大壩典型壩段滲流計(jì)算研究

劉巍巍 何鮮峰

（黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

0 引言

混凝土重力壩是指用混凝土澆筑且主要依靠壩體自重來抵抗上游水壓力及其他外荷載并保持穩(wěn)定的壩，與其他建筑物不同，建設(shè)時(shí)除了需考慮地基強(qiáng)度和變形等一般性問題外，還要考慮水的滲漏問題［1］。從大壩安全監(jiān)測的角度評價(jià)大壩運(yùn)行穩(wěn)定性是工程安全評價(jià)的重要手段。對于多年運(yùn)行混凝土重力壩而言，變形已基本穩(wěn)定，滲流監(jiān)測分析對大壩穩(wěn)定性評價(jià)起決定性作用［2］。滲流是影響堤壩安全的重要因素之一，由河流產(chǎn)生的滲流使堤防壩體經(jīng)常發(fā)生滲水管涌現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅堤防工程安全。在壩與水庫失事的事故統(tǒng)計(jì)中，約有1∕4是由于滲流問題引起的，異常滲流可能導(dǎo)致流土、接觸流土、管涌、沖刷、接觸沖刷等破壞［3］。對混凝土重力壩壩基滲流場分析是比較復(fù)雜的過程，有多種因素會(huì)對其產(chǎn)生影響。隨著數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，許多學(xué)者都提出了相關(guān)的分析計(jì)算模型，例如縫面滲流平面單元模型、基于滲透系數(shù)概率分布的偏態(tài)分布模型、自由滲流場數(shù)學(xué)模型等［4-6］。目前，采用計(jì)算軟件對大壩進(jìn)行滲流分析的方法已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用［7-9］，本研究采用SEEP∕W軟件進(jìn)行某水庫典型壩段的滲流計(jì)算，對比正常蓄水位、千年設(shè)計(jì)洪水位和萬年設(shè)計(jì)洪水位這3種工況下的大壩滲流性態(tài)，從而為水庫合理運(yùn)用提供可靠的理論支持和技術(shù)支撐。

1 工程概況

某水庫大壩為混凝土重力壩，系一級建筑物，地震基本烈度為7度，按8度設(shè)防，最大壩高125 m，壩頂高程553 m（大沽高程系），壩頂長315 m，共分為21個(gè)壩段。一般壩寬為16.5 m，最大19 m，最小13 m。大壩由擋水壩段、電站壩段、底孔壩段、溢流壩段和中孔壩段組成。該樞紐工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模屬大（1）型，樞紐為永久性水工建筑物混凝土重力壩。

2 滲流計(jì)算

采用SEEP∕W軟件進(jìn)行典型壩段的滲流分析工作，該軟件可以對幾乎所有的地下水問題進(jìn)行建模分析。

2.1 基本理論

滲流基本理論基于達(dá)西定律，即飽和或非飽和土的地下水滲流符合達(dá)西定律，如式（1）所示。

式中：q為流量，cm∕s；k為滲透系數(shù)，cm∕s；i為水力梯度，無因次參數(shù)。

對于二維地下水滲流，則有式（2）。

式中：H為總水頭，cm；k x為x方向的滲透系數(shù)，cm∕s；ky為y方向的滲透系數(shù)，cm∕s；Q為邊界流量，cm∕s；θ為體積水容量，cm3；t為時(shí)間，s。

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

選取電站8#壩段作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)見表1。對正常蓄水位、千年設(shè)計(jì)洪水位和萬年設(shè)計(jì)洪水位3種工況下的大壩滲流性態(tài)進(jìn)行計(jì)算，這3種工況對應(yīng)的上下游水位見表2。

2.3 計(jì)算過程

①確定分析問題類型，包括穩(wěn)定狀態(tài)下有邊界和非邊界滲流、瞬態(tài)滲流、平面或橫截面二維滲流和軸對稱的三維滲流。

②其采用非結(jié)構(gòu)化和全局網(wǎng)格密度的網(wǎng)格劃分技術(shù)，對研究區(qū)域進(jìn)行有限元網(wǎng)格離散化，建立混凝土重力壩斷面二維滲流場與應(yīng)力場耦合模型。

