樸家溝水庫左岸壩段滲流預測分析與治理措施

沈 超

(沈陽寶峰建筑工程有限公司，遼寧 沈陽 110319)

1 工程背景

樸家溝水庫位于遼寧省蓋州市陳屯鎮(zhèn)樸家溝村境內(nèi)冷水河支流上，是一座以灌溉和防洪為主，兼有養(yǎng)殖等其他綜合功能的小(2)型水庫。水庫主要由大壩、溢洪道和輸水洞組成。其中水庫大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高125.34m。設計水位為118.23m，總庫容為267.5萬m3。由于水庫建成于20世紀70年代初，目前病險問題比較突出。此外，水庫修建時的防洪設計標準較低，難以充分發(fā)揮其防洪作用。基于此，營口市多方籌集資金，對水庫進行除險加固，主要內(nèi)容是對原有大壩進行加高培厚，將防洪設計標準由原來的20年一遇提高到100年一遇。設計水位也隨之提升至135.50m。目前，除險加固工程已經(jīng)順利完工并進入試蓄水期。其間，大壩左岸壩后坡腳一直存在翻砂冒水現(xiàn)象，給水庫的安全和穩(wěn)定運行造成一定的影響，也存在一定的風險。此次研究通過數(shù)值模擬的方式，對水庫大壩左壩段進行滲流預測研究，并根據(jù)研究結(jié)果提出可行的工程控制措施。

2 ANSYS有限元模型

2.1 有限元模型的構(gòu)建

ANSYS是美國ANSYS公司開發(fā)的一款大型商用有限元分析軟件，該軟件集結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場與耦合場分析于一體，被廣泛應用于各個研究領(lǐng)域[1]。該軟件被用于靜力分析時，可以對滲流、應力、位移和溫度場分別進行計算，同時可以考慮不同場之間的相互作用，與其他軟件相比具有一定的優(yōu)勢?；诖?，此次研究選擇ANSYS有限元軟件進行背景工程數(shù)值模擬模型的構(gòu)建。

嚴格地講，海德格爾晚期哲學看似很缺乏政治意味，但如果在寬泛的意義上理解“政治”一詞的含義的話，則他的思想和行為、態(tài)度又是一種非常明顯的“政治哲學”。從海德格爾自身思想道路的發(fā)展和晚期哲學的特征來看，他自身的沉默并非一種消極的回避乃至抗拒，而恰恰是一種積極有力的政治表態(tài)。這一點可以從以下兩個方面做一些追溯：第一個是他在《在通向語言的途中》等著作中關(guān)于沉默的道說和天地人神四元游戲即“四重整體性”（Geviert）的鏡像游戲的理論；第二個是他晚期受到的道禪等東方思想尤其是其中的否定性智慧的影響。

敘事醫(yī)學是美國醫(yī)學界卡倫提出的概念，是將文學與醫(yī)學相結(jié)合，引入文學敘事，研究提升敘事能力。她認為敘事能力是一種吸收、解釋、回應故事和其他人類困境的能力，有助于醫(yī)生提升對患者的共情能力、職業(yè)精神、親和力和自我行為的反思[6]。通過文學作品中關(guān)于患者敘事、醫(yī)生敘事、疾病敘事等呈現(xiàn)，深入了解患者內(nèi)心世界，拓展醫(yī)生對疾病的認知，加深對患者的理解，明確對醫(yī)生職業(yè)精神與職業(yè)道德的判斷與認同。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果和工程的設計資料，以水庫的平面布置圖、大壩的剖面圖以及地質(zhì)剖面圖為基礎，建立三維有限元計算模型[2]。除險加固后的大壩最大壩高為140.20m，設計洪水為135.50m，校核洪水位為137.23m。大壩為均質(zhì)土壩，內(nèi)設防滲墻，其上游坡面的坡比為1∶3；在128.00m處設有寬度為2m的一級馬道；下游坡面的坡比為1∶2.5；在130.00m高程設計有寬度為2m的一級馬道。大壩的左岸壩肩和河床段采用C10混凝土防滲墻和帷幕灌漿防滲結(jié)構(gòu)。大壩左岸壩段的地層自上而下主要有6層，分別為第四系人工堆積素填土、全新統(tǒng)坡積粉細砂、全新統(tǒng)沖洪積淤泥質(zhì)土、全新統(tǒng)風積粉細砂、上更新統(tǒng)沖湖積粉細砂和上更新統(tǒng)沖湖積粉質(zhì)壤土。對構(gòu)建的幾何模型采用八節(jié)點六面體單元進行網(wǎng)格劃分，獲得179205個網(wǎng)格單元，195543個節(jié)點，有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 計算條件與參數(shù)

針對大壩下游左岸壩坡坡腳部位存在的翻砂冒水現(xiàn)象，設計了貼坡排水和褥墊式排水相結(jié)合的處理方案[7]。其中，貼坡式排水設計長度為102.44m，處理范圍為水庫左岸壩肩的下游護坡至庫區(qū)道路；褥墊式排水設計長度為95.63m，不僅包括與貼坡排水相接的范圍，還需要在壩后坡腳部位沿著壩軸線方向設長56.24m、寬15m的水平段[8]。

