幸福水庫大壩滲流安全分析及評價

王 凱，鄒 斌，楊麗虹，張 潔，蔡高堂，計 勇

(1.江西省水工程安全與資源高效利用工程研究中心 南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.江西省港航管理局，江西 南昌 330038；3.新建區(qū)幸福水庫管理所，江西 南昌 330100)

土石壩因其對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、能就地取材、工程經(jīng)濟(jì)效益性較好等優(yōu)點(diǎn)，在中國水利工程建設(shè)中有著重要地位[1]，同時眾多中小型水庫病險問題也日益凸顯[2-3]。由于土石壩自身填筑材料的特性、環(huán)境量、荷載量以及其運(yùn)行管理方式等因素，壩體或壩基內(nèi)滲流狀況比較復(fù)雜，難以直觀表達(dá)[4-5]。據(jù)相關(guān)調(diào)查文獻(xiàn)顯示，中國由于滲流沖刷而失事的土石壩占比達(dá)到40%[6]，因此滲流安全分析對優(yōu)化水庫大壩設(shè)計方案[7]、改進(jìn)施工方法[8]和滲流安全監(jiān)控[9]等環(huán)節(jié)有著重要意義。當(dāng)前應(yīng)用較為常規(guī)的滲流安全分析方法是以實(shí)際觀測資料為基礎(chǔ)[10]，集合土石壩滲流基本理論[11]，運(yùn)用作圖法、比較法和特征值統(tǒng)計法對觀測數(shù)據(jù)與庫水位等因子進(jìn)行相關(guān)性分析及回歸分析，并結(jié)合滲透系數(shù)、位勢過程、化引流量等分析對滲流觀測資料的特征性與規(guī)律性進(jìn)行綜合分析評價[12]。此外隨著計算機(jī)科技的進(jìn)步，促進(jìn)了滲流計算理論的發(fā)展[13]，有限元分析方法逐漸成為目前應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)值計算方法[14]。目前國際上較為知名的滲流有限元計算軟件有GEOSTUDIO、PLAXIS和ANSY等[15]，國內(nèi)也有一些自主開發(fā)的有限元程序，如中國水利水電科學(xué)研究院的STSA程序和南京水利科學(xué)研究院的UNSST2程序等。

論文通過收集整理幸福水庫除險加固后2011—2017年間庫水位、降雨量及測壓管水位等數(shù)據(jù)資料，對大壩滲流觀測資料進(jìn)行分析以及根據(jù)現(xiàn)場勘測及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果采用通用數(shù)值計算軟件(GEOSTUDIO)對土石壩在特征水位下的穩(wěn)定滲流進(jìn)行有限元數(shù)值計算，評價水庫大壩滲流運(yùn)行性態(tài)，旨在發(fā)現(xiàn)壩體在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的滲流安全問題，為后期水庫運(yùn)行管理提供參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)采集

1.1 區(qū)域概況

幸福水庫大壩坐落在贛江支流長堎河上，水庫壩址以上控制流域面積30.2 km2，設(shè)計灌溉面積0.33 hm2，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫，主要建筑物包括：混凝土防滲墻土石壩、左岸溢洪道、灌溉隧洞等。壩址區(qū)為一山間盆地地形，壩基覆蓋層為殘坡積層和沖積層，殘坡積層主要為粉質(zhì)黏土，分布于大壩左右段即老河床兩岸，其物理力學(xué)性質(zhì)較好，透水性微弱，屬相對不透水性；沖積層主要為礫粉質(zhì)壤土、粗砂等，其中粗砂透水性較強(qiáng)含礫粉質(zhì)壤土多夾有砂層，局部夾少量礫石、碎石等，影響其整體防滲性，該層分布于老河床段，且貫穿壩址上下游。

