樓莊子水庫大壩滲流及穩(wěn)定性分析

周曉浩

（新疆維吾爾自治區(qū)白楊河流域管理局，新疆烏魯木齊 830000）

大壩的穩(wěn)定性是根據(jù)其邊坡穩(wěn)定性、滲流穩(wěn)定性或地震穩(wěn)定性綜合分析評(píng)估的，其中壩體的抗?jié)B穩(wěn)定性是判斷其是否安全、是否發(fā)生大量滲漏的關(guān)鍵因素[1，2]。當(dāng)前，一些學(xué)者主要采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法來進(jìn)行研究，然而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)費(fèi)用高昂，因此數(shù)值模擬方法成為當(dāng)前熱點(diǎn)研究工具。溫青山[3]針對(duì)某水利樞紐大壩不同工況下滲流場(chǎng)特征，利用MIDAS GTS有限元軟件建立數(shù)值模型，分析校核水位、正常蓄水位、死蓄水位3種工況下滲流穩(wěn)定性；李宏偉[4]以達(dá)坂地區(qū)某水庫大壩為研究對(duì)象，利用ANSYS數(shù)值建模分析平臺(tái)，研究該水庫大壩滲流穩(wěn)定性，獲得了大壩在正常蓄水位、滿蓄水位、試驗(yàn)水位3種工況下滲流場(chǎng)特征參數(shù)分布；云濤[5]基于Autobank模擬了寧夏旗眼山水庫大壩在不同防滲方案下的壩體浸潤線、位勢(shì)分布、壩基日單寬流量、下游出逸滲透比降等參數(shù)；朱蒙等[6]利用Geostudio軟件，對(duì)洛陽市澀草湖尾礦庫在前期降雨及主降雨條件下的滲流穩(wěn)定性展開數(shù)值模擬分析；虎珀等[7]基于有限元原理以及滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)在各種方面的相似性，將ANSYS軟件中的熱分析模塊運(yùn)用于土石壩滲流場(chǎng)的計(jì)算中。此外還有部分學(xué)者通過一些流體力學(xué)軟件對(duì)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[8，9]。以樓莊子水庫工程為分析對(duì)象，采用Geo Studio軟件中的Seep/W和Slope/W程序進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析，并提出相應(yīng)加固措施，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

樓莊子水庫工程位于頭屯河上游中低山區(qū)、昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)以南25 km處，距下游樓莊子村8 km，距昌吉市約75 km，距烏魯木齊市89 km?，F(xiàn)有縣道X125從工程區(qū)穿過，烏奎高速公路和北疆鐵路從工程區(qū)下游通過。有道路通往昌吉市、烏魯木齊市，均為瀝青混凝土路，交通較為方便。頭屯河發(fā)源于天山山脈中部的喀拉烏成山北坡，東與烏魯木齊河相鄰，西與三屯河接壤，干流全長(zhǎng)190 km，流域總面積2885 km2，其中山區(qū)流域面積1638 km2、制材廠站以上集水面積840 km2、哈地坡以上集水面積1562 km2，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)86°42′～87°37′和北緯43°10′～44°44′。流域最高峰海拔4562 m，地勢(shì)南高北低，由西南向東北傾斜，依次為高山區(qū)、中高山區(qū)、低山區(qū)、山前傾斜平原區(qū)以及平原沙漠區(qū)。水庫位于制材廠水文站與哈地坡水文站之間，壩址以上集水面積1174 km2，在行政區(qū)劃上頭屯河左岸屬昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)管轄、右岸屬烏魯木齊縣管轄。水庫壩址位于東經(jīng)87°01′1l″～87°03′00″和北緯43°33′00″～43°34′11″。

2 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

本次建立的壩體黏土心墻壩方案的防浪墻頂高程1401.50 m，壩頂高程1400.30 m，最大壩高82.6 m，壩長(zhǎng)570.31 m，壩頂寬度10.0 m，壩頂采用瀝青混凝土路面。為排除雨水，頂面向下游單向傾斜，坡度為2%。壩頂上游側(cè)設(shè)防浪墻，墻頂高出壩面1.2 m，墻高3.3 m。上游壩坡坡比為1∶2.5，下游壩坡布置“之”字形上壩道路，道路間壩坡坡比為1∶2.0，道路寬6.0 m，坡度分別為7.5%，采用瀝青混凝土路面。上游壩坡采用C30F300現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，護(hù)坡厚0.25 m?；炷涟宸謮K尺寸為4 m×4 m，在死水位以上每塊護(hù)坡板上布置5個(gè)排水管。上游圍堰與壩體結(jié)合，頂高程1349.50 m，上游坡度1∶2.5，下游坡度1∶1.5，頂寬10 m，與上游壩殼結(jié)合5 m。下游壩坡采用混凝土網(wǎng)格梁填六棱塊，網(wǎng)格梁間距5.1 m×5.3 m。下游坡腳處設(shè)置寬2.0 m的排水棱體，頂高程1326.50 m，內(nèi)坡1∶1，外坡1∶1.5，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

