基于觀測(cè)資料反演的土石壩滲流穩(wěn)定計(jì)算分析

呂 輝，簡(jiǎn)鴻福，戴 霖，冷美玲

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330000；2.江西省洪圖技術(shù)咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

1 概述

觀測(cè)資料分析和數(shù)值模擬計(jì)算是復(fù)核大壩滲流穩(wěn)定安全與否的常用手段[1- 2]。通過(guò)觀測(cè)資料分析，可以了解大壩在不同庫(kù)水位條件下的滲流性態(tài)，并對(duì)壩體防滲與排水設(shè)施的性狀進(jìn)行初步判斷[3- 4]。數(shù)值模擬則可實(shí)現(xiàn)大壩在單一運(yùn)行工況或多種聯(lián)合工況[5- 8]下的滲流穩(wěn)定模擬計(jì)算，是大壩安全復(fù)核的重要內(nèi)容。由于壩體各分區(qū)的材料參數(shù)的真實(shí)性對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果影響較大[9]，尤其是防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)往往受施工、壩體變形及運(yùn)行期間發(fā)生問(wèn)題的影響，與原設(shè)計(jì)值差異較大，容易造成模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符。本文以某水庫(kù)為例，通過(guò)觀測(cè)資料分析并反演出符合實(shí)際情況的材料滲透系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行工況下的滲流與穩(wěn)定計(jì)算，對(duì)大壩滲流安全和壩坡穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為水庫(kù)下一步開(kāi)展大壩安全評(píng)價(jià)和除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。

2 工程概況

某水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，沿壩軸線設(shè)混凝土防滲心墻進(jìn)行防滲，壩頂設(shè)混凝土路面，上游壩坡采用拋填塊石護(hù)坡和混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，下游壩坡為草皮護(hù)坡，壩腳設(shè)排水棱體。壩頂高程89.80m，最大壩高39.2m，壩頂長(zhǎng)455.0m、寬5.5m；混凝土防滲墻厚0.8m，頂高程87.0m，底部深入基巖不小于1.5m。上游壩坡在高程81.60m設(shè)一寬2.0m的馬道，高程70.90m設(shè)一寬4.0m的馬道，高程70.90m以上采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，坡比自上而下分別為1∶2.70、1∶3.00，高程70.90m以下采用拋填塊石護(hù)坡，坡比為1∶4.50；下游壩坡為草皮護(hù)坡，在高程80.50、71.00m分別設(shè)2.0m寬的馬道，自上而下坡比依次為：1∶2.50、1∶2.85、1∶3.00。壩腳設(shè)排水棱體，頂高程61.30m，頂寬2.5m，內(nèi)坡1∶1.00，外坡1∶1.50。

大壩滲流觀測(cè)在壩體樁號(hào)0+135、0+250、0+330三個(gè)斷面布置了測(cè)壓管，每排4根，共設(shè)置了12個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于上游壩坡高程88.40m和下游壩坡高程88.20、80.60、71.10m處。

水庫(kù)在運(yùn)行過(guò)程中，大壩右壩肩擋土墻存在1處滲水逸出點(diǎn)群，當(dāng)庫(kù)水位上升至74.5m時(shí)開(kāi)始滲水，且滲水量隨庫(kù)水位上升而增大。經(jīng)開(kāi)挖檢查，大壩排水棱體僅表層約25cm厚有較大塊石堆砌，挖開(kāi)表層塊石后，為1層厚度約30cm的黏土層，黏土以內(nèi)棱體內(nèi)無(wú)大塊石堆填，僅由風(fēng)化料和黏土混合在一起，風(fēng)化料粒徑細(xì)小，未見(jiàn)反濾層。