水庫大壩始建于1958年，為均質(zhì)土壩，壩頂高程59.4 m，壩長686.0 m，最大壩高19.8 m，正常蓄水位55.0 m。大壩最大壩高處位于主河槽段，為透水壩基，且建設(shè)時由于條件限制，未對老河床壩基段進(jìn)行清基處理、填筑碾壓不足等，導(dǎo)致大壩沉陷、滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重。后經(jīng)1973、1985、2008年多次除險加固，并在2008年除險加固中采用混凝土防滲墻結(jié)合灌漿帷幕對壩體、壩基及兩壩肩巖體進(jìn)行防滲處理，修繕上下游護(hù)坡，增設(shè)排水棱體，并完善大壩監(jiān)測設(shè)施。

1.2 測壓管布置及水位數(shù)據(jù)采集

幸福水庫大壩滲流監(jiān)測設(shè)施為測壓管，于2010年10月布置完成并開始日常監(jiān)測，5個監(jiān)測斷面，共計17個監(jiān)測點(diǎn)。大壩監(jiān)測斷面樁號分別為0+030、0+075、0+300、0+500、0+656 m，每個斷面布置4根測壓管，分別位于防滲墻上、下游，大壩下游52.47、44.46 m高程處，0+030 m斷面處2根，0+656 m斷面處3根，幸福水庫區(qū)域位置及大壩測壓管布置見圖1。滲流觀測數(shù)據(jù)為人工觀測方式采集，降雨量及上游庫水位觀測數(shù)據(jù)采用壩址處觀測站自動監(jiān)測。由于設(shè)備故障等原因?qū)е侣y或數(shù)值異常等現(xiàn)象，在統(tǒng)計分析前要先對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，剔除異常數(shù)據(jù)，并用插值法補(bǔ)全缺失值，形成完整的長序列觀測數(shù)據(jù)。

圖1 幸福水庫區(qū)域位置及大壩測壓管布置

2 大壩滲流觀測資料分析

2.1 測壓管水位過程分析

本文繪制測壓管水位與庫水位變化過程線[15](圖2)，在0+030 m斷面中，1號測壓管水位偶有高于庫水位的現(xiàn)象，結(jié)合測壓管位置，該點(diǎn)位于右壩肩，與地下水位較高的山體連接，初步分析，受地下水位影響，導(dǎo)致測壓管水位異常。1、2號測壓管分別位于防滲墻前后，2號測壓管水位較1號測壓管水位僅下降2.1 m左右，防滲墻作用較小，此處可能存在繞壩滲流。在0+075 m斷面中，3號測壓管位于防滲墻前，4—6號測壓管位于防滲墻后，3—5號測壓管水位數(shù)據(jù)整體連續(xù)性較好，與庫水位呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，但6號測壓管數(shù)值變化平穩(wěn)且相關(guān)系數(shù)值極低，基本不受庫水位影響，測壓管內(nèi)可能出現(xiàn)淤堵等異常情況，需對該測點(diǎn)進(jìn)一步檢查分析。在0+300、0+500 m斷面中，7、11號測壓管位于防滲墻前，8、12號測壓管位于防滲墻后，8、12號測壓管水位較7、11號測壓管水位均下降4 m左右，防滲墻防滲效果良好，且與庫水位有較高的相關(guān)性。9、10、13、14號測壓管水位隨庫水位變化的峰谷不明顯，可見壩體內(nèi)滲流較穩(wěn)定，下游壩殼排水效果好。在0+656 m斷面中，15號測壓管位于防滲墻前，16、17號測壓管依次布置于防滲墻后側(cè)，水位數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，與庫水位呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，但可觀察到16號測壓管水位較15號測壓管水位僅下降約1.6 m，防滲墻作用較小，此處位于左壩肩，可能出現(xiàn)繞壩滲流。

a)0+030 m斷面

b)0+075 m斷面

c)0+300 m斷面

d)0+500 m斷面

綜上所述，大壩左右壩肩處受兩岸山體地下水影響存在繞壩滲流現(xiàn)象，6號測壓管水位與庫水位無相關(guān)性，可能存在淤堵異常，需進(jìn)一步對該測壓管進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)分析；其余測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，與庫水位呈現(xiàn)較高的相關(guān)性，能夠較好地表征壩體滲流情況。