數(shù)值分析網(wǎng)格采用精細(xì)劃分模式自動(dòng)生成，由29173個(gè)單元和42656個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，然后使用VG模型，通過水頭差進(jìn)行滲流分析。黏土心墻壩防滲土料取自T1、T2料場(chǎng)，土質(zhì)為低液限黏土。土料組成以粉粒為主，粉粒含量78.75%～80%，黏粒含量20%～25%，液限25～27.6，塑性指數(shù)11.9～12.25，自由膨脹率3%～6.16%，為非膨脹性土，對(duì)土的分散無促進(jìn)作用，且無分散性。數(shù)值分析利用Geostudio軟件開發(fā)了一個(gè)二維有限元模型，對(duì)大壩進(jìn)行滲流分析。大壩在運(yùn)行條件下保持穩(wěn)定，包括不同的水位和荷載條件，應(yīng)在壩頂設(shè)置適當(dāng)?shù)某鏊?，以避免漫頂。滲流分析通?；谝粋€(gè)模型或方程進(jìn)行，使用邊界條件、水力梯度和材料屬性來描述滲流現(xiàn)象。滲流分析的核心是達(dá)西公式：

式中：Q為滲流量（m3/s）；K為滲透率（m/s）；A為橫截面面積（m2）；h1、h2分別為壩體流入、流出的水位（m）；L為滲流的長(zhǎng)度（m）。

本次數(shù)值計(jì)算參數(shù)，詳見表1。

表1 本次數(shù)值計(jì)算參數(shù)

3 滲流結(jié)果分析

本文使用有限元程序Seep/W對(duì)大壩滲流進(jìn)行了研究。大壩前后的邊界條件如圖2所示，其中上游側(cè)水頭為22.6 m、下游側(cè)水頭為0，滲流分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在穩(wěn)定狀態(tài)下，浸潤線穿過下游斜坡處的壩體，不與下游壩體面相交，因此不會(huì)導(dǎo)致下游邊坡軟化或坍塌。最大孔隙水壓力位于上游過渡帶底部，這是因?yàn)樗唬?2.6 m）下的初始孔隙水壓力高于任何其他水位下的值?？紫端畨毫﹄S著水的高度、速度矢量大?。ㄊ噶考^）、通過顆粒的流動(dòng)路徑和通過壩體的平均流速的增加而增加，為0.061279 m3/d。此外水平和垂直水力梯度的最大值出現(xiàn)在下游出口點(diǎn)。

圖2 穩(wěn)定狀態(tài)下邊界條件

圖3 滲流分析結(jié)果

4 壩體穩(wěn)定性分析

目前，國內(nèi)外大壩穩(wěn)定性分析方法包括Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、瑞典圓弧法，在有限元程序Slope/W上都能運(yùn)用，但一般來說，Mor?genstern-Price方法適用于圓形和非圓形破壞面的能力而被視為最佳方法，并滿足基礎(chǔ)法向力的垂直力平衡。采用Bishop和Janbu方法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)，如圖4所示。由圖4可知，壩體上游比下游邊坡中產(chǎn)生的安全系數(shù)高，Bishop方法在上游和下游邊坡中產(chǎn)生的安全系數(shù)均比Janbu方法高。此外，所有安全系數(shù)值均高于1.3，因此大壩在天然狀態(tài)下被認(rèn)為是穩(wěn)定的（預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)邊坡破壞）。此外，由數(shù)值分析結(jié)果還可得出，不同方法邊坡的滑動(dòng)面也出現(xiàn)了不同程度的變化。對(duì)于大壩下游，Bishop方法的滑動(dòng)面相比Janbu法更深，下端剪出口在平臺(tái)區(qū)域出現(xiàn)向右移動(dòng)現(xiàn)象，總體上來看會(huì)增大滑坡的體積，但同時(shí)也增大了安全系數(shù)。

圖4 Bishop和Janbu方法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)

5 壩體滲流破壞及加固分析

通常滲流破壞是由于水流滲進(jìn)土體，使土體的密度增加，抗剪強(qiáng)度降低。同時(shí)，水在滲流過程中會(huì)對(duì)土體顆粒施加一個(gè)動(dòng)水壓力，這是一個(gè)體積力，其大小與流動(dòng)水的體積、水的容重和水力梯度有關(guān)，其方向與水流的方向一致。結(jié)構(gòu)面的填充物在水的浮力作用下，重量降低，動(dòng)水壓力稍大時(shí)就會(huì)帶走結(jié)構(gòu)面中的填充物顆粒，降低了邊坡的穩(wěn)定性。由于水流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響非常大，所以水流的防治是邊坡穩(wěn)定的重要方面。建議對(duì)于土質(zhì)類的堤壩，可采用劈裂灌漿防滲加固技術(shù)。該技術(shù)能夠在土體的劈裂中形成垂直而連續(xù)的防滲體，在達(dá)到防滲加固效果的同時(shí)，有效控制堤壩關(guān)鍵位置的變形情況，且具有操作簡(jiǎn)便優(yōu)勢(shì)，因此已經(jīng)在水利工程堤壩防滲加固領(lǐng)域中得到了普遍應(yīng)用。

6 結(jié)論

采用Geostudio軟件中的Seep/W和Slope/W程序?qū)乔f子水庫工程進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析。計(jì)算結(jié)果表明，浸潤線穿過下游斜坡處的壩體，不與下游壩體面相交，不會(huì)導(dǎo)致下游邊坡軟化或坍塌，且最大孔隙水壓力位于上游過渡帶底部，水平和垂直水力梯度的最大值出現(xiàn)在下游出口點(diǎn)。Slope/W分析結(jié)果表明壩體上游比下游邊坡中產(chǎn)生的安全系數(shù)高，Bishop方法在上游和下游邊坡中產(chǎn)生的安全系數(shù)比Janbu方法高，所有安全系數(shù)值均高于1.3，因此認(rèn)為大壩在天然狀態(tài)下是穩(wěn)定的。