基于現(xiàn)場檢測參數(shù)反演的大壩滲流安全分析

張 軍，李宏沖，李萬里，劉灝懿，李 森，劉 威

(1.南陽市水利建筑勘測設(shè)計院，河南 南陽473000;2.河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 南陽473000)

1 工程概況

水簾水庫位于淮河源頭支流西小河中游，壩址距桐柏縣城4 km，是一座以防洪為主，兼有旅游、供水、養(yǎng)殖于一體的綜合性水利樞紐工程[1－2]。水庫控制集水面積6.98 km2，總庫容160萬m3，為小(1)型水庫。考慮距離桐柏縣城較近，按照Ⅲ等3級建筑物設(shè)計。水庫設(shè)計洪水位217.60 m，校核洪水位218.30 m，興利水位215.50 m。大壩為漿砌石重力壩，壩頂全長132.0 m，壩頂高程 219.10 m，最大壩高34.1 m。水簾水庫工程布置見圖1。

由于大壩上游防滲面板裂縫且壩體漿砌石填筑質(zhì)量較差，水庫目前存在的主要問題是:排水廊道底板開裂冒水;壩肩貫穿性裂縫;壩頂、廊道裂縫嚴(yán)重等。鑒于水庫存在的上述問題和缺乏觀測數(shù)據(jù)資料等情況，根據(jù)其工程地質(zhì)條件結(jié)合現(xiàn)場檢查情況，對大壩進(jìn)行滲流安全性分析是必要的，以解決大壩及壩基的滲流安全及滲透穩(wěn)定性問題。

圖1 水簾水庫工程布置圖

2 大壩現(xiàn)狀

2.1 壩基工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)為低山區(qū)，兩岸山脊走向近南北，與河流方向一致，高程170 m～320 m，左岸山體雄偉寬厚，山坡坡度35°～50°，沖溝不甚發(fā)育。右岸山體較單薄，山坡坡度30°～45°，大壩下游發(fā)育有一沖溝，沿東—東南方向切割右岸山體，沖溝深約5.0 m。壩軸線方向300°，河流方向25°，河流與壩軸線交角85°;河床寬約20 m，高程185 m左右;河谷形態(tài)呈“V”型。河床基巖完整，壩基巖性為黑云二長花崗片麻巖，水庫修建時清基至微風(fēng)化狀態(tài)[3]。

壩址區(qū)及其附近發(fā)現(xiàn)3條斷層，寬度和延伸長度都不大。F1斷層:位于右壩段，位置較高，長約100 m，寬度7.0 m ～8.0 m，膠結(jié)好，節(jié)理以傾向南東為主，屬中高傾角，不透水，不起滑移控制作用。斷層產(chǎn)狀:走向 160°，傾向 70°，傾角 52°;F4 斷層:位于左壩段，長約50 m，寬7.0 m～8.0 m，傾向下游，基本與壩軸線垂直，屬高傾角，充填有綠泥石，膠結(jié)好，根據(jù)原鉆孔壓水試驗(yàn)，為弱透水下帶，斷裂體呈透鏡體狀，不連續(xù)，有臨空面，對壩體有影響。斷層產(chǎn)狀:走向 18°，傾向 108°，傾角 72°;F2 斷層:位于大壩下游，長約 50 m，寬 4.0 m ～5.0 m，傾向下游，與壩軸線大體平行，距離大壩約300 m，對大壩基本沒有影響。斷層產(chǎn)狀:走向265°，傾向355°，傾角 55°。

壩址區(qū)主要有以下3組:(1)走向 SW210°～230°，傾向 NW300°～320°，傾角50°～60°;(2)走向SE113°～144°，傾向 NE23°～54°，傾角 60°～75°，該組為巖層層面裂隙;(3)走向 SE144°～172°，傾向NE54°～82°，傾角 60°～70°。以上三組裂隙，第(2)組最發(fā)育，第(1)組次之，第(3)組則發(fā)育較少。經(jīng)統(tǒng)計，范圍為1.0 m×1.0 m內(nèi)。第(2)組發(fā)育有10條～22條，第(1)組發(fā)育有7條～13條，第(3)組發(fā)育有3條～5條。其裂隙多數(shù)呈閉合狀，無充填物，且延伸不遠(yuǎn)。其中，走向相同、傾向相反的第(1)組和第(3)組裂隙構(gòu)成“X”型結(jié)構(gòu)面，把巖體切割成“V”字型槽，而第(2)組與第(3)組裂隙則構(gòu)成正方形或不規(guī)則的正方形結(jié)構(gòu)面。