2.2 統(tǒng)計模型分析

逐步回歸的思想是將自變量逐個代入模型，每代入一個自變量后都需進(jìn)行F檢驗(yàn)，并對已經(jīng)選入的自變量逐個進(jìn)行t檢驗(yàn)，當(dāng)原來引入的自變量由于后一個自變量的引入而不再顯著時，將被剔除，以保證最后所得到的自變量集為最優(yōu)解[16]。針對前期庫水位建立逐步回歸模型見式(1)：

yi=α1H1+α2H2+α3H3+α4H4+α5H5+α6H6+α7H7+b0

(1)

式中H1——當(dāng)天庫水位，m；H2——第1—5天的平均庫水位，m；H3——第6—10 天的平均庫水位，m；H4——第11—15天的平均庫水位，m；H5——第16—20天的平均庫水位，m；H6——第21—25天的平均庫水位，m；H7——第26—30天的平均庫水位，m。

借助SPSS軟件完成逐步回歸計算部分，剔除了影響回歸方程不顯著的變量因子，提煉出對測壓管水位數(shù)值呈顯著貢獻(xiàn)的變量相關(guān)系數(shù)及擬合度見表1，根據(jù)表1計算結(jié)果可以建立各測壓管水位模型。本文繪制了0+300 m斷面各測壓管水位擬合過程線，模型擬合效果好，接近工程實(shí)際情況，見圖3。由表1、圖3可知各測壓管水位受當(dāng)日庫水位的影響最大，與測壓管水位成正相關(guān)，其相關(guān)性從上游到下游逐漸降低，且靠近下游測壓管受滯后效應(yīng)較為顯著。這表明越靠近上游區(qū)域測壓管水位受影響因素越穩(wěn)定，符合老壩滲流規(guī)律。

表1 測壓管水位逐步回歸計算

圖3 0+300 m斷面測壓管水位測量值與擬合值過程線

3 滲流分析及安全評價

3.1 計算斷面與參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)橫剖面和縱斷面資料，斷面0+450 m為老河床位置，壩高最大，故選取該斷面作為代表性斷面進(jìn)行計算。水庫大壩工程地質(zhì)情況為：壩體主要由粉質(zhì)黏(壤)土組成，該土體大多呈弱透水性，局部中等透水；壩基層由含礫粉質(zhì)黏土、圓礫和礫砂分布于老河槽底部，呈弱透水層；混凝土防滲墻深入基巖0.5 m，基巖為微透水層，其埋深最大，對壩基滲透影響不大。各土層的物理性質(zhì)分布見圖4，對應(yīng)滲透系數(shù)取值具體見表2。

圖4 0+450 m斷面土層分區(qū)

項(xiàng)目壩體上部填土礫質(zhì)粉質(zhì)壤土壩體下部填土粉質(zhì)黏(壤)土壩基土含礫粉質(zhì)黏(壤)土礫砂圓礫防滲墻塑性混凝土滲透系數(shù)/(cm·s-1)5.0×10-42.3×10-42.39×10-45.0×10-22.0×10-11.0×10-6允許滲透坡降0.40.420.450.280.360

3.2 大壩滲流有限元計算過程

GeoStudio軟件中滲流計算SEEP/W模塊可分為搭建模型、數(shù)值計算和成果出圖3個部分。其中搭建模型包括繪制斷面輪廓、確定壩體材料屬性、設(shè)置土層滲透系數(shù)、生成有限元區(qū)域和設(shè)置邊界條件等；計算部分有軟件自動操作完成，并且有限元計算結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接取決于搭建的模型質(zhì)量；最后由計算機(jī)軟件輸出流網(wǎng)圖、節(jié)點(diǎn)和單元等計算成果[15]。根據(jù)工程概況及水庫運(yùn)行中出現(xiàn)的不利條件，本次滲流計算中考慮了下列水位組合情況有：①上游正常蓄水位55.00 m與下游相應(yīng)的最低水位40.80 m；②上游設(shè)計洪水位56.46 m與下游相應(yīng)最低水位40.80 m；③上游校核洪水位57.14 m與下游相應(yīng)最低水位40.80 m；④庫水位自校核洪水位57.14 m快速下降至正常蓄水位55.00 m。

