渭南市湭河水庫浸潤線及滲流穩(wěn)定論證研究

蘇平定

(渭南市水利水電勘測設(shè)計(jì)院,陜西 渭南 714000)

0 引言

湭河水庫壩址位于渭南市臨渭區(qū)向陽辦蔣家村南1.0 km處,北距渭南市主城區(qū)約4 km,距離渭南市城郊2.0 km,壩址控制流域面積224 km2,是一座以城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主兼有防洪功能的中型水利樞紐工程,水庫總庫容3 028萬 m3,設(shè)計(jì)年供水量1 490萬 m3;湭河水庫1995年成為渭南市臨渭區(qū)供水水源地,水源類型為地表水,水源級(jí)別為市級(jí),目前主要向陜西省渭河重化有限公司及渭南市高新區(qū)渭河潔能有限公司兩個(gè)公司提供企業(yè)生產(chǎn)與生活用水,年供水量1 367萬 m3。湭河水庫對(duì)渭南市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重要作用,考慮到壩址距渭南市主城區(qū)較近,是典型的城市頭上“一盆水”,本文從壩體滲流穩(wěn)定角度分析了現(xiàn)狀大壩的結(jié)構(gòu)安全,為渭南市主城區(qū)防洪安全提供理論支撐。

1 工程概況

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、東放水設(shè)施、西放水設(shè)施及排沙底洞五部分組成。

2 地質(zhì)勘察相關(guān)結(jié)論

壩址區(qū)位于湭河下游,河流走向在此近于南北向,河谷形態(tài)呈寬敞的“U”型谷,谷底寬度約290 m,高程約377 m,東、西兩岸為黃土塬區(qū)。河床兩岸發(fā)育有一、二級(jí)基座階地。左、右岸壩肩處分別發(fā)育1個(gè)大型黃土滑坡體,分布于壩頂高程以上,目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

工程區(qū)Ⅱ類場地地震動(dòng)峰值加速度α=0.20 g,特征周期T=0.40 S,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。

根據(jù)現(xiàn)場壩體水位觀測及監(jiān)測井水文監(jiān)測數(shù)據(jù),在庫水位抬升或下降1米時(shí),浸潤線變化幅度不大,但在2021年秋季的暴雨工況下,浸潤線抬升較明顯。通過現(xiàn)場調(diào)查未發(fā)現(xiàn)壩后排水棱體有明顯滲水、泉水溢出現(xiàn)象,壩體防滲性能良好。

培厚體填筑土(2009年)的干密度ρd=1.36～1.75 g/cm3,填筑質(zhì)量不均一,存在低密度區(qū);原壩體填筑土(1959年)的干密度ρd=1.51～1.80 g/cm3,填筑質(zhì)量不均一,存在低密度區(qū)。壩體土填筑料的物理力學(xué)建議值如表1。

表1 壩體土填筑料的物理力學(xué)建議值

3 大壩浸潤線觀測

按照規(guī)范規(guī)程要求水庫在運(yùn)行管理中建立觀測制度,按制度對(duì)水庫運(yùn)行過程中大壩及其它建筑物的工情進(jìn)行觀測,并對(duì)資料及時(shí)進(jìn)行分析整理歸檔。依據(jù)已歸檔大壩浸潤線觀測資料,結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料,地質(zhì)勘察單位繪制了兩組大壩實(shí)際浸潤線圖,浸潤線觀測時(shí)間分別為2022年2月20日和2022年3月10日,對(duì)應(yīng)庫水位分別為404.67 m、403.44 m,實(shí)際浸潤線分布如圖1。

圖1 實(shí)際浸潤線分布圖

4 現(xiàn)狀壩體滲流參數(shù)復(fù)核

結(jié)合實(shí)際浸潤線分布圖,復(fù)核地質(zhì)勘察報(bào)告提供的各地層滲透系數(shù)值合理性,現(xiàn)狀壩體滲流參數(shù)復(fù)核庫水位選用403.44 m,與觀測庫水位數(shù)據(jù)一致。

4.1 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2020),結(jié)合運(yùn)行方式,本次滲流穩(wěn)定分析計(jì)算工況為:穩(wěn)定滲流期,上游庫水位為403.44 m,下游水位376.24 m。

4.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合壩體分區(qū)進(jìn)行指標(biāo)選取,滲透系數(shù)考慮各填筑材料的各項(xiàng)異性,滲透系數(shù)采用平均值。棱體及壩基滲透指標(biāo)依據(jù)地勘資料選取,具體滲流穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)成果見表2。

表2 滲流穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)成果表

4.3 典型斷面選擇

依據(jù)規(guī)范,本次選擇最大壩高斷面作為滲流分析的典型斷面,大壩最大斷面樁號(hào)為0+300。

4.4 滲流計(jì)算方法

計(jì)算方法采用滲流場數(shù)值分析有限單元法,按照河海大學(xué)工程工學(xué)研究所研制的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)《AutoBank 7.7》計(jì)算程序具體分析計(jì)算?，F(xiàn)狀壩體材料分區(qū)見圖2,現(xiàn)狀壩體有限元網(wǎng)格分區(qū)見圖3,理論計(jì)算浸潤線圖見圖4。