壩址區(qū)地下水按埋藏條件分為:第四系全新統(tǒng)松散層中的孔隙潛水，接受庫水補(bǔ)給，儲量較豐富?；◢徠閹r中的基巖裂隙水，右岸山體沖溝中有裂隙水滲出，常年不干，高出河床約20 m，基巖裂隙水補(bǔ)給河水。

2.2 大壩結(jié)構(gòu)情況

2.2.1 混凝土結(jié)構(gòu)

壩頂、防浪墻及上游防滲面板為混凝土結(jié)構(gòu)，其中上游防滲面板厚度為0.5 m～1.8 m，面板內(nèi)配置縱、橫向鋼筋，鋼筋直徑為8 mm，間距為30 cm，面板與壩體之間采用直徑14 mm的錨固筋連接，防滲面板豎筋插入基礎(chǔ)底板0.4 m，并與壩體基礎(chǔ)的混凝土防滲墊層連成整體。

2.2.2 漿砌石結(jié)構(gòu)

大壩除壩頂、防浪墻、上游防滲面板及溢流面板等以外為漿砌石結(jié)構(gòu)，下游側(cè)壩面在216.00 m～219.10 m高程范圍內(nèi)為鉛直段，在216.00 m高程以下為斜坡段，坡度為1∶0.8。下游側(cè)漿砌石壩面存在砂漿脫落、砌石松動現(xiàn)象，致使壩面雜草叢生。根據(jù)原有資料，大壩在修建時采用水泥砂漿砌筑。根據(jù)本次勘察所取得的地質(zhì)資料[3]，壩體砌石多呈弱—微風(fēng)化，少量為強(qiáng)風(fēng)化，砌石之間有少量的砂漿充填，可見不規(guī)則的相互連通的空洞，砂漿中水泥含量很少，膠結(jié)差，砂漿呈松散的顆粒狀。采用探坑稱重及覆膜注水法測得壩體漿砌石的密度為1.979 t/m3，小于設(shè)計值2.2 t/m3，壩體填筑質(zhì)量差。

2.3 滲漏情況

2.3.1 壩基滲漏情況(含繞壩滲漏)

壩址區(qū)河谷形態(tài)呈“埃幀北型，河谷兩側(cè)基巖裸露。大壩壩基由左壩肩、河槽段及右壩肩組成，其地層巖性均為黑云二長花崗片麻巖，建壩時已清基至微風(fēng)化狀態(tài)，壩基巖體較完整，其中左壩肩壩基巖體裂隙較發(fā)育，巖石透水率 0.80 Lu ～2.70 Lu，微透水—弱透水下帶;河槽及右壩肩壩基巖體裂隙不發(fā)育，巖石透水率 0.75 Lu 和 0.90 Lu ～2.10 Lu，微透水—弱透水下帶，壩基滲漏及繞壩滲漏輕微。

2.3.2 壩體滲漏情況

壩體填筑材料為漿砌石，對壩體進(jìn)行了鉆孔取樣及14段壓水試驗(yàn)，壓力表均不起壓，壩體透水率大于100 Lu，屬強(qiáng)透水，壩體滲漏情況嚴(yán)重。

綜上，大壩滲漏以壩體滲漏為主，滲漏嚴(yán)重;壩基滲漏及繞壩滲漏輕微。

3 大壩滲流分析

由于現(xiàn)有地質(zhì)資料不足和缺少滲流監(jiān)測資料，無法建立三維數(shù)學(xué)計算模型，因此大壩滲流計算采用二維有限單元法[4－15]。根據(jù)大壩的資料，分別選取非溢流壩段和溢流壩段最大斷面作為典型斷面進(jìn)行有限元滲流分析。典型斷面見圖2。

圖2 典型斷面

3.1 計算模型、參數(shù)及工況

3.1.1 計算模型

根據(jù)大壩非溢流壩段和溢流壩段最大斷面形狀，建立滲流二維分析有限元模型如圖3所示。模型計算范圍為:X方向?yàn)轫樅酉?，以壩軸線為原點(diǎn)，指向下游為正，上游壩踵以上和下游壩趾以下均截取約2倍壩高;Z方向?yàn)榇怪毕颍蛏蠟檎愿叱虨樽鴺?biāo)。

圖3 典型斷面有限元網(wǎng)格圖

3.1.2 計算參數(shù)

根據(jù)水庫觀測數(shù)據(jù)(庫水位214.00 m時，背水坡滲漏量34 L/s)及現(xiàn)場檢測情況對漿砌石壩各材料分區(qū)滲流參數(shù)進(jìn)行反演，并參考相關(guān)文獻(xiàn)及類似工程，最終滲流參數(shù)選取如表1所示。

