基于AutoBank的土石壩滲流安全分析研究

王 倩

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250)

1 工程概況

某水庫壩址以上控制流域面積160 km2，總庫容1 312×104m3，是一座以防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚為目的綜合利用的中型水庫。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000年一遇洪水校核。攔河壩為均質(zhì)土壩，壩頂全長295 m，壩頂寬5.4 m，壩頂高程75.5 m，最大壩高25.5 m?；A(chǔ)覆蓋層最大深度10.5 m，采用截水槽防滲，截水槽底寬4 m，挖深6.5～7.5 m。在1969年汛期施工過程中，由于人力和抽水設(shè)備不足，靠右岸75 m以及左岸25～50 m壩段最大差3.5 m未清到基巖，形成開窗式防滲，為此在壩前增設(shè)黏土鋪蓋，平均厚度1.5 m，長100～150 m。下游壩腳設(shè)高褥墊大棱體排水，排水體以反濾層與壩體相接，并深入地基以下2 m。攔河壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖1。

圖1 攔河壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2 滲流觀測(cè)資料分析

2.1 滲流觀測(cè)布置情況

滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含壩體滲流監(jiān)測(cè)、壩基滲流監(jiān)測(cè)和壩基滲流量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)施為測(cè)壓管和量水堰。壩體滲流監(jiān)測(cè)斷面3個(gè)，每個(gè)斷面3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)T1-T9，斷面樁號(hào)0+060、0+120、0+172，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于斷面上游壩坡、壩頂及下游壩坡處；壩基滲流監(jiān)測(cè)斷面3個(gè)，每個(gè)斷面3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)J1-J9，斷面樁號(hào)0+060、0+120、0+228，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于上游壩基、下游壩基及下游壩腳處。

2.2 滲流監(jiān)測(cè)資料對(duì)比

由于多年來資料的轉(zhuǎn)移、管理人員的變動(dòng)、整編不及時(shí)等原因，加上部分測(cè)壓管變形、損壞，本文選擇2018年8月10日測(cè)壓管的實(shí)測(cè)值與壩體理論計(jì)算浸潤線進(jìn)行對(duì)比(庫水位68.5 m)。大壩為均質(zhì)土壩，下游壩腳設(shè)棱體排水，根據(jù)地質(zhì)勘察成果，滲透穩(wěn)定計(jì)算采用的大壩各部位滲透系數(shù)見表1。

壩體測(cè)壓管水位實(shí)測(cè)成果見表2。

表1 大壩各部位滲透系數(shù)

表2 壩體測(cè)壓管水位實(shí)測(cè)成果表

壩體滲流觀測(cè)斷面共3個(gè)，樁號(hào)分別為0+060、0+120及0+172，其中樁號(hào)0+120斷面觀測(cè)數(shù)據(jù)明顯異常，故僅對(duì)其余兩個(gè)斷面的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)測(cè)壓管實(shí)測(cè)水位繪制的壩體浸潤線與理論計(jì)算浸潤線對(duì)比見圖2。

圖2 實(shí)測(cè)浸潤線與計(jì)算浸潤線對(duì)比圖

由圖2可以看出，實(shí)測(cè)浸潤線符合均質(zhì)土壩的滲流規(guī)律，且略低于計(jì)算浸潤線。

3 滲流計(jì)算

3.1 計(jì)算工況

3.1.1 穩(wěn)定滲流期

1) 上游正常蓄水位72.90 m，下游無水。

2) 上游設(shè)計(jì)洪水位72.87 m，下游無水。

3) 上游水位59.50 m(壩高1/3處)，下游水位無水。

3.1.2 非穩(wěn)定滲流期

1) 上游水位由正常蓄水72.90 m降至死水位66.00 m以上的任意水位。

2) 上游水位由校核洪水位75.10 m降至正常蓄水位72.90 m。

3.2 計(jì)算方法

大壩滲流計(jì)算采用河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBankv7.0)[1]進(jìn)行計(jì)算。

3.3 穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定滲流期各種工況壩體浸潤線計(jì)算成果見圖3-圖5。

3.4 非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果

庫水位降落速率的判定：根據(jù)調(diào)洪計(jì)算，庫水位由校核洪水位75.10 m降至正常蓄水位72.90的時(shí)間為2.56 h，由正常蓄水位72.90 m降至死水位66.00 m的時(shí)間按灌溉用水情況考慮，經(jīng)計(jì)算為196.4 h。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，K/(μ·v)<0.1，庫水位為驟降；K/(μ·v)>60，庫水位為極緩慢降落；K/(μ·v)<60，庫水位為緩降。其中，K為壩體滲透系數(shù)(m/s)；μ為給水度；v為水位降落速度(m/s)。庫水位降落計(jì)算成果見表3。

圖3 正常蓄水位情況壩體浸潤線

圖4 設(shè)計(jì)洪水位情況壩體浸潤線

圖5 1/3壩高水位情況壩體浸潤線

表3 庫水位降落計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算，庫水位由正常蓄水位72.90 m降至死水位66.00 m和由校核洪水位75.10 m降至正常蓄水位72.90 m均為緩降，需計(jì)算各時(shí)段浸潤線位置。非穩(wěn)定滲流期各種工況壩體浸潤線計(jì)算成果見圖6-圖7。

圖6 正常蓄水位降至死水位壩體浸潤線

圖7 校核洪水位降至正常蓄水位壩體浸潤線

4 大壩滲透穩(wěn)定復(fù)核

4.1 壩基滲流計(jì)算

大壩壩基坐落在礫石層上，設(shè)有壤土截滲槽，其滲流采用AutoBank進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖8-圖13和表4。

圖8 正常蓄水位時(shí)水壓等值線圖

圖9 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)水壓等值線圖

圖10 校核洪水位時(shí)水壓等值線圖

圖11 正常蓄水位時(shí)截滲槽下游及下游壩腳滲透比降圖

圖12 校核洪水位時(shí)截滲槽下游及下游壩腳滲透比降圖

圖13 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)截滲槽下游及下游壩腳滲透比降圖

表4 壩基滲流坡降計(jì)算成果表

根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)[2]，截滲槽與基巖接觸面允許比降壤土[J]水平=3～5；根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)[3]無黏性土允許水力比降[J]水平=0.25～0.4。由表4的計(jì)算結(jié)果可知，各種工況下壩基截滲槽滲流比降以及壩基礫石層的滲流比降分別小于壤土和礫石層的允許滲流比降，壩基截滲槽和壩腳滲透穩(wěn)定滿足要求。

4.2 壩體滲透穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)圖8-圖13，各計(jì)算工況下浸潤線均在下游堆石排水棱體內(nèi)出逸，壩體土和排水棱體間設(shè)有反濾層，因此壩體滲透穩(wěn)定滿足要求。根據(jù)大壩滲流觀測(cè)資料分析和滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，依據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258-2017)[4]，認(rèn)為大壩滲流性態(tài)安全。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)地質(zhì)勘察成果及實(shí)測(cè)滲流資料，通過采用AutoBank軟件進(jìn)行土石壩滲流計(jì)算。在工程實(shí)際應(yīng)用中，得到不同工況下浸潤線、浸潤線的出逸位置、水壓等值線圖、滲流坡降等，為土石壩滲流安全性評(píng)價(jià)提供了可靠的基礎(chǔ)及支持。