堰塞壩組成材料隨機(jī)性對(duì)壩體滲流特性的影響分析

施 睿，孫亞民，雷紅軍，張 雷

(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650200)

0 引 言

堰塞壩是由冰漬物、熔巖流或地質(zhì)災(zāi)害、地震或者降雨造成山體滑坡或泥石等堆積在河床，堵塞河道而形成的天然土石壩[1]。不同堰塞壩物質(zhì)組成差別明顯，即使在同一個(gè)壩內(nèi)，各部位的粒徑相差也很大，粗粒石塊較多，物質(zhì)分布不均勻，其壩體內(nèi)部存在架空現(xiàn)象，在空間上具有很強(qiáng)的離散性和變異性[2]。堰塞體的滲透性是崩滑體上筑壩最重要的問題。堰塞壩滲透系數(shù)較大又沒有泄流設(shè)施，上游水位增高導(dǎo)致水壓增大，當(dāng)滲流力達(dá)到一定值時(shí)，滲透水流會(huì)把細(xì)顆粒帶走形成管涌有可能發(fā)生管涌破壞。因此基于堰塞壩材料的隨機(jī)性對(duì)壩體進(jìn)行滲流研究是很有必要的。

嚴(yán)祖文等[3]以唐家山堰塞壩為例進(jìn)行了滲流計(jì)算分析，計(jì)算不同工況下下游壩坡的出逸比降，對(duì)比材料巖性和顆粒造成特征，對(duì)堰塞壩的滲透安全進(jìn)行評(píng)估；石振明等[4]通過對(duì)紅石河堰塞壩的分析發(fā)現(xiàn)，高滲透區(qū)域的存在對(duì)堰塞壩的滲流穩(wěn)定是不利的，高滲透區(qū)域越長(zhǎng)、滲透性越高、其位置越靠近壩體下游坡腳，堰塞壩的滲流穩(wěn)定性越差；胡卸文等[5]從4種堰塞湖水位(710、720、730 m和740 m)條件下和唐家山堰塞壩體內(nèi)部的地下水滲流場(chǎng)變化出發(fā)計(jì)算分析出壩體各介質(zhì)的滲透坡降，并與相應(yīng)土層的允許滲透坡降對(duì)比，判斷堰塞壩體滲流穩(wěn)定性及相應(yīng)的潰決模式。Huang等[6]考慮了堰塞壩壩體組成材料空間上分布不均的特征，提出了非均勻沙的二維水沙耦合數(shù)學(xué)模型計(jì)算潰口的發(fā)展以及洪水過程線。堰塞壩的失穩(wěn)破壞模式有很多，不僅有壩體的整體失穩(wěn)破壞模式，還有管涌和漫頂破壞[7]。但由于堰塞壩材料組成的隨機(jī)性及不均勻性，使得堰塞壩的材料參數(shù)難以確定，穩(wěn)定性分析非常困難。

因此，本文通過有限元軟件AutoBANK，依托紅石巖工程，研究堰塞壩壩體材料分布的隨機(jī)性對(duì)壩體滲流特性的影響。通過數(shù)值模擬研究堰塞體材料的離散性對(duì)壩體滲流的影響可以增進(jìn)對(duì)堰塞體滲透破壞發(fā)生條件、破壞機(jī)理規(guī)律的認(rèn)識(shí)，對(duì)于堰塞壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及堰塞湖排險(xiǎn)治理等有著重要意義[8]。

1 紅石巖堰塞壩工程概況

2014年8月3日，云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生6.5級(jí)地震，左岸山體邊坡表面局部失穩(wěn)，孤石以及碎石和顆粒較小的土粒組成的碎石土滑落至牛欄江，但左岸整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。右岸山體發(fā)生大規(guī)?；?，滑坡體堆積河床，堵塞河道形成了堰塞體[9]。根據(jù)實(shí)測(cè)地形，滑坡體在高速運(yùn)行過程，到達(dá)河床后形成爬升，使得堆積體左岸高，右岸低。堆積體頂部順河向平均寬度約262 m，頂部橫河向平均長(zhǎng)度301 m，估算堰塞體總方量約1 000萬m3。紅石巖堰塞壩經(jīng)過整治現(xiàn)已成為具有混凝土防滲墻的擋水壩，壩后電站裝機(jī)容量201 MW，多年平均年發(fā)電量7.96億kW·h[9]。

現(xiàn)場(chǎng)勘察部分井下視頻截圖以及井下彩色數(shù)字成像如圖1所示。從圖1可以看出，壩體內(nèi)部物質(zhì)分布不均，某些部位孤塊石較多，且存在細(xì)顆粒偏少或偏多等不利情況。由此可見，堰塞壩材料分布具有很強(qiáng)的不均勻性、隨機(jī)性，可能會(huì)對(duì)壩體安全產(chǎn)生影響。作為擋水建筑物，研究其材料分布的不均勻性和隨機(jī)性對(duì)壩體滲流特性的影響對(duì)工程安全分析非常必要。

