浸潤(rùn)線位置和滲流量。

3.2 計(jì)算斷面

為評(píng)估黏土心墻壩滲流情況，依據(jù)平面布置圖，選取最大斷面進(jìn)行滲流計(jì)算，最大斷面見(jiàn)圖4。

圖4 計(jì)算斷面

3.3 水位條件與計(jì)算工況

水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，正常蓄水位為586.0m，設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位分別為587.32m、590.22m，汛前限制水位577.5m。此次滲流分析擬定五種工況進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)表2)。

表2 黏土心墻壩滲流計(jì)算工況

3.4 計(jì)算模型與邊界條件

黏土心墻壩滲流計(jì)算網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖5。計(jì)算過(guò)程中，上游坡面依據(jù)不同計(jì)算工況設(shè)置相應(yīng)的水位邊界條件，下游坡面依據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)水位邊界條件。

圖5 黏土心墻壩計(jì)算斷面

3.5 計(jì)算參數(shù)

滲流計(jì)算參數(shù)參照現(xiàn)場(chǎng)以往取芯試驗(yàn)結(jié)果，并依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)擬定，黏土心墻壩滲流計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 滲流計(jì)算參數(shù)

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 穩(wěn)定滲流計(jì)算

黏土心墻壩四種穩(wěn)定滲流工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，水頭分布情況見(jiàn)圖6。

表4 穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

圖6 黏土心墻壩穩(wěn)定滲流結(jié)果(正常蓄水位)(單位：m)

由表4可見(jiàn)，穩(wěn)定滲流工況下，隨著上游水位抬升，滲流量逐漸增大，壩體最大水力坡降也逐漸增加。校核洪水位工況下，壩體最大水力坡降35.14，發(fā)生在混凝土防滲墻內(nèi)，混凝土防滲墻允許水力坡降80，其他部位的水力坡降均較小，從黏土心墻壩修補(bǔ)加固后運(yùn)行情況來(lái)看，當(dāng)前運(yùn)行條件下不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

由圖6可見(jiàn)，隨著水位升高，壩體浸潤(rùn)線隨之抬升，水力梯度較大區(qū)域主要位于防滲墻中上部位置。從計(jì)算成果來(lái)看，防滲墻起到了較好的防滲效果，與測(cè)壓管監(jiān)測(cè)水位變化情況基本一致，有利于壩體的穩(wěn)定。

4.2 非穩(wěn)定滲流計(jì)算

非穩(wěn)定滲流計(jì)算工況為庫(kù)水位由設(shè)計(jì)洪水位590.22m在48h內(nèi)驟降至汛前水位577.5m。非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，浸潤(rùn)線變化情況見(jiàn)圖7。

表5 滲流計(jì)算成果

圖7 黏土心墻壩水位驟降浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果

由表5、圖7可以分析得出，庫(kù)水位驟降期間，水位驟變過(guò)程中，壩體處于非穩(wěn)定滲流狀態(tài)，浸潤(rùn)線呈突起彎曲狀并不斷變化，且水位變化速率越快，彎曲越明顯，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線變化有一定的滯后[6]。庫(kù)水位減小后，滲流量及最大水力坡降均相應(yīng)減小，在庫(kù)水位降落期間不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

5 結(jié) 語(yǔ)

a.測(cè)壓管監(jiān)測(cè)成果表明：?防滲墻前滲透壓力與庫(kù)水位變化呈正相關(guān)關(guān)系，防滲墻后滲透壓力與庫(kù)水位相關(guān)性弱；?防滲墻折減水位效果較好，實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線符合土石壩滲流一般規(guī)律。

b.滲流計(jì)算結(jié)果表明：?穩(wěn)定滲流工況下，滲流量、壩體最大水力坡降隨上游水位抬升逐漸增大；計(jì)算成果與監(jiān)測(cè)成果變化規(guī)律一致，說(shuō)明防滲墻效果較好；?庫(kù)水位驟降期間，滲流量逐漸減小，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線變化有一定的滯后；?各工況情況下均不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。

現(xiàn)場(chǎng)檢查未發(fā)現(xiàn)下游坡有滲水現(xiàn)象，綜合監(jiān)測(cè)資料分析和滲流計(jì)算成果說(shuō)明黏土心墻壩滲流控制措施合理，當(dāng)前滲流狀況總體滿足大壩安全運(yùn)行要求。