③使用基本參數(shù)和粒徑函數(shù)來估計(jì)測定水體量和滲透函數(shù)。

④繪制浸潤面、流線、孔隙水壓力與高程等矢量圖。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)表1、表2計(jì)算參數(shù)，應(yīng)用SEEP∕W軟件，確定正常蓄水位、千年設(shè)計(jì)洪水位和萬年設(shè)計(jì)洪水位3種設(shè)計(jì)工況下典型壩段的滲流形態(tài)，繪制設(shè)計(jì)工況下典型壩段流線示意圖（見圖1至圖3），并計(jì)算該壩段灌漿帷幕后壩基的滲壓系數(shù)，見圖4。

圖3 萬年校核洪水位典型壩段流線示意圖

表1 壩段計(jì)算參數(shù)

表2 計(jì)算工況上下游水位

由圖1～圖4可以看出，大壩滲流流網(wǎng)整體分布態(tài)勢較好；壩軸線灌漿帷幕起到了很好的防滲作用，在灌漿帷幕前后水位差達(dá)到了20 m。由表2也可以看出，千年設(shè)計(jì)洪水位、萬年校核洪水位明顯高于正常蓄水位，因此，這兩種工況下的滲壓系數(shù)也較正常蓄水位下的滲壓系數(shù)高。在各種工況下，典型壩段的滲壓系數(shù)都小于0.25，滿足規(guī)范［10］要求。

圖1 正常蓄水位典型壩段流線示意圖

2.5 設(shè)計(jì)工況與監(jiān)測典型工況滲壓系數(shù)對比

表3為典型壩段3種設(shè)計(jì)工況及其對應(yīng)監(jiān)測工況測壓管（編號C8-1~C8-7）的滲壓系數(shù)，圖4為測壓管滲壓系數(shù)分布圖。

表3 設(shè)計(jì)工況與監(jiān)測典型工況8號壩段測壓管滲壓系數(shù)

圖4 三種工況下典型壩段的滲壓系數(shù)

圖2 千年設(shè)計(jì)洪水位典型壩段流線示意圖

由圖5可以看出，在設(shè)計(jì)工況下典型壩段各測壓管滲壓系數(shù)在0.003～0.068之間變化，從上游到下游有逐漸降低的趨勢；在監(jiān)測工況下，上游水位接近正常蓄水位，各測壓管滲壓系數(shù)在-0.091～-0.060之間變化，位于下游的測壓管滲壓系數(shù)略有升高，最大值出現(xiàn)在C8-4測孔（-0.099）。千年設(shè)計(jì)洪水位、萬年校核洪水位明顯高于正常蓄水位，因此這兩種工況下的滲壓系數(shù)也較正常蓄水位下的滲壓系數(shù)高。而監(jiān)測工況下的滲壓系數(shù)都為負(fù)值，這是由于某壩段437 m高程集水井及自控排水泵的存在，使得集水井液面在434.20～435.95 m高程間變化，在壩基一定范圍內(nèi)形成漏斗狀準(zhǔn)穩(wěn)定滲流場，從而使一定范圍內(nèi)測壓管水位低于下游水位。這也說明壩基帷幕系統(tǒng)、排水系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。在這3種工況下，從上游到下游，典型壩段各測壓管滲壓系數(shù)均低于0.25，滿足規(guī)范［10］要求。

圖5 不同工況下典型壩段的滲壓系數(shù)

3 結(jié)語

對某大壩典型壩段進(jìn)行滲流計(jì)算分析結(jié)果表明：大壩滲流流網(wǎng)整體分布態(tài)勢較好；由浸潤線形狀可以看出，壩軸線灌漿帷幕起到了很好的防滲作用，灌漿帷幕前后水位差達(dá)20 m。在各種工況下，計(jì)算得到的典型壩段滲壓系數(shù)小于0.25，滿足規(guī)范中對滲壓系數(shù)的要求。計(jì)算成果能夠?yàn)榇髩螡B流計(jì)算提供依據(jù)，也為水庫的防洪調(diào)度和安全運(yùn)行提供必要的理論支持和技術(shù)支撐，對類似的水庫大壩的滲流分析起到一定的借鑒作用。