泗安水庫加固前后大壩滲流特征有限元分析

劉 雷，鮑志強

（1.浙江華東工程建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概況

長興縣泗安水庫位于西苕溪泗安塘上游，壩址位于長興縣泗安鎮(zhèn)境內(nèi)，距泗安鎮(zhèn)4.5 km。壩址以上控制流域面積108 km2，主流長度19.5 km，總庫容5000 萬m3，發(fā)電裝機容量320 kW，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。保護下游泗安鎮(zhèn)、林城鎮(zhèn)15 萬人口和24 萬畝農(nóng)田，以及318 國道、滬渝高速、杭長高速、04 省道、宣杭鐵路部分重要交通設(shè)施的防洪安全，水庫設(shè)計灌溉面積2 萬畝。

本次除險加固初步設(shè)計復(fù)核泗安水庫工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3 級，次要建筑物為4 級。水庫防洪標準100年一遇洪水設(shè)計，1000年一遇洪水校核。相應(yīng)水庫正常蓄水位12.62 m，設(shè)計洪水位16.52 m，校核洪水位17.47 m。

泗安水庫原設(shè)計是一座以防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電等綜合利用功能的中型水庫，曾多次續(xù)建和加固，運行近50年來，充分發(fā)揮了攔洪削峰蓄水的作用，緩解了下游防洪壓力，較好地解決了下游灌區(qū)農(nóng)田灌溉用水問題，但因泗安水庫大壩排水設(shè)施不滿足規(guī)范要求，易造成滲流和穩(wěn)定隱患；大壩壩體填筑質(zhì)量較差，不滿足規(guī)范要求，且大壩局部地段和壩基均存在滲漏隱患；大壩壩肩存在接觸滲漏；泄洪閘和壩體之間存在接觸滲漏，消力池破損，存在結(jié)構(gòu)隱患和滲流隱患，影響大壩安全；大壩存在白蟻危害，影響大壩安全運行，工程效益得不到充分發(fā)揮。因年久失修隱患不斷發(fā)展，愈來愈嚴重地影響水庫的安全運行。因此，對泗安水庫樞紐工程進行除險加固是非常必要和十分緊迫的。

2 工程病險現(xiàn)狀及主要工程措施

2.1 泗安水庫病險現(xiàn)狀

①泗安水庫大壩壩體填料碾壓不均一，多處壩段壓實度較低，壩體滲透系數(shù)偏大，整體防滲效果較差；②設(shè)計洪水位和校核洪水位工況下，大壩浸潤線出溢點較高，易產(chǎn)生滲透破壞；③壩基中下部存在中等透水砂礫石層，是基礎(chǔ)滲漏的主要通道；④左右壩肩存在嚴重的繞滲問題。

大壩抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果表明：在正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位等工況下，上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值；在施工期條件下，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范允許值，壩坡穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。其現(xiàn)場檢查照片見圖1。

圖1 大壩病險現(xiàn)狀

遵照水利部《水庫大壩安全鑒定辦法》等有關(guān)文件，湖州市水利局組織專家對泗安水庫工程進行安全鑒定，主要結(jié)論如下：目前，大壩上游護坡砌石破損、松動，塊石粒徑偏??；大壩壩體填筑質(zhì)量差，滲透系數(shù)局部偏大，非常運行工況下壩體浸潤線高，基礎(chǔ)和壩肩存在中等透水層，是滲流的主要通道。

2.2 大壩工程措施

大壩壩基表層分布8 m～10 m 厚相對不透水的粉質(zhì)粘土，中間夾中等透水性的砂礫石或粉細砂，具微承壓性，下部為弱透水性巖基，在保證滲透穩(wěn)定的情況下，可不作處理。根據(jù)原安全鑒定資料分析，左壩頭全、強風化泥質(zhì)粉砂巖滲透性為中等透水，存在繞壩滲漏，建議左壩頭進行帷幕灌漿處理，但根據(jù)工程經(jīng)驗判斷泥質(zhì)粉砂巖滲透性較小，風化后局部呈粘土狀，可灌性較差，建議在灌漿之前進行試驗孔，再綜合考慮灌漿材料和工藝。

