基于測壓管數(shù)據(jù)的某水庫土壩滲流安全性分析

劉鳳茹，波蘭汗·開肯，詹達美

(1.深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518020;2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

大壩安全一直是水利工程領(lǐng)域重點關(guān)注問題，尤其是大壩滲流安全是大壩安全評價的重要組成部分[1-2]。壩體滲流通常對混凝土壩和壩基巖土產(chǎn)生化學侵蝕破壞，而對土石壩可能產(chǎn)生滲漏或管涌等嚴重的滲透破壞[3-4]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計[5-7]，在美國206座破壞的土壩中，管涌和滲透破壞導致潰壩占52.5%；在中國存在嚴重滲漏的大型水庫132座，其中土石壩占80%左右，在大型水庫發(fā)生的事故調(diào)查中，滲漏管涌破壞占31.7%。可見，大壩滲漏問題是影響大壩安全的重要因素，因此有必要對大壩，尤其土壩開展?jié)B流分析及滲透穩(wěn)定性判別[8-11]。

土壩滲流分析有水力學解析法、流體力學解析法和數(shù)值解法等，而目前常用的方法是數(shù)值解法，主要包括邊界元法、有限單元法和有限差分法等[12-14]?？梢酝ㄟ^計算獲得過滲流水頭線、滲漏量和滲透坡降等參數(shù)，對壩體進行滲流安全分析。本文在對某水庫大壩測壓管實測資料分析的基礎(chǔ)上，利用有限單元法對大壩進行滲流安全性計算分析和綜合評價。

1 滲流計算方法

1.1 滲流計算原理

假設(shè)壩體符合平面假定，采用二維飽和滲流場基本方程為：

(1)

式中x、y——主滲透方向；kx、ky——主滲透系數(shù)；H——水頭。

對于平面問題的四邊形單元，單元內(nèi)的水頭分布為：

(2)

應(yīng)用變分原理將微分方程(1)轉(zhuǎn)化為有限元計算格式：

[k]{H}={Q}

(3)

式中 [k]——總傳導矩陣；{Q}——計算區(qū)域邊界上的分布流量的等效節(jié)點流量。

(4)

式中 [k]——e單元的傳導矩陣；[Be]——單元的形變矩陣；Ω——計算域。

對每個可能包含自由面的單元，逐個高斯點計算水頭，當計算水頭值小于其位置水頭時，按式(5)計算該高斯點對該單元各節(jié)點初流量的貢獻。

{Ω}e=-[B][K][B]

(5)

(6)

則第r次迭代的水頭值為：

{Hr+1}={Hr}+{ΔHr}

(7)

1.2 滲透穩(wěn)定性判別

無論是流土還是管涌，一般采用滲透坡降來判別滲透穩(wěn)定性。其中，臨界滲透坡降根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》推薦的公式進行計算[15]：

流土型Jcr=(Gs-1)(1-n)

(8)

(9)

式中Jcr——土的臨界滲透坡降；Gs——土的顆粒密度與水的密度之比；n——土的孔隙率；k——土的滲透系數(shù)；d3——小于該粒徑占總土重3%的土粒粒徑。

2 實例分析

2.1 工程概況

某水庫大壩原為均質(zhì)土壩，于1957年10月動工興建，1958年基本建成，后經(jīng)過多次加固與修復處理，并于1989年在壩軸線上游側(cè)老壩體增設(shè)0.7 m厚混凝土防滲墻；2013年除險加固對壩基、壩肩采用帷幕灌漿進行防滲處理，并對大壩下游坡進行培厚。大壩上游壩坡為混凝土護坡；大壩下游坡為草皮護坡，分別在高程28.59 m和22.68 m處設(shè)有寬為2 m的一級馬道和二級馬道，排水棱體頂部高程為20.0 m，棱體外坡比為1.0∶1.5，頂部平臺寬2 m，排水棱體后設(shè)量水堰。除險加固后的大壩斷面見圖1。

圖1 除險加固的大壩斷面

2.2 滲流觀測數(shù)據(jù)分析

圖2為水庫大壩監(jiān)測設(shè)施平面布置，共設(shè)置4個觀測橫斷面，本次以測壓管編號為CY5、CY6、CY7和CY8的觀測斷面作為研究斷面。采集了2014年1月至2018年10月份的水庫運行水位數(shù)據(jù)與測壓管水位數(shù)據(jù)資料，繪制隨時間的變化曲線(圖3)。

