滲流、穩(wěn)定計算軟件在壩體滲漏處理方面的應(yīng)用分析

李筱龍，王 博

（寶雞市水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,陜西 寶雞 721000）

二十世紀(jì)七八十年代為了解決防洪、群眾飲用水、農(nóng)田灌溉需求,國家號召各地區(qū)因地制宜興建了一批水庫,均質(zhì)土壩因其造價低、就地取材、便于施工,成為了眾多壩型中較為成熟的一種。這一批水庫已運行多年,有效發(fā)揮了防洪、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖和為周邊居民提供生活用水的作用。近年來,水庫大壩背水坡出現(xiàn)嚴(yán)重滲水現(xiàn)象,導(dǎo)致水庫已無法正常蓄水,常年低水位運行,嚴(yán)重影響周邊居民正常生活和灌溉需求,解決水庫蓄水問題刻不容緩。

1 工程概況

郝家坡水庫位于千陽縣張家塬鎮(zhèn)寺坡村以東2 km處,距千陽縣城12 km,壩址位于千河左岸馮坊河支流小河溝上,是一座以灌溉為主,兼有供水、防洪、養(yǎng)殖等作用的?。?）型水庫。郝家坡水庫通過與馮坊河西干渠引水工程聯(lián)合運行,承擔(dān)灌區(qū)調(diào)節(jié)蓄水,可實現(xiàn)總灌溉面積4.03 萬畝,其中水庫控制自流的設(shè)施灌溉面積3.0 萬畝,通過壩頂渠道自流供給的控制灌溉面積1.03 萬畝。在水庫控制灌溉面積中有1.4 萬畝為有效灌溉面積。同時水庫還擔(dān)負(fù)著1.2 萬人的供水、防洪、農(nóng)田灌溉任務(wù)。

水庫原設(shè)計總庫容172 萬m3,有效庫容125 萬m3,滯洪庫容20 萬m3,死庫容27 萬m3。正常蓄水位913.00 m,設(shè)計洪水位913.70 m,校核洪水位914.50 m,死水位892.00 m。經(jīng)統(tǒng)計知現(xiàn)在的實際蓄水位基本在906.30 m（2014.12.19）；906.80 m（2015.12.22）。

水庫原設(shè)計工程等級為Ⅳ等工程,主要建筑物為4 級,其防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇洪水設(shè)計,200 年一遇洪水校核。

大壩基礎(chǔ)底高程872.00 m,壩頂高程915.68 m,壩高43.68 m,壩底最大寬度230 m,壩頂寬度6 m,壩頂長200 m,迎水坡坡比自上而下為1∶2.40、1∶2.75。背水坡1∶2.15、1∶2.5、1∶3。其中原排水棱體頂寬2.00 m,排水棱體內(nèi)側(cè)坡比為1∶3,外側(cè)為1∶2。

2 問題分析

2.1 主要問題

經(jīng)郝家坡水庫管理站人員監(jiān)測統(tǒng)計、相關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場踏勘,基本確定在郝家坡水庫壩體的排水棱體（頂高程879.00 m）上部0.95 m處（高程為879.95 m）出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,坡面土壤部分濕潤、部分區(qū)域有水滲流出,而在排水棱體下部位置未出現(xiàn)穩(wěn)定滲流情況。

2.2 問題分析

就目前所觀測結(jié)果結(jié)合現(xiàn)有資料,經(jīng)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員討論得出以下幾點結(jié)論：（1）參考2005 年除險加固所得浸潤線出溢點應(yīng)該位于排水棱體底部高程872.00 m處,而實際出溢點明顯偏高,初步推論出排水棱體是否已失效使其無法發(fā)揮排水效能；（2）根據(jù)壩體橫斷面圖及結(jié)構(gòu)設(shè)計圖可知大壩背水坡下部坡比為1∶3的坡面較緩,所設(shè)置排水棱體位置偏低,從而浸潤線溢出點位置偏低。

針對以上問題,采用南京水利科學(xué)研究院編《土石壩二維滲流計算程序UNSST2》軟件對大壩進行滲流計算分析：

土石壩的飽和滲流問題,其水頭函數(shù)h（x, z , t）滿足下式：

式中：h=h（x, z , t）為待求的水頭函數(shù)； kx、kz為x、z 向的滲透系數(shù)；SS為單位貯水量, SS= 0為不可壓。

相應(yīng)的定解條件為：

式中：n為孔隙率；k為滲透系數(shù),cm/s。

引用有限元法離散滲流域進行數(shù)值求解如下方程：

計算工況共計4種,具體分為：正常蓄水位下設(shè)置排水棱體（4-1）、正常蓄水位下未設(shè)置排水棱體（4-2）、實際蓄水位下設(shè)置排水棱體（4-3）、實際蓄水位下未設(shè)置排水棱體（4-4）；求解（6）方程組,得t=?t時刻滲流場分布,引用中線法計算過流斷面單寬滲量,計算結(jié)果見表1。