根據(jù)系統(tǒng)所需要的控制功能，利用西門子STEP 7 MicroWIN SP6 編程軟件進行編輯程序，主要功能有：1)手動纏繞功能。2)自動纏繞功能。3)鋼帶速度控制功能。4)放帶速度PID控制功能。5)報警處理。6)自動計米停車功能。7)工字輪兩端排線補償功能。8)鋼帶排線間隙寬度調(diào)整功能。9)數(shù)字量，模擬量輸入輸出控制。10)與顯示文本器通訊功能。

表1 模型各部分滲透系數(shù)

3 左岸壩段滲流預測分析

3.1 滲透穩(wěn)定性分析

利用構(gòu)建的有限元模型，選擇0+50和0+75兩個典型斷面，對采取工程措施后大壩左岸壩段在校核工況下的滲透穩(wěn)定性進行模擬計算，結(jié)果見表5。由表中的計算結(jié)果可知，校核工況下0+50斷面處壩體和排水棱體接觸面部位的最大滲透坡降值為0.163，壩基與排水棱體接觸面的最大滲透坡降值為0.122，均小于工程設計中的允許值，滿足滲透穩(wěn)定性的要求。

表2 設計工況下滲透穩(wěn)定性分析結(jié)果

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，選擇0+50和0+75兩個典型斷面對大壩左岸壩段在校核工況下的滲透穩(wěn)定性進行模擬計算，結(jié)果見表3。由表中的計算結(jié)果可知，校核工況下0+50斷面的壩體和排水棱體接觸面部位的最大滲透坡降值為0.244，小于工程設計中0.58的壩體滲透坡降允許值，滿足滲透穩(wěn)定性的相關(guān)要求；壩基與排水棱體接觸面的最大滲透坡降值為0.182，大于工程設計中0.16的壩基滲透坡降允許值，不滿足滲透穩(wěn)定性的要求。

為了保證壩基滲流模擬的順利進行，需要確定壩基各部分的滲透系數(shù)，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和相關(guān)研究經(jīng)驗，確定如表1所示的模型各部分滲透系數(shù)[6]。

表3 校核工況下滲透穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.2 繞滲流量分析

利用構(gòu)建的有限元模型，對現(xiàn)狀工況、設計工況和校核工況下的繞滲流量進行模擬計算，結(jié)果見表4。從計算結(jié)果可以看出，隨著庫水位的升高，無論是翻砂冒水區(qū)還是左岸壩段壩后的總繞滲流量都呈現(xiàn)出迅速增加的變化特點。與現(xiàn)狀工況相比，設計工況和校核工況的翻砂冒水區(qū)滲流量將分別增加131.52%和212.08%，左岸壩后總繞滲流量將分別增加393.62%和609.11%。由此可見，在大壩培高加固之后，由于庫水位的升高，翻砂冒水區(qū)和左岸壩段壩后總繞滲流量均大幅增加。

表4 不同工況下繞滲流量計算結(jié)果

4 工程措施與評價

4.1 工程措施

模型的邊界條件主要包括流量邊界和水頭邊界[3]。流量邊界可以劃分為補給和排泄兩大部分。其中，河流和降水為主要的補給來源，而庫區(qū)的溝谷較為發(fā)育，是水體的主要排泄通道[4]。水頭邊界主要包括定水頭、無效水頭和變水頭。由于背景工程庫區(qū)的河床透水性較好，邊坡表部主要是崩、殘坡積層和塊碎石土，均可以視為滲透流量邊界。在水庫正常蓄水之后，可以采用定水頭模擬蓄水效果，利用無效水頭模擬防滲帷幕和防滲墻的效果[5]。

4.2 工程措施評價分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，選擇0+50和0+75兩個典型斷面對大壩左岸壩段在設計工況下的滲透穩(wěn)定性進行模擬計算，結(jié)果見表2。由表中的計算結(jié)果可知，0+50斷面處壩體和排水棱體接觸面部位的最大滲透坡降值為0.093，顯著小于工程設計中0.58的壩體滲透坡降允許值，完全滿足滲透穩(wěn)定性的相關(guān)要求；壩基與排水棱體接觸面的最大滲透坡降值為0.131，小于工程設計中0.16的壩基滲透坡降允許值，也滿足滲透穩(wěn)定性要求。

表5 校核工況滲透穩(wěn)定性分析結(jié)果

5 結(jié)語

大壩滲漏不僅關(guān)系到水庫的正常蓄水，還會對大壩的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響，是水利工程建設中必須要關(guān)注的重要方面。此次研究以遼寧省樸家溝水庫左岸壩段為例，利用數(shù)值模擬的方式探討分析了大壩加高培厚對大壩壩體和壩基滲流的影響。結(jié)果顯示，在校核工況下左岸壩段不滿足滲透穩(wěn)定性要求，并結(jié)合工程實際提出了貼坡排水和褥墊式排水相結(jié)合的處理方案，并對方案進行了評價。當然，此次研究由于缺乏相應的資料，對部分土層的滲透系數(shù)采用參照類似工程的方式選取，因此在計算中可能存在一定的誤差，在今后的研究中應該增加相應材料的試驗研究，以便獲得更為科學合理的計算結(jié)果。

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