由圖2、3分析可知，各時間節(jié)點庫水位大于各測壓管(CY5、CY6、CY7和CY8)水位；隨著測壓管位置與上游壩腳距離的增大，水位逐漸減小，說明壩內(nèi)水頭逐漸削減；位于防滲墻上游側(cè)的CY5測壓管水位明顯大于下游側(cè)測壓管(CY6、CY7和CY8)水位，說明混凝土防滲墻防滲效果較好；CY5、CY6、CY7測壓管水位變化趨勢與庫水位變化趨勢基本一致。由于CY7對水位敏感，CY8位于下游對水位不敏感，導致了庫水位驟降局部時段產(chǎn)生了CY7低于CY8的滯后效應(yīng)。測壓管數(shù)據(jù)總體上合理性較好，庫水位越高，浸潤線越高；從上游到下游，壩內(nèi)水位沿程不斷降低，在混凝土防滲墻處有明顯降落，說明防滲墻起到了顯著的防滲作用?；炷练罎B墻之后壩體浸潤線較為平緩。

圖2 水庫監(jiān)測設(shè)施平面布置

圖3 2014年1月至2018年10月測壓管水位與庫水位關(guān)系

2.3 壩體滲流特性分析

2.3.1計算工況及參數(shù)選取

大壩滲流場計算考慮水庫運行中出現(xiàn)的各種不利條件，選取了正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位3種穩(wěn)定滲流工況和設(shè)計洪水位降至死水位、校核洪水位降至死水位2種非穩(wěn)定滲流工況(表1)。壩體滲流場計算參數(shù)見表2。

表1 滲流穩(wěn)定計算工況

表2 滲流穩(wěn)定計算參數(shù)

2.3.2滲流計算結(jié)果與分析

計算得到各工況下大壩等水頭線和浸潤線見圖4，單寬滲流量和出逸點滲透坡降見表3。

a)工況1 b)工況2

c)工況3 d)工況4

e)工況5

表3 大壩滲流計算結(jié)果

由圖4分析可知，大壩各工況計算斷面等水頭線在材料分區(qū)處發(fā)生偏折，在混凝土防滲墻處密集，浸潤線在防滲墻處跌落，浸潤線逸出點位置降低，并全部進入排水棱體，符合心墻壩的一般滲流規(guī)律。在穩(wěn)定滲流(工況1—3)中防滲墻能夠有效降低浸潤線，而在非穩(wěn)定滲流(工況4、5)中，浸潤線降低幅度減弱，但浸潤線高度和浸潤線逸出點高度相對較低，說明混凝土防滲墻防滲效果較好。計算浸潤線與測壓管觀測數(shù)據(jù)基本一致，在穩(wěn)定滲流場情況下，庫水位越高浸潤線越高，庫水位越低浸潤線越低，計算結(jié)果均能合理反映。

根據(jù)表3分析可知，穩(wěn)定滲流(工況1—3)和非穩(wěn)定滲流(工況4、5)中，均存在隨著庫水位的升高，最大單寬滲流量升高，而非穩(wěn)定滲流的最大單寬滲流量小于穩(wěn)定滲流工況的情況。此外，隨著水位變化，關(guān)鍵部位的滲透坡發(fā)生相應(yīng)變化；穩(wěn)定滲流的逸出坡降小于非穩(wěn)定滲流工況。非穩(wěn)定滲流的工況5逸出滲透坡降最大，為0.36，但小于壩體填土允許坡降0.85，不會發(fā)生滲透破壞，大壩的滲流穩(wěn)定性滿足要求。

3 結(jié)論

結(jié)合滲流實測數(shù)據(jù)和理論計算對水庫大壩進行滲流及其穩(wěn)定性分析，得到如下結(jié)論。

a)大壩庫水位與測壓管水位大致同步升降；測壓管距上游壩腳距離和測壓管水位高度呈負相關(guān)，即距離越遠，水位越低；測壓管水位變化趨勢與庫水位變化趨勢基本一致。

b)浸潤線高度與庫水位呈正相關(guān)，防滲墻對浸潤線水頭削減顯著，防滲墻前后浸潤線存在明顯落差，防滲墻后壩體浸潤線較為平緩。

c)實測浸潤線與理論計算值有較好的一致性，與庫水位呈正相關(guān)變化規(guī)律。

d)穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流條件下，前者壩體逸出坡降小于后者，但均小于壩體填土允許坡降，滲流穩(wěn)定性滿足要求。