3 觀測(cè)資料分析

根據(jù)歷年觀測(cè)資料分析及大壩運(yùn)行情況，壩體0+330斷面混凝土防滲墻后浸潤(rùn)線下降緩慢，浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)位置偏高，因此選擇該斷面為主要分析對(duì)象。圖1表示2010年9月9日—2017年12月31日期間，大壩0+330斷面處的測(cè)壓管管水位與庫(kù)水位變化過(guò)程線，圖2表示最高庫(kù)水位83.74m與歷年平均庫(kù)水位74.39m工況下的大壩測(cè)壓管水位位置圖。由圖1可知，該斷面測(cè)壓管管水位與庫(kù)水位具有較好的相關(guān)性，但相對(duì)庫(kù)水位存在一定的滯后性；圖2中，DU9與DU10管水位平均水頭差為8.21m，消殺位勢(shì)42%，防滲墻仍具有一定的防滲效果。測(cè)壓管DU11、DU12管水位下降較慢，表明下游排水棱體存在淤堵，與實(shí)際檢查情況一致。

圖1 壩體0+330斷面測(cè)壓管管水位變化過(guò)程線

圖2 壩體0+330觀測(cè)橫斷面測(cè)壓管水位位置圖(單位：m)

4 計(jì)算模型與參數(shù)反演

4.1 計(jì)算模型

為分析水庫(kù)大壩滲流穩(wěn)定情況，選取大壩樁號(hào)0+330斷面為計(jì)算模型進(jìn)行分析，如圖3所示。大壩各分區(qū)材料參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)施工資料記載，防滲墻采用了沖擊鉆造墻、人工挖孔樁回填等施工工藝，在灌注過(guò)程中多次出現(xiàn)塌孔；排水棱體為土和風(fēng)化石料的混合體，且運(yùn)行時(shí)間近50年，淤堵非常嚴(yán)重。因此，在選擇材料參數(shù)時(shí)需重點(diǎn)考慮防滲墻與排水棱體的滲透系數(shù)。

圖3 計(jì)算模型及材料分區(qū)

表1 大壩各分區(qū)的材料參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

因2015年7月10日—9月1日庫(kù)水位基本穩(wěn)定在79.00m左右，所以選取2015年9月1日庫(kù)水位79.13m為模型上游邊界，下游水位55.00m為模型下游邊界，大壩基礎(chǔ)按不透水邊界考慮。

4.2 參數(shù)反演計(jì)算與分析

Frelund和Rahardjo研究[10- 11]指出，與飽和土體中滲流一樣，非飽和土中滲流也符合達(dá)西定律和連續(xù)性方程。只是在非飽和土中滲透系數(shù)不再是常數(shù)，而是隨基質(zhì)吸力變化的函數(shù)，土中體積含水率隨時(shí)間變化而改變。將達(dá)西定律導(dǎo)入滲流連續(xù)性方程，可得到非飽和土的滲流控制方程為：

(1)

式中，kx、ky—x、y方向的滲透系數(shù)，cm/s；γw—水的重度，N/m3；θw—體積含水率，%；t—時(shí)間，s。

因此，本次反演計(jì)算基于以上數(shù)學(xué)模型，結(jié)合觀測(cè)資料分析結(jié)論，選擇防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)作為變量，采用有限元計(jì)算軟件Geostudio中的Seep模塊對(duì)模型在某時(shí)段穩(wěn)定庫(kù)水位情況下的滲流過(guò)程進(jìn)行反演計(jì)算，將計(jì)算獲得的浸潤(rùn)線與該時(shí)段對(duì)應(yīng)的測(cè)壓管水位進(jìn)行對(duì)比直至達(dá)到相對(duì)吻合狀態(tài)，最后確定現(xiàn)狀混凝土防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)。以實(shí)測(cè)測(cè)壓管水位為參照依據(jù)，經(jīng)反復(fù)試算確定混凝土防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1—2。由表1—2可知，當(dāng)防滲墻和排水棱體滲透系數(shù)分別采用5.0×10-7、5.0×10-5cm/s時(shí)，實(shí)測(cè)測(cè)壓管水位數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)的差值絕對(duì)值占上、下游水頭差的百分比為1.45%～4.19%，差值百分比在10%以內(nèi)，說(shuō)明二者浸潤(rùn)線趨勢(shì)基本一致，而采用原設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際相差較大，如圖4所示，表明防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)反演計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，所建數(shù)學(xué)模型與大壩運(yùn)行狀況相符，選取調(diào)整后的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算基本合理。由圖4中反演計(jì)算值與原設(shè)計(jì)值的對(duì)比分析可知，防滲墻與排水棱體的滲透系數(shù)與原設(shè)計(jì)值的差值達(dá)到1個(gè)量級(jí)及以上。

