云峰水庫土石壩滲流條件及其穩(wěn)定性研究

徐 銘，張 宇，趙 敬，盧 斌，鞏 炎，鄭福杰，謝興華

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.岳西縣水利局，安徽 岳西 246600)

1 工程概況

云峰水庫所處區(qū)域主要分布地層為五臺～呂梁期混合花崗巖(Mγ1- 22)和近代人工填土層(Qs)。五臺～呂梁期混合花崗巖(Mγ1- 22)表層一般呈全風化狀態(tài)；近代人工填土層(Qs)主要分布于水庫大壩壩身，填土成份主要以灰、黃色中粗砂為主，土體一般呈松散狀態(tài)。水庫地處大別山高山區(qū)，庫周山峰高程均在1000.00m以上，地勢起伏，大壩壩頂高程1016.30m左右，壩后地面高程999.00m左右。工程區(qū)域內(nèi)地下水類型為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于全風化花崗巖、人工填土中。工程區(qū)地下水主要受大氣降水補給，以地表蒸發(fā)、向水庫及壩后排泄為主要排泄方式；裂隙水分布于強～弱基巖裂隙中，主要受庫水及大氣降水補給，以地表蒸發(fā)和向壩后排泄為主要排泄方式。

水庫工程等別為Ⅴ等小(2)型工程，主要建筑物5級。設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為300年一遇。水庫工程由大壩、溢洪道和放水隧洞組成：①大壩為粘土心墻壩，壩頂高程為1016.30m，壩頂寬3m，壩長80m，最大壩高15.3m，大壩迎水坡坡比為1∶2.8、背水坡坡比為1∶2.3。②溢洪道位于大壩右岸，依低洼山體開挖而成，為開敞式溢洪道，總長92m，進口底高程1013.30m，底寬2m。溢洪道建于強風化基巖上，進口段底板、邊墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，陡坡段底板、邊墻為混凝土澆筑，消力池為漿砌石，結(jié)構(gòu)基本完整。③放水隧洞位于大壩右端山體內(nèi)，為1.6m×1.8m城門洞型，洞底高程1003.00m，全長77m，隧洞用C20鋼筋混凝土進行全洞襯砌，襯砌厚度25cm。放水隧洞進口采用封閉的岸塔式結(jié)構(gòu)，進口底高程1003.00m，由喇叭口，閘槽段、啟閉平臺及便橋等部分組成。自進口開始內(nèi)套鋼管，鋼管進口段設4m長混凝土堵頭，出口閘閥控制放水。

2 水庫大壩防滲控制措施

大壩為粘土心墻壩，上游齒墻深入全風化層1.5m，壩體采用土工膜防滲體系，壩肩及壩基采用帷幕灌漿防滲。由于云峰水庫壩基下存在強透水的風化層，為延長地下水滲流路徑，防止壩基發(fā)生滲透破壞，在上游壩腳處設置截水槽，灌漿孔布置在截水槽下，并向左岸山體延伸40m，右岸山體延伸30m(含溢洪道)，單排孔，孔間距2.0m，帷幕底至弱風化層。施工前，根據(jù)試驗確定壩基風化層的可灌性，再確定帷幕底進入弱風化層的深度，并重新核定壩基帷幕灌漿的范圍及深度。灌漿方法采用自上而下分段孔內(nèi)循環(huán)法灌注，灌漿材料采用普通硅酸鹽水泥，強度等級不低于42.5級。

3 模型構(gòu)建

為了全面反映云峰水庫在運行期間的運行狀態(tài)，考慮當?shù)貙嶋H工程情況，構(gòu)建二維有限元滲流計算模型。計算時選用Geostudio軟件中的seep模塊處理飽和非飽和土體滲流問題，采用自動剖分法進行網(wǎng)格剖分，有限元模型采用三角形四邊形進行離散。根據(jù)工程所在地區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，將典型斷面按照材料和滲透系數(shù)的不同進行分區(qū)，分為地基、帷幕灌漿、復合土工膜、砂殼、大壩心墻等5種，將土體透水性均概化為非均質(zhì)各向同性，計算典型斷面滲流量及滲透坡降。壩體模型分區(qū)及滲流邊界示意圖如圖1所示。