圖1 部分豎井井下視頻截圖和彩色數(shù)字成像

2 計(jì)算方案

2.1 計(jì)算模型

簡(jiǎn)化后紅石巖二維計(jì)算剖面及模型分區(qū)見圖2。該模型壩高87 m，壩頂寬116 m，整個(gè)堰塞壩順河向長(zhǎng)1 155 m，上游壩坡坡度為1∶3，下游壩坡坡度為1∶5.3。河床沖積層厚度為42 m，基巖厚度為170 m。總共劃分為11個(gè)分區(qū)以及河床沖積層和基巖，圖中T(top)代表堰塞壩上部，M(middle)代表中部，B(bottom)代表下部。

圖2 簡(jiǎn)化后紅石巖二維計(jì)算剖面及計(jì)算模型分區(qū)情況

紅石巖堰塞壩計(jì)算模型如圖3所示。該計(jì)算模型共劃分了2 531個(gè)網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)2 602個(gè)，網(wǎng)格中以正方形單元為主，輔以少量三角形單元。模型邊界條件包括上游滲流邊界、出逸邊界以及下游滲流邊界。

圖3 紅石巖堰塞壩計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

基本組分區(qū)滲透系數(shù)見表1，為第一組參數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮壩體組成材料的隨機(jī)性，設(shè)置了4組參數(shù)，即將表1中的T1、M1、B1分別與T3、M3、B3進(jìn)行參數(shù)互換，得到第二組滲透系數(shù)；將T1、T2、T3分別與B1、B2、B3進(jìn)行參數(shù)互換，得到第三組滲透系數(shù)；將第三組參數(shù)中上游下游側(cè)滲透系數(shù)進(jìn)行互換，即T1、M1、B1分別與T3、M3、B3進(jìn)行參數(shù)互換，得到第四組滲透系數(shù)。

表1 基本組分區(qū)滲透系數(shù)

2.3 計(jì)算工況

本文計(jì)算擬定了2個(gè)工況，工況1為穩(wěn)定滲流方案，上游水位為1 200 m，下游水位1 112 m；工況2為非穩(wěn)定滲流方案，上游水位按1 m/d的速度從1 180 m升至1 200 m，下游水位按1 m/d的速度從1 094 m升至1 112 m。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)4組參數(shù)計(jì)算的穩(wěn)定滲流結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果

4組穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果浸潤線對(duì)比如圖4所示。

圖4 4組參數(shù)穩(wěn)定滲流浸潤線分布對(duì)比

從圖4可知：

(1)4條浸潤線在壩體內(nèi)的位置差別較大，這與壩體內(nèi)滲透系數(shù)分區(qū)不同有關(guān)系。前兩組堰塞壩上部滲透系數(shù)較大，所以浸潤線位置較高，組三計(jì)算所得浸潤線在T1和T2分區(qū)過渡平緩，進(jìn)入T3分區(qū)后呈線性下降。組四浸潤線和前3組參數(shù)浸潤線差別最大，組四上游側(cè)滲透系數(shù)小，從壩體的上部到下部，上游到下游滲透系數(shù)均是逐漸增大的，所以組四浸潤線在壩體上游呈現(xiàn)滑梯式下跌。

(2)壓力水頭和總水頭分布與浸潤線的位置有關(guān)，浸潤線越高，壓力水頭最大值越大?？偹^集中分布的位置浸潤線有明顯下降，水頭損失也主要發(fā)生在該位置。

(3)壩體滲透系數(shù)從上游至下游逐漸增大時(shí)，滲流量會(huì)增加，流速最大值區(qū)域不會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)滲透系數(shù)從壩體上部至下部逐漸增加時(shí)，壩體滲流量的增加更為明顯。

研究組行MRI診斷，操作如下：采用Philips 1.5T的MRI設(shè)備，患者受檢之前需禁止飲食、飲水，掃描層厚參數(shù)為8mm，掃描間隔參數(shù)為1mm，檢查時(shí)，靜脈注射15ml對(duì)比劑。操作者需密切留意患者癌變性質(zhì)，并對(duì)影像特征進(jìn)行分析。

3.2 非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果

分別選取時(shí)間5、10、15、20、50、100、500、1 000 d等8個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示50 d與1 000 d時(shí)的計(jì)算結(jié)果較為接近，所以在下文中只展示t為5、10、15、20 d及50 d的計(jì)算結(jié)果。將堰塞壩4分區(qū)參數(shù)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的浸潤線匯總?cè)鐖D5所示。非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果見表3。

圖5 4組參數(shù)非穩(wěn)定滲流浸潤線分布

分析圖5及表3可知：

表3 非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果

(1)堰塞壩在水位上升期浸潤線的抬升均有一定的滯后性，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)第一組及第三組滯后性較為明顯。當(dāng)壩體從上游側(cè)到下游側(cè)滲透系數(shù)逐漸增大時(shí)，具有明顯的滯后性，會(huì)延長(zhǎng)整個(gè)非穩(wěn)定滲流持續(xù)的時(shí)間。同時(shí)，當(dāng)上游側(cè)滲透系數(shù)較小時(shí)，在水位上升期壩體內(nèi)部非穩(wěn)定滲流更復(fù)雜，同時(shí)可以降低壩體浸潤線。

