運行期土石壩滲流量分析對大壩安全影響評價

艾志娟，周清勇，熊 磊

（1.撫河河道堤防維護中心,江西 撫州 344100；2.江西省水利科學(xué)院,江西 南昌 330029）

江西省水庫眾多,已建成水庫有10819 座,其中大中型293 座、小型10526 座,95%以上壩型為土石壩結(jié)構(gòu)。水庫工程對地方經(jīng)濟社會發(fā)展和社會穩(wěn)定等均發(fā)揮了重要的作用。大壩安全監(jiān)測是水庫運行期的重要管理設(shè)施之一[1],是保障大壩安全的主要非工程措施,特別是大中型水庫的運行管理應(yīng)更為重視。大壩安全監(jiān)測設(shè)施中,最直觀的監(jiān)測設(shè)施是在大壩下游壩腳處的集水溝設(shè)置量水堰。量水堰觀測設(shè)施對于運行管理單位而言,容易觀測及維護,也容易判斷土石壩的運行情況。本文以大（2）型水庫為例進行其運行期建模計算及回歸分析。

水庫[2]坐落于鄱陽湖水系贛江左岸瀘水河上游,禾水二級支流東谷水支流上。壩址以上控制流域面積345.0 km2,工程為粘土心墻防滲的土石壩,大壩壩頂高程149.80 m,最大壩高67.80 m,壩頂長度290.0 m,壩頂寬度8.0 m,總庫容1.26×108m3。設(shè)計灌溉面積33 萬畝,電站裝機16 MW,是一座以灌溉和發(fā)電為主,兼顧防洪及其他效益的大（2）型水庫。工程于2015 年12 月完成單位工程的驗收。目前水庫已正常運行多年,主體工程運行性態(tài)還未進行安全分析,本文采用實測滲流量、有限元模型及數(shù)據(jù)統(tǒng)計回歸模型等進行評價水庫運行期的大壩安全[3-5]。

1 有限元模型分析

為真實地模擬分析土石壩運行期間的滲流穩(wěn)定狀態(tài),利用多年系列觀測資料選取合理的數(shù)值進行反演,以獲取更為可靠的材料滲透系數(shù)。本次采用有限元法進行計算,選取運行期大壩最大斷面測壓管水位值對大壩壩體土層分區(qū)的滲流滲透系數(shù)進行反演[6-9],并以此進一步對大壩滲流安全進行評價。

基于飽和-非飽和滲流理論,非飽和土中滲流為隨土層基質(zhì)吸力變化的二階函數(shù),土體中體積含水率隨時間變化而不同,將達西定律導(dǎo)入連續(xù)性方程中,采用有限元法求解滲流場的拉普拉斯控制方程如下：

控制方程的邊界條件為：第一類邊界為上下游水位以下的出入滲面及自由滲出段,水頭為已知；第二類邊界為滲流自由面和不透水層。本次采用極限平衡上限解分析,該有限元法軟件由加拿大巖土軟件開發(fā)商GEO-SLOPE 公司開發(fā)的面向水利、巖土、地質(zhì)工程等領(lǐng)域開發(fā)的一套仿真分析軟件。

大壩測壓管斷面布置圖大壩典型斷面見圖2,本文選取樁號0+165 典型斷面,壩體計算分區(qū)見圖1,據(jù)斷面3 個滲壓計測點管水位過程線及考慮大壩常年運行下庫水位而言,采用常水位即多年平均庫水位137.49 m 作為滲流系數(shù)反演計算,將某時段對應(yīng)的測壓管水位與計算獲得的浸潤線進行多次對比,直至達到兩者浸潤線相對吻合狀態(tài),最后確定現(xiàn)狀壩體土層中粘土心墻、上下游壩殼料層及排水棱體層等的滲透系數(shù)。本水庫工程以滲壓計測值正常有效以此作為反演依據(jù),計算結(jié)果見表1,常水位下反演計算見圖2,計算浸潤線與測壓管實測值較吻合,反演效果較理想。

表1 各分區(qū)土層有關(guān)滲透系統(tǒng)指標(biāo)采用值表

圖1 壩體計算分區(qū)圖

圖2 典型斷面穩(wěn)定滲流情況下反演計算成果圖

分析可知,水庫壩體防滲心墻測壓管水位隨庫水位變化明顯；大壩壩體防滲心墻上側(cè)即壩軸線上游水位與壩軸線下游側(cè)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出心墻消減近50%的水頭,防滲效果明顯,且防滲心墻下側(cè)測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)總體走勢較平穩(wěn),過程線無明顯突變。

土石壩運行期壩體土層材料會因蓄水上升及土體固結(jié)的影響,發(fā)生一定變形致使某些土層材料的滲透系數(shù)局部改變。本次以滲透系數(shù)反演后的參數(shù)值進行有限元計算[10],分析結(jié)果見表2 及圖3。