（1）大壩防滲處理

本次設(shè)計對壩體背水坡填筑粘土進行拼寬放坡，充分做好防滲及相關(guān)反濾排水設(shè)計，根據(jù)滲流穩(wěn)定計算，壩體加固后滲流穩(wěn)定可滿足規(guī)范要求。

泗安水庫現(xiàn)狀壩頂高程19.13 m～19.5 m，本次設(shè)計大壩壩頂高程取20.2 m，最大壩高14.03 m，大壩頂寬由5 m 拼寬至10 m。

迎水坡馬道位置保持原設(shè)計不變，馬道高程設(shè)計高程為13.1 m，寬2 m，以下保持原設(shè)計邊坡不動，一級壩坡放緩至1∶2.0；壩頂高程20.2 m，壩頂寬度10 m，迎水側(cè)拆除原漿砌塊石防浪墻，新設(shè)高0.7 m 壩前擋墻，上設(shè)花崗巖復(fù)合欄桿，背水側(cè)設(shè)排水溝及路緣石；背水坡一級邊坡1∶2.0，二級邊坡1∶2.5，馬道高程13.2 m，寬5.4 m，壩腳處設(shè)堆石排水棱體，頂寬3 m、棱體頂高程11.00m～13.2 m。

（2）壩坡加固

針對大壩填筑壓實度低，不滿足規(guī)范要求，迎水坡及背水坡偏陡，壩頂寬度偏窄等問題，需對壩坡進行加固處理。迎水坡馬道位置保持原設(shè)計不變，一級壩坡放緩至1∶2.0，設(shè)30 cm 厚粗料石護坡；壩頂寬度由原設(shè)計的5 m 調(diào)整為10 m；背水坡拼寬放坡，背坡一級壩坡由原設(shè)計的1∶1.75 和1∶2.50 統(tǒng)一調(diào)整為1∶2.00，背水坡防護采用草皮護坡。

（3）壩頂改造

本次加固設(shè)計壩頂高程為20.2 m，壩頂寬10 m，設(shè)計拆除原漿砌石防浪墻，新建高0.7 m 壩前擋墻，上設(shè)花崗巖復(fù)合欄桿，寬0.5 m，之后依次設(shè)置1.5 m 寬人行道，5 m 寬壩頂路面，0.6 m 寬電纜溝，2 m 寬綠化帶和0.4 m 寬路緣石。其改造前后見圖2。

圖2 迎水坡馬道位置剖面圖

本次設(shè)計拋石鎮(zhèn)壓層加固處理范圍為原迎水坡馬道位置。拋石采用壩體上部現(xiàn)狀大壩開挖塊石護坡料，石料應(yīng)選用巖性均勻，無風化，遇水不軟化成崩體的堅硬巖石，不得使用含有風化軟弱夾層、粘土類及黃鐵礦等雜物的石料，飽和抗壓強度大于40 MPa。加寬壩體材料采用含礫的粉質(zhì)粘土，其與原壩體粉質(zhì)黏土的粒徑組含量百分比見表1。

表1 壩體填筑料粒徑組含量百分比統(tǒng)計表

可見，大壩壩體填筑土粉、粘粒含量高，礫石及砂含量少，土質(zhì)較均勻；大壩后期加固土和鎮(zhèn)壓層土填筑土粉、粘粒含量稍低，礫石及砂含量高，且礫石含量變化大，土質(zhì)均勻性差，這與現(xiàn)場鉆探情況相一致。

為保障水庫的安全運行，我們還可以采用土石方開挖及老壩體干砌石、防浪墻拆除、壩體拼寬放坡填筑、充填灌漿、帷幕灌漿、上下游護坡等工程措施對大壩進行出險加固設(shè)計。

3 大壩除險加固滲流分析

3.1 數(shù)值模型建立

（1）參數(shù)確定

對大壩壩體填筑料開展基礎(chǔ)物理力學性質(zhì)測試工作，并委托浙江省水利水電工程質(zhì)量檢驗站進行檢測。巖樣物理力學性質(zhì)測試包括：楊氏模量、孔隙度、固結(jié)過程中的內(nèi)聚力、摩擦角和滲透系數(shù)等。大壩壩體填筑料的物理力學參數(shù)具體見表2。