表1 大壩各材料分區(qū)滲透參數(shù)反演值

3.1.3 計算工況

根據(jù)水庫實(shí)際情況及大壩結(jié)構(gòu)分析的需要，選取設(shè)計和校核兩種工況對非溢流壩段壩體和壩基滲流性態(tài)及壩基揚(yáng)壓力進(jìn)行計算分析:

(1)設(shè)計工況:設(shè)計洪水位217.60 m，下游河床相應(yīng)水位186.00 m，壩體形成穩(wěn)定滲流。

(2)校核工況:校核洪水位218.30 m，下游河床相應(yīng)水位188.00 m，壩體形成穩(wěn)定滲流。

3.2 滲流計算成果分析

采用上述計算模型和滲透參數(shù)，計算得到非溢流壩段和溢流壩段最大斷面在設(shè)計和校核工況下壩體和壩基的滲流場，經(jīng)分析整理，壩體和壩基的位勢分布如圖4(a)～圖4(d)所示。

圖4 壩體和壩基位勢分布圖

根據(jù)壩體和壩基位勢分布計算壩基面總揚(yáng)壓力，所得結(jié)果見表2。

表2 壩基面總揚(yáng)壓力及逸出點(diǎn)高程

采用反演分析得到的壩體和壩基材料滲透參數(shù)計算壩體和壩基滲流場以及壩基揚(yáng)壓力，得到揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.51，大于設(shè)計折減系數(shù)0.38。在設(shè)計和校核工況下，壩基揚(yáng)壓力值均較大，且面板及壩踵部位建基面處的滲透坡降較大，結(jié)果見表3。

現(xiàn)場安全檢測發(fā)現(xiàn)，壩體漿砌石填筑不密實(shí)，壩體及排水廊道裂縫眾多。由圖4可知，壩基揚(yáng)壓力較大，設(shè)計工況和校核工況下非溢流壩段廊道位置壩體浸潤線高程分別為191.38 m和191.60 m，均高于壩體廊道高程188.00 m;溢流壩段廊道位置壩體浸潤線高程則分別為191.46 m和191.75 m，也均高于壩體廊道高程188.00 m。另外，壩基未設(shè)置灌漿帷幕，僅布置了間距為3 m的壩基排水孔。另外，根據(jù)施工記錄反映，排水廊道附近存在新老層面接觸問題，易造成滲流通道。從滲流計算分析成果來看，壩踵接觸面的滲透坡降較大，非溢流壩段最大滲透坡降為6.64，在高水位情況下，會造成揚(yáng)壓力進(jìn)一步增大，危及大壩穩(wěn)定;溢流壩段最大滲透坡降為7.92，極有可能導(dǎo)致新老層面接觸面發(fā)生滲透破壞，引起壩基滲流量增大，這與0+068.2處排水廊道底板開裂冒水的現(xiàn)象也是吻合的。

表3 最大滲透坡降

4 結(jié)論

根據(jù)大壩滲流有限元分析，并結(jié)合現(xiàn)場檢查檢測情況對大壩滲流安全性評價如下:

(1)本次現(xiàn)場安全檢查和檢測發(fā)現(xiàn)的大壩主要滲流問題有:壩體排水廊道裂縫滲水明顯，0+068.2處底板開裂嚴(yán)重，向外冒水;上游防滲面板普遍蜂窩、麻面、露筋，防滲效果下降;

(2)采用反演分析得到的壩體和壩基材料滲透參數(shù)進(jìn)行大壩有限元滲流分析，結(jié)果表明，在設(shè)計和校核工況下，大壩壩基揚(yáng)壓力較大;壩基排水廊道位置壩體浸潤線高于壩體廊道高程;壩基排水孔處揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.51，大于設(shè)計折減系數(shù)0.38;

(3)壩基未設(shè)置灌漿帷幕，僅布置了間距為3 m的壩基排水孔，從滲流計算分析成果來看，壩踵基巖的滲透坡降較大，最大滲透坡降為7.92，再加上排水廊道附近存在新老層面接觸問題，極有可能導(dǎo)致壩基接觸面發(fā)生滲透破壞，引起壩基滲流量增大，這與排水廊道底板開裂冒水的現(xiàn)象也是吻合的。

綜上，大壩滲流安全等級評價為“C”級[16]。建議盡快進(jìn)行除險加固，并完善大壩安全監(jiān)測和管理設(shè)施。除險加固工程實(shí)施前，應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)水庫大壩的日常巡視，確保工程安全。

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