表1 穩(wěn)定滲流計算結(jié)果

經(jīng)過《土石壩二向穩(wěn)定滲流計算程序unsst2》軟件分析,在4-1、4-2、4-3、4-4 四種工況下計算所得浸潤線出溢點高程分別為873.92 m、877.85 m、873.77 m、874.47 m,所計算工況下的浸潤線出溢點均位于排水棱體頂端高程見圖1、圖2。

圖1 正常蓄水位下未設(shè)置排水棱體出溢點高程（877.85m）

圖2 正常蓄水位下設(shè)置排水棱體出溢點高程（873.92m）

郝家坡水庫管理站人員實地監(jiān)測所得水庫浸潤線觀測統(tǒng)計情況見表2,可知浸潤線的部分觀測點高程在軟件理論計算的浸潤線之上,且部分觀測點位置和理論計算浸潤線相吻合,實際浸潤線的出溢點位置在排水棱體之上,通過軟件計算和實際監(jiān)測情況所得結(jié)果均肯定了結(jié)論一,排除了結(jié)論二,這充分說明排水棱體已無法正常發(fā)揮排水效能,并且由于排水棱體排水不暢導(dǎo)致浸潤線出溢點位置抬高、出溢點范圍土壤基本形成飽和。

表2 郝家坡水庫浸潤線觀測統(tǒng)計表

3 處理措施

根據(jù)《千陽縣郝家坡水庫除險加固工程地質(zhì)勘察報告》可知大壩壩體填土的干密度平均值1.47 g/cm3,填筑土質(zhì)量不均一,存在低密度區(qū),壩體填筑土料的質(zhì)量遠沒有達到《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求,且在大壩蓄水后,壩體發(fā)生了不均勻沉陷。具體實施方案為：

對現(xiàn)有排水棱體進行全部清除開挖,根據(jù)《千陽縣郝家坡水庫除險加固工程地質(zhì)勘察報告》（2005年陜西省水利電力勘察設(shè)計研究院編）,建議開挖坡比1∶0.5~1∶0.75,設(shè)計初定為1∶0.5進行開挖,開挖線上部與邊坡相交處高程為889.28 m,相交點水平距二臺外側(cè)6.9 m,距排水棱體頂部內(nèi)側(cè)29.6 m。

新修排水棱體與原有排水棱體大小、所處位置均一致,其底端高程872.00 m,頂端高程為879.00 m,內(nèi)側(cè)坡比為1∶3.0,外側(cè)坡比為1∶2.0,棱體頂部寬2 m,底端寬為37 m。排水棱體的反濾層由3 層不同粒徑的砂石料組成,層面大體與滲流方向正交,粒徑順著水流方向由細(xì)到粗,反濾料由厚度200 mm的砂（其中中砂占15%,粗砂占50%,2 mm~15 mm礫石占35%）、厚度200 mm的卵石（其中5 mm~20 mm礫石占60%,20 mm~40 mm占40%）、粒徑控制在200 mm~400 mm的干砌塊石三部分組成。

4 意見建議

常見的壩體排水形式有：（1）棱體排水：其優(yōu)點在于可以降低壩體浸潤線,防止壩坡土的滲流破壞和凍脹,同時可作為壩坡的支撐,有利于壩坡的穩(wěn)定；（2）貼坡排水：可以防止壩坡土發(fā)生滲流破壞,保護壩坡免受下游波浪淘刷,但不能降低壩體浸潤線。

在實際蓄水位906.80 m情況下,運用中國水利水電科學(xué)研究院編的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB2009》分別對開挖坡比為1∶0.5和1∶0.75、1∶1以及水庫沒有蓄水的情況下開挖坡比為1∶1之后的邊坡進行穩(wěn)定計算,計算結(jié)果見表3。

表3 邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

依據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL 386-2007）水利水電工程Ⅳ邊坡的最小安全系數(shù)為1.10,可知在現(xiàn)有蓄水位下進行排水棱體開挖工作存在邊坡失穩(wěn)的安全風(fēng)險,經(jīng)過邊坡穩(wěn)定計算分析,建議將現(xiàn)有水庫蓄水排空后以開挖坡比為1∶1對現(xiàn)有排水棱體進行全部清除開挖工作,開挖線上部與邊坡相交處高程為892.01 m,相交點水平距二臺4.4 m,距背水坡腳58.44 m,開挖起點距排水棱體頂部內(nèi)側(cè)21.0 m。

5 結(jié)語

運用滲流分析、邊坡穩(wěn)定計算軟件和水庫運行監(jiān)測管理所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),經(jīng)對比分析,能夠更準(zhǔn)確地確定壩坡滲漏的具體位置和成因,二者相輔相成,減少了工程監(jiān)測的誤差,確定了邊坡開挖的安全坡比,保障了邊坡施工安全。