表2 大壩壩體填筑料物理力學特性

（2）物理模型與定解條件

滲流計算分析采用COMSOL5.4 有限元法進行計算。泗安水庫迎水坡馬道處壩體最大斷面的工程實踐進行簡化，模擬計算正常蓄水位、設(shè)計洪水位及校核洪水位三種不同工況下滲流特征，其計算模型取用迎水坡馬道處壩體最大斷面，見圖3。

圖3 數(shù)值模擬斷面及物理模型圖

如圖3 所示，水庫不同工況下水位水面高度為水滲流提供動力，模型右側(cè)為可能的溢出面。該大壩壩體主要由2 層填土組成，為1-3 層粉質(zhì)粘土和1-4 層含礫粉質(zhì)粘土，1-3 層粉質(zhì)粘土為壩體防滲填土，1-4 含礫粉質(zhì)粘土為下游側(cè)加固填土和鎮(zhèn)壓層填土?，F(xiàn)迎水坡馬道處壩體出險加固是在原迎水坡馬道處壩體下游側(cè)壩頂寬度由原設(shè)計的5 m 調(diào)整為10 m，加大壩體寬度，分別觀測兩種條件下壩體滲流特征。

3.2 不同工況下壩體滲流特征

（1）原迎水坡馬道處壩體滲流特征利用所構(gòu)建的壩體有限元計算模型，探究不同工況下原壩體滲流特征，分別計算Ⅰ正常蓄水位、Ⅱ設(shè)計洪水位及Ⅲ校核洪水位條件下壩體內(nèi)壓降特征和達西滲流特征。根據(jù)顏色變化判斷壩體不同位置滲流特征，見圖4。

圖4 原迎水坡馬道處壩體滲流特征

如圖4 所示，原迎水坡馬道處壩體在正常蓄水位、設(shè)計洪水位及校核洪水位條件下隨著水位的上升，壩體內(nèi)部壓降越快，滲流速度越大（箭頭越密越大），且壩體內(nèi)部浸潤線不斷上升，壩體內(nèi)部浸潤部分越大。當水位達到校核洪水位條件時，如圖5（f）所示，大量水可能從壩體下游滲出，給壩體帶來危害。

（2）現(xiàn)迎水坡馬道處壩體滲流特征

利用所構(gòu)建的壩體有限元計算模型，探究不同工況下現(xiàn)壩體滲流特征，分別計算Ⅰ正常蓄水位、Ⅱ設(shè)計洪水位及Ⅲ校核洪水位條件下壩體內(nèi)壓降特征和達西滲流特征。根據(jù)顏色變化判斷壩體不同位置滲流特征，見圖5。

圖5 現(xiàn)迎水坡馬道處壩體滲流特征

如圖5 所示，當原迎水坡馬道處壩體下游側(cè)壩頂寬度由原設(shè)計的5 m 調(diào)整為10 m 后，現(xiàn)迎水坡馬道處壩體在正常蓄水位、設(shè)計洪水位及校核洪水位條件下具有與原迎水坡馬道處壩體類似的滲流特征。對比原現(xiàn)水坡馬道處壩體滲流特征，可以看出現(xiàn)壩體內(nèi)部滲流速度相對較?。^越疏越?。?，原現(xiàn)壩體內(nèi)部浸潤線相對減小，壩體內(nèi)部浸潤部分降低。特別是在加寬壩體處壓降線和達西滲流出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，溢出面有變小的趨勢。因此加寬壩體寬度在一定程度提高了壩體防滲性能，保證泗安水庫安全運行。

4 結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，大壩部分壩段填筑質(zhì)量較差，壩體滲透系數(shù)偏大，在校核洪水工況下壩體浸潤線出溢點較高計劃對大壩進行防滲加固處理。因此采用土石方開挖及老壩體干砌石、防浪墻拆除、壩體拼寬放坡填筑、充填灌漿、帷幕灌漿、上下游護坡等工程措施對大壩進行除險加固設(shè)計。利用COMSOL 軟件模擬壩體背水坡填筑粘土進行拼寬放坡方案，探究正常蓄水位、設(shè)計洪水位及校核洪水位三種不同工況下壩體滲透特性，得出拼寬放坡提高了壩體防滲性能，可保證泗安水庫安全運行。