表2 0+330斷面測(cè)壓實(shí)測(cè)管水位與反演計(jì)算水位對(duì)比分析表

圖4 大壩穩(wěn)定滲流反演計(jì)算結(jié)果與測(cè)壓管水位對(duì)比圖(單位：m)

5 滲流與穩(wěn)定計(jì)算

5.1 滲流計(jì)算

采用GeoStudio軟件中的Seep模塊對(duì)大壩穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)2種情形下滲流過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。本次滲流計(jì)算工況見(jiàn)表3，其中工況4考慮了庫(kù)水位以最快速度下降的情況，并假設(shè)庫(kù)水位降落過(guò)程中無(wú)降雨的影響，不考慮來(lái)水。

表3 滲流計(jì)算工況

根據(jù)毛昶熙主編的《滲流計(jì)算分析與控制》，壩坡的臨界滲透坡降可按下式計(jì)算：

(2)

工況1—4滲流計(jì)算結(jié)果分別如圖5—8所示。

圖5 工況1滲流計(jì)算結(jié)果圖(單位：m)

圖6 工況2滲流計(jì)算結(jié)果(單位：m)

圖7 工況3滲流計(jì)算結(jié)果圖(單位：m)

圖8 工況4滲流計(jì)算結(jié)果圖(單位：m)

大壩穩(wěn)定滲流計(jì)算值及滲流量見(jiàn)表4，從表4中的結(jié)果可以看出，大壩0+330斷面防滲墻能消減水頭作用明顯，該斷面混凝土防滲墻體滲透坡降為13.40～16.90，小于80；下游壩坡出逸坡降為0.48～0.56，小于臨界滲透坡降，在滲流出逸點(diǎn)直接發(fā)生滲透破壞的可能性不大。但由于下游排水棱體的淤堵，在校核洪水位下，下游壩坡出逸點(diǎn)位置較高，從排水棱體頂以上2.2m處壩坡出逸，降低下游坡的抗剪強(qiáng)度，不利于壩體穩(wěn)定。

表4 大壩穩(wěn)定滲流計(jì)算值及滲流量表

5.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

由于該水庫(kù)庫(kù)區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，可不進(jìn)行大壩抗震穩(wěn)定計(jì)算。壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算在滲流計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本次壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用了GeoStudio軟件中的Slope模塊，使用簡(jiǎn)化畢肖普法算出圓弧滑裂面的安全系數(shù)，并找出相應(yīng)于簡(jiǎn)化畢肖普法的最小安全系數(shù)。由表5可知，大壩0+330斷面在穩(wěn)態(tài)滲流(工況1—4)情況下，下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均不滿足SL 274—2020要求；在瞬態(tài)滲流(工況4)情況下，上游坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為2.022(有效應(yīng)力法)，滿足SL 274—2020要求。

表5 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

6 結(jié)論

(1)基于觀測(cè)資料反演的土石壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況一致，即防滲墻仍具有一定的防滲效果，但下游排水棱體存在淤堵，表明利用觀測(cè)資料反演獲取大壩各區(qū)的材料參數(shù)，可以更真實(shí)地模擬分析大壩的滲流穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)計(jì)算結(jié)果表明，下游壩坡浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)位置較高，抗剪強(qiáng)度降低，存在滲流安全隱患，且大壩下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果不滿足規(guī)范要求。為保障大壩安全運(yùn)行，應(yīng)盡快組織該水庫(kù)的安全評(píng)價(jià)工作，為下一步除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。