3.1 計算模型

假設水體在土石壩內(nèi)流動符合達西定律，忽略水的可壓縮性以及土體孔隙中氣體的影響，本文計算滲流模型選取符合達西定律的非均質(zhì)各向異性不可壓縮流體的二維空間穩(wěn)定滲流，其滲流域內(nèi)任一點水頭函數(shù)h應滿足下述基本方程式：

(1)

式中，x、y—橫縱坐標；kx、ky—x、y方向的水力傳導系數(shù)；h—待求水頭函數(shù)，h(x，y)。

與方程(1)式相對應的定解條件為：

流量邊界以及飽和溢出面邊界：

(2)

水頭邊界：

h|Γ1=h1(x，y，z)

(3)

其中邊界面：

Γ=Γ1+Γ2+Γ3

(4)

式中，Г1—第一類邊界，如上、下游水位邊界，自由滲出段邊界等已知水頭邊界；Г2—不透水邊界和潛流邊界等第二類邊界，即已知流量邊界；Г3—自由面邊界，在其上q=0，自由面上任一點需滿足h=z。

3.2 計算工況

為全面反映云峰水庫大壩在正常運行條件及非正常運行條件下大壩滲流狀態(tài)，根據(jù)導則的有關規(guī)定，計算工況采用正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位3種工況進行計算。云峰水庫正常蓄水位1013.30m，對應下游水位999.00m；設計洪水位1014.24m，對應下游水位999.00m；校核洪水位1014.98m，對應下游水位999.00m，具體工況見表1。

表1 計算工況表

3.3 材料分區(qū)與滲透系數(shù)計算參數(shù)

在云峰水庫灌漿帷幕中，通過壓力灌漿法采用自上而下分段灌漿方式進行灌漿，灌漿帷幕底進入弱風化層。一般情況下，防滲帷幕的滲透系數(shù)可達到1.0×10-5cm/s，而且帷幕灌漿的滲透系數(shù)與灌漿工法以及地層巖性相關。因此，典型斷面帷幕灌漿區(qū)域的滲透系數(shù)定義為1.0×10-5cm/s，典型斷面的其他區(qū)域材料參數(shù)的選取，主要依據(jù)可研報告、初設報告、地質(zhì)勘察報告、工程類比以及GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》等。大壩有限元計算模型材料分區(qū)為地基土、灌漿帷幕、復合土工膜、砂殼、大壩心墻等5種。典型斷面的各材料分區(qū)滲透系數(shù)取值見表2。

表2 土石壩模型分區(qū)材料滲透系數(shù)

圖1 壩體模型分區(qū)及滲流邊界示意圖

3.4 計算斷面

考慮到大壩現(xiàn)狀，根據(jù)大壩運行、觀測資料，在河床壩段選取具有代表性的典型斷面進行滲流計算。針對土石壩斷面建立二維有限元網(wǎng)絡模型。模型范圍自壩踵起向上游延伸61.50m、自壩趾起向下游延伸40.50m、深度向下延伸68.50m。劃分的單位，采用四邊形和三角形網(wǎng)格，全局單元大概尺寸為1m。土石壩段共剖分9523個單元，共9685個節(jié)點，土石壩段有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