圖2 現(xiàn)狀壩體材料分區(qū)圖

圖3 現(xiàn)狀壩體有限元網(wǎng)格分區(qū)圖

圖4 理論計(jì)算浸潤線圖

經(jīng)分析,理論計(jì)算浸潤線在截滲槽下游降落至壩基位置,管理單位觀測浸潤線在褥墊36 m處降落至壩基位置,兩者差距較大。說明兩點(diǎn):其一壩基砂卵石層滲透系數(shù)2.3×10-2cm/s不能客觀反映壩基砂卵石滲透系數(shù);其二褥墊前端36 m存在淤塞情況。結(jié)合以上問題,本次通過現(xiàn)狀觀測浸潤線反演確定壩基砂卵石層及褥墊前端36 m滲透系數(shù),經(jīng)計(jì)算壩基砂卵石層及褥墊前端36 m滲透系數(shù)采用10-6cm/s能夠客觀反映現(xiàn)狀浸潤線分布。反演浸潤線見圖5。

圖5 反演浸潤線圖

5 現(xiàn)狀壩體滲流穩(wěn)定分析

5.1 計(jì)算工況

結(jié)合實(shí)測浸潤線上升較快及洪水歷時(shí)較長(設(shè)計(jì)洪水歷時(shí)26 h,校核洪水歷時(shí)23 h),從安全角度出發(fā),本次考慮洪水位形成穩(wěn)定滲流工況;排沙洞運(yùn)行期設(shè)計(jì)流量為40 m3/s,依據(jù)庫容曲線,每天水位降幅1.0～5.0 m,本次分別按1.0 m、4.0 m計(jì)算降落期。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2020),結(jié)合運(yùn)行方式,本設(shè)計(jì)滲流分析計(jì)算工況為:

(1)穩(wěn)定滲流期(上游水位為正常蓄水位405.1 m,下游水位376.24 m);

(2)穩(wěn)定滲流期(上游設(shè)計(jì)洪水位406.97 m,下游水位376.24 m);

(3)穩(wěn)定滲流期(上游校核洪水位408.80 m,下游水位376.24 m);

(4)洪水前應(yīng)急降落期(由正常蓄水位405.1 m降至404.1 m),降幅1.0 m;

(5)排沙洞正常運(yùn)用降落期(由蓄水位398.0 m降至淤積面393.0 m),降幅5.0 m。

5.2 計(jì)算參數(shù)

滲流計(jì)算滲透系數(shù)采用大值平均值,降落期滲透系數(shù)采用小值平均值,壩基砂卵石層及褥墊前端36m依據(jù)反演參數(shù),其他地層同表2,具體滲流穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)成果見表3。

表3 滲流穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)成果表

5.3 典型斷面選擇及滲流計(jì)算方法

典型斷面同現(xiàn)狀壩體滲流參數(shù)復(fù)核。

5.4 滲流計(jì)算

滲流計(jì)算方法同現(xiàn)狀壩體滲流參數(shù)復(fù)核。

現(xiàn)狀實(shí)測模擬正常蓄水位浸潤線位于正常蓄水位405.1 m反演浸潤線與設(shè)計(jì)洪水位406.97 m反演浸潤線之間,局部高于設(shè)計(jì)洪水位406.97 m反演浸潤線,各工況反演浸潤線與實(shí)測浸潤線位置圖見圖6,大壩滲流分析成果圖較多這里不在展示。

圖6 各工況反演浸潤線與實(shí)測浸潤線位置圖

5.5 滲流計(jì)算結(jié)果

計(jì)算成果見表4。

表4 壩體填土滲流計(jì)算成果表

從表4可以看出,壩體整體滲透比降小于允許滲透比降,滿足規(guī)范要求。僅存在局部高于允許滲透比降,不影響大壩整體滲流穩(wěn)定。

6 結(jié)語

土石壩壩體滲流穩(wěn)定分析是新建改建水庫樞紐工程設(shè)計(jì)的控制性環(huán)節(jié),是壩體能否經(jīng)受正常運(yùn)用及非常運(yùn)用的定量化分析手段。本文依據(jù)水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng),通過反演現(xiàn)狀土石壩壩體各層土料滲透系數(shù),合理確定關(guān)鍵土層的滲透系數(shù),分析認(rèn)為現(xiàn)狀大壩在穩(wěn)定滲流期及非常運(yùn)用條件Ⅰ下,壩體滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求,壩體滲流穩(wěn)定安全,總結(jié)如下:

(1)大中型水庫樞紐工程土石壩必須定期開展?jié)B流浸潤線觀測,為管理運(yùn)行及除險(xiǎn)加固提供詳實(shí)資料準(zhǔn)備;小型水庫樞紐工程土石壩應(yīng)布置浸潤線監(jiān)測設(shè)施,為浸潤線監(jiān)測提供可能。

(2)地質(zhì)勘察工作報(bào)告提供的推薦滲透系數(shù)可能存在不客觀的問題,這個(gè)應(yīng)得到地質(zhì)工作者重視,通過優(yōu)化操作流程,減少試樣擾動(dòng),盡量詳實(shí)的反應(yīng)各地層運(yùn)行實(shí)際。

(3)大中型水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)應(yīng)該把浸潤線反演作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序,驗(yàn)證各工況浸潤線位置及各層滲透系數(shù),為客觀評(píng)價(jià)大壩穩(wěn)定提供支撐。