3.3 計算成果

按不同工況組合進(jìn)行計算，繪制各工況下的滲流流網(wǎng)圖和大壩的浸潤線(自由面)位置，見圖5；各工況下大壩壩體內(nèi)最大滲透坡降值及滲流量見表3。

a) 工況1

b) 工況2

c) 工況3

d) 工況4圖5 各工況下滲流計算成果(m)

上游水位/m下游水位/m水頭/m最大滲透坡降計算值壩體上部礫質(zhì)粉質(zhì)壤土壩體下部粉質(zhì)黏(壤)土壩基含礫粉質(zhì)黏(壤)土礫砂圓礫防滲墻塑性混凝土單寬滲流量/(m3·d-1·m-1)5540.814.20.1230.220.310.0150.00730.220.53956.4640.815.660.1370.240.340.0170.00834.010.60057.1440.816.340.1430.250.350.0170.00935.780.626允許滲透坡降0.400.420.450.2800.30060.00

0+450 m斷面位于老河床段，該段壩基沖積層主要由礫粉質(zhì)壤土、礫砂、圓砂等構(gòu)成，且貫穿壩址，計算最大滲透坡降值為0.35，按照工程試驗(yàn)資料，滲透坡降允許值為0.3～0.45，各部分?jǐn)?shù)值均在允許值范圍內(nèi)；大壩填筑材料由礫質(zhì)粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土組成，計算最大滲透坡降值為0.25，在允許值0.42范圍內(nèi)；最大滲透坡降出現(xiàn)在混凝土防滲墻內(nèi)，計算滲透坡降值為35.78，小于允許滲透坡降值60。壩體單寬流量較小，最大值為0.626 m3/(d·m)。從圖5可以看出，各工況下混凝土防滲心墻處浸潤線下降明顯，浸潤線溢出口位于排水棱體內(nèi)，大壩滲流計算等勢線分布規(guī)律符合混凝土防滲心墻滲流規(guī)律。

3.4 滲流安全評價

根據(jù)測壓管觀測資料水位過程分析，6號測壓管水位變化平穩(wěn)，且相關(guān)系數(shù)極低，表明基本不受庫水位影響，此測壓管內(nèi)可能出現(xiàn)淤堵情況需進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)分析；其余各測壓管水位與庫水位相關(guān)性較好，且水位漲落存在明顯的滯后性；大壩中心壩段防滲墻前后測壓管水位落差近4 m，防滲墻防滲效果良好，左右壩肩位置測壓管水位下降較小，受兩岸山體滲水影響，存在較為明顯的繞壩滲流。根據(jù)統(tǒng)計模型結(jié)果分析，測壓管水位受當(dāng)天庫水位影響最大，并且存在一定滯后效應(yīng)，其相關(guān)性由上游到下游逐漸降低，且靠近下游測壓管水位受滯后效應(yīng)較為顯著，這與常規(guī)分析一致，也反映了設(shè)置防滲墻具有一定的防滲效果。根據(jù)二維滲流有限元計算結(jié)果，最大滲透坡降發(fā)生在混凝土防滲心墻內(nèi)，不同工況下各區(qū)域坡降值均在允許坡降范圍內(nèi)，壩體單寬滲流量均較小，故產(chǎn)生滲透破壞的可能性不大?；炷练罎B墻消除了80%的水頭，在防滲中起著重要作用，且浸潤線都在排水體內(nèi)出逸，反映防滲墻防滲效果較好，這同前述滲流觀測資料分析結(jié)論基本符合。

4 結(jié)論

基于滲流觀測資料分析以及二維滲流有限元計算結(jié)果分析，幸福水庫自2010年加固完成后，混凝土防滲墻防滲效果良好，壩基礫粉質(zhì)壤土、礫砂層以及壩身填筑材料滲透坡降均在允許值內(nèi)，但大壩存在壩肩繞壩滲流、部分測壓管淤堵等異?，F(xiàn)象，水庫大壩整體滲流穩(wěn)定基本滿足安全運(yùn)行要求。

致謝：感謝江西省水利科學(xué)研究院農(nóng)村水利研究所譚淋露研究員為本研究提供的幫助。