4 滲流計算分析

4.1 滲流場計算結(jié)果

根據(jù)二維有限元滲流計算，得到各計算工況下穩(wěn)定滲流的滲流等水頭線。如圖3—5所示分別是正常蓄水位、設計洪水位以及校核洪水位下壩體典型斷面內(nèi)滲流場分布。由圖3—5浸潤線分布可知，在不同工況下典型斷面的滲流場等水頭線分布均勻，等水頭線走勢以及密度基本一致。浸潤線在經(jīng)過土工膜后顯著降低，說明土工膜防滲體系起到了主要的防滲功能，壩體內(nèi)浸潤面位置不高，浸潤線出心墻后進一步降低，滲透水流主要集中在壩基附近，出口位于排水棱體底部，可見大壩心墻具有顯著的擋水作用。因此，根據(jù)計算結(jié)果可知，水能在通過土工膜及心墻后大幅減小，壩體內(nèi)滲流自由面比較低，大部分屬于疏干區(qū)，土工膜及土石壩心墻形成了比較完善的聯(lián)合防滲體系。

4.2 滲透坡降及滲流量

壩體典型斷面在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位工況下，單寬壩段(含壩基)的壩基坡降及滲透流量[6]見表3。在進行滲流穩(wěn)定計算分析時，應恰當?shù)倪x取臨界坡降值以判斷壩體滲流穩(wěn)定。由于缺乏試驗資料，根據(jù)云峰水庫地質(zhì)勘察資料，采用經(jīng)驗公式計算來確定一個合理的臨界水力坡降。臨界坡降計算的毛昶熙公式[7]為：

(5)

通過查閱云峰水庫地勘資料可知n=0.051、d5=0.002mm、d15=0.0052mm、d85=1.8mm。通過計算得到臨界坡降Jc=0.51。

圖2 云峰水庫大壩斷面模型網(wǎng)格剖分圖

圖3 土石壩段正常蓄水位滲流等水頭線圖

圖4 土石壩段設計洪水位滲流等水頭線圖

圖5 土石壩段校核洪水位滲流等水頭線圖

表3 各類無粘性土的破壞坡降和允許坡降

表3中，由于臨界坡降計算值Jc=0.51，屬于過渡性滲透破壞形式，安全系數(shù)取為1.5。因此，云峰水庫壩基允許滲透坡降為0.34。

滲流計算成果見表4，由表4可見：

表4 土石壩段滲流計算成果表

(1)各工況下在出逸高程處的壩基坡降都比較大，各個工況下的壩基滲透坡降均位于壩基允許滲透坡降范圍內(nèi)，基本滿足滲流穩(wěn)定要求。在設計洪水位及校核洪水位的工況下壩基坡降最大為0.34，恰好等于臨界水力坡降臨界最大值，在水庫水位過高的情況下可能引起壩基附近發(fā)生滲透破壞。針對這種情況要做好水庫的除險加固工作，應采取延長滲徑，減小壩基坡降的抗?jié)B措施，且在極端天氣下要加強對水庫的監(jiān)測，防止?jié)B透坡降過大，發(fā)生滲透破壞。

(2)壩體單寬流量較大，壩體在土工膜、帷幕灌漿以及粘土心墻等聯(lián)合防滲體系下滲流量是比較小的，而壩基位于全風化花崗巖以及人工填土的地層中，基巖的滲透系數(shù)比較大，具有較強的透水能力。

綜上所述，壩體典型斷面的滲漏量比較大，根據(jù)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，下游壩腳存在滲漏，地表沼澤化。

5 結(jié)論

(1)大壩形成了相對完整的防滲體系，但是該體系分兩個階段建成，連接部位的密封情況不明。

(2)在不同工況下典型斷面的滲流場等水頭線分布均勻，等水頭線走勢以及密度基本一致。

(3)大壩滲流復核計算結(jié)果顯示基礎滲流量較大，浸潤面位置不高，出滲點在排水棱體底部，未在壩坡出滲。出口坡降小于基巖強風化層的抗?jié)B坡降，滲流基本穩(wěn)定。但要密切觀察下游出滲情況，特別是庫水位較高時，一旦出現(xiàn)流量增大或渾水出滲，應立即采取措施處理，確保大壩安全。