(2)分區(qū)情況下非穩(wěn)定滲流特性非常復(fù)雜，總體來說，隨著水位的上升滲流作用逐漸增強(qiáng)，在水位上升的中期滲流特性變化最為劇烈。

(3)堰塞壩由于組成材料較為松散，滲透系數(shù)大，使得非穩(wěn)定滲流持續(xù)時(shí)間較短，并且非穩(wěn)定滲流特性更加復(fù)雜，在壩體材料隨機(jī)性分布條件下，壩體薄弱部位有可能在分區(qū)交界處，也有可能在上下游水位處，在水位上升過程中難以確定，容易出現(xiàn)潰壩，所以堰塞壩形成后，需要盡快制定處理措施。

3.3 設(shè)置防滲墻后穩(wěn)定滲流計(jì)算

紅石巖堰塞壩防滲加固工程采取了設(shè)置混凝土垂直防滲墻的防滲方案。為評(píng)價(jià)設(shè)置防滲墻后壩體的防滲安全，開展設(shè)置防滲墻后的穩(wěn)定滲流計(jì)算。本部分內(nèi)容計(jì)算參數(shù)選擇第一組滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，上下游水位情況與前文穩(wěn)定滲流相同，防滲墻頂部高程為1 201 m，下部深入基巖約3 m，防滲帷幕深度為28 m。滲透系數(shù)k防滲墻=1×10-7cm/s、k防滲帷幕=1×10-5cm/s。為了保證計(jì)算精度對(duì)防滲墻及防滲帷幕網(wǎng)格進(jìn)行加密，并且在壩體與混凝土防滲墻以及防滲帷幕接觸部位設(shè)置了薄層接觸面，共劃分為4 528個(gè)單元，4 554個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分情況見圖6。穩(wěn)定滲流總水頭等值線見圖7。

圖6 添加防滲措施后的堰塞壩網(wǎng)格劃分

圖7 穩(wěn)定滲流總水頭等值線(單位：m)

從圖7可以看出：

(1)增加防滲墻后，穩(wěn)定滲流壩基位置單寬滲流量為1.38 m3/d，相比不設(shè)防滲墻前大幅度減小。

(3)防滲墻中部水力梯度較大，最大值為70.2，混凝土防滲墻上游側(cè)水頭約為1 199 m，下游側(cè)水頭大約為1 130 m，混凝土防滲墻最大削減水頭為69 m，占上下游水頭差的79%，說明防滲墻有較好的防滲作用。

4 結(jié) 語

無論是穩(wěn)定還是非穩(wěn)定滲流，分區(qū)滲透系數(shù)的改變都會(huì)對(duì)堰塞壩的滲流特性產(chǎn)生影響，使得浸潤線位置、壓強(qiáng)水頭及總水頭的分布以及滲流量產(chǎn)生變化。

(1)穩(wěn)定滲流情況下，當(dāng)堰塞壩從壩頂?shù)綁蔚?、從上游?cè)到下游側(cè)滲透系數(shù)均逐漸增大時(shí)，對(duì)壩體的滲流最為不利。此種情況浸潤線的位置會(huì)有所降低，滲流量增加，總水頭等值線會(huì)向上游側(cè)移動(dòng)，水頭損失的主要區(qū)域向上游側(cè)擴(kuò)大。

(2)非穩(wěn)定滲流均有一定的滯后性，當(dāng)堰塞壩上游側(cè)到下游側(cè)滲透系數(shù)均逐漸增大時(shí)，會(huì)使非穩(wěn)定滲流持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，滯后現(xiàn)象較為明顯。分區(qū)情況下非穩(wěn)定滲流特性非常復(fù)雜，隨水位的上升滲流作用逐漸增強(qiáng)，在水位上升的中期滲流特性變化最為劇烈。

(3)當(dāng)堰塞壩上部滲透系數(shù)小，下部滲透系數(shù)大時(shí)，一般很難滿足滲透穩(wěn)定和滲流量的要求。該種情況可以優(yōu)先考慮采用防滲墻垂直防滲形式對(duì)堰塞壩進(jìn)行整治。

可見，堰塞壩各部分的滲透系數(shù)不同，壩體的滲流情況也不相同。因此，在實(shí)際工程和數(shù)值模擬中，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)等，盡量確定壩體各部分材料參數(shù)，還原真實(shí)狀況。堰塞壩的物質(zhì)組成及粒度分布情況對(duì)堰塞壩的潰決過程有重要影響，其組成的復(fù)雜性對(duì)堰塞壩的研究具有很強(qiáng)的限制。因此如何準(zhǔn)確地獲取其內(nèi)部物質(zhì)組成特征是研究堰塞壩的一個(gè)難點(diǎn)，也是今后研究重點(diǎn)之一。