表2 大壩壩體滲流計算及總滲流量計算估值

圖3 正常蓄水位148.00 m 下穩(wěn)定滲流計算成果圖

由表2 及圖3 可知,大壩浸潤線在心墻上游近似呈水平分布,在心墻內(nèi)呈斜線形,下游壩殼料中浸潤線緩慢降落,大壩滲流計算等勢線分布符合心墻滲流規(guī)律。結(jié)合筆者的現(xiàn)場查看,庫水位136.61 m,量水堰處滲漏量約為0.75 L/s,經(jīng)分析多年平均庫水位137.49 m 下,計算其壩體滲流量換算值約0.82 L/s,滲流量不大且為清水,防滲效果較好,壩體發(fā)生滲透破壞可能性小。

2 滲流量實測資料分析

水庫滲流量監(jiān)測布置在大壩下游河床處的集滲溝處,位于大壩下游集水溝進口2.0 m 處設(shè)置的三角形量水堰,三角堰中設(shè)有水尺,采用自動結(jié)合人工讀取數(shù)據(jù)。以近幾年水庫運行期壩體實測滲流量觀測作為分析,如圖4 為2015 年～2021 年的滲流量觀測,觀測頻率為每日觀測1 次,剔除連續(xù)降雨、因泄洪下游水位升高及暴雨數(shù)據(jù)不準(zhǔn)未進行觀測統(tǒng)計外,最大滲漏量為2016 年8 月9 日11.02 L/s,其原因是當(dāng)日降雨量達到55 mm 且當(dāng)日前后連續(xù)降雨,從而造成數(shù)據(jù)偏大。最小滲漏量為2020 年12 月25 日的0.57 L/s,平均滲漏量小于1.3 L/s。滲流量的大小基本與上游水位成正比。

圖4 2015 年～2021 年滲流量與庫水位變化過程線

由圖4 分析可知,扣除個別誤差外,運行期水庫下游壩腳實測滲流量比本次有限元模型計算壩體總滲流量偏小,說明水庫運行期大壩運行狀態(tài)正常,壩體滲透穩(wěn)定。

3 滲漏量統(tǒng)計回歸模型分析

壩體滲流是土石壩主要監(jiān)測項目之一。為了解水庫滲流穩(wěn)定運行性態(tài),對本工程最大斷面的部分滲壓計所測水位與庫水位等建立統(tǒng)計模型。大壩為粘土心墻土石材料,其滲漏量主要受上游水深、降雨入滲以及防滲體時變特性和壩前淤積等的影響,土石壩材料一般不考慮溫度分量影響。

本次利用滲漏量統(tǒng)計模型[11-12],根據(jù)滲漏量與實際影響因子之間的相關(guān)性,可更直觀地分析大壩滲漏狀態(tài)?；貧w建模時主要考慮與上游水位的一次方和二次方、下游水位一次方、前期平均1 天、2 天、3 天水位觀測值、降雨量及時效因子等,具體統(tǒng)計監(jiān)控模型如下：

滲流量統(tǒng)計模型為：

式中：Q 為滲流量實測值,L/s；QH為上下游水深分量；Qp為降雨分量；Qθ為時效分量；aui為上游水深分量的回歸系數(shù)；H1i為監(jiān)測日上游水深m；為監(jiān)測日前i 天的平均上游水深,m；m1為滯后天數(shù)；ad為下游水深分量的回歸系數(shù)；H2為監(jiān)測日下游水深,m；m1為滯后天數(shù)；di為降雨分量的回歸系數(shù)；pi為前期降雨量,mm；c1、c2為時效的回歸系數(shù)；θ為起測日開始的天數(shù)除以100；a0為參數(shù)項。

依據(jù)水庫滲流量、降雨量及庫水位等實測資料,定量分析典型大壩斷面管水位原形觀測資料,應(yīng)用逐步回歸分析方法,建立滲流量回歸模型,即：

經(jīng)分析可知,復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.999,標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.846,回歸模型的精度較高,回歸計算結(jié)果成果見圖5。

圖5 滲漏量變化過程線

由回歸模型和圖5 分析可知,擬合效果較理想,在對滲漏量的影響程度中,影響從大到小依次為水壓分量、時效分量、降雨分量。水壓分量與滲漏量關(guān)系較為顯著,滲流量與庫水位變化基本同步,據(jù)實測值與回歸值分析過程線,滲流量呈逐漸減少的整體趨勢,表明大壩整體滲透性較穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文以水庫運行期滲流監(jiān)測資料為基礎(chǔ),對土石壩典型斷面及土層參數(shù)進行了有限元和數(shù)據(jù)回歸分析,主要結(jié)論如下：

1）水庫常水位下,選取壩體滲壓計測值作為滲流系數(shù)反演,計算出壩體浸潤線與測壓管實測值較吻合,反演效果理想。

2）運行期水庫下游壩腳實測滲流量比有限元模型計算壩體總滲流量整體偏小,說明水庫運行期大壩運行狀態(tài)正常,壩體滲流量基本穩(wěn)定。

3）建立滲漏量回歸統(tǒng)計模型,可知回歸模型精度較高,擬合效果理想,在對滲漏量的影響程度中,水壓分量與滲漏量關(guān)系較為顯著,回歸過程線可知滲流量呈逐漸減少的整體趨勢,表明大壩整體滲透性較穩(wěn)定。