楊 敏

(江西省水利規(guī)劃設計研究院有限公司，江西 南昌 330029)

0 引言

我國是世界上水庫數(shù)目最多的國家，擁有各類大壩十余萬座，這些水庫為抗擊洪水災害和新中國的經(jīng)濟建設提供了重要保障[1]。但大部分水庫大壩建于20世紀60～70年代，限于當時的技術條件，經(jīng)過幾十年的運行早期修建的水庫逐步暴露出各類安全問題，給水利工程的安全運行提出了新的挑戰(zhàn)[2-3]。土石壩作為在我國廣泛應用的壩型，占已建大壩總數(shù)的90%以上，具有工程造價低、筑壩材料簡單、對工程地質條件適應性強及壽命長等優(yōu)點[4-5]。土石壩存在的主要問題之一是滲漏問題，土石壩的滲漏會影響大壩的安全運行和水庫綜合效益的發(fā)揮，探索土石壩滲漏問題發(fā)生的原因已經(jīng)成為目前研究的熱點和難點[6-8]。本文針對某土石壩出現(xiàn)的滲漏問題，采用有限元仿真方法進行大壩滲流和結構安全評價，并探討大壩出現(xiàn)滲漏問題的原因。

1 工程概況

某水庫建于20世紀60年代，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的中型水利工程。樞紐工程主要由大壩、溢洪道、泄洪輸水隧洞等組成。壩址以上控制流域面積55.2 km2，總庫容5079萬m3，設計灌溉面積6.0×104畝，實際灌溉面積4.0×104畝。大壩為均質土壩，設混凝土心墻，心墻位于壩軸線上游側，心墻寬度60 cm，底部伸入基巖以下0.5 m，壩頂高程79.46 m，壩頂長446.0 m，寬6.0 m，最大壩高36.0 m。大壩上游為混凝土預制塊護坡，坡度自上而下分別為1∶3.23、1∶4.14；下游為草皮護坡，坡度自上而下分別為1∶2.52、1∶2.67。大壩典型斷面圖見圖1。

圖1 大壩典型斷面圖

壩址區(qū)出露地層較簡單，除第四系覆蓋層外，下伏基巖為燕山期花崗巖。壩基覆蓋層組成巖性主要有殘坡積含礫粘土層、壤土及砂卵石層。殘坡積含礫粘土為紅黃色，土質稍密，粘性中，可塑，可揉成條，礫石成份主要為風化的石英砂，主要分布于兩岸壩肩；壤土為灰色、灰黑色，土層較軟，粘性中～差，局部含有較多的粉細砂及少量草根，主要分布于河流兩岸的臺地中；砂卵石層為黃色，主要由中粗砂、卵石及少量黃泥組成，分選性及磨圓度較差，主要分布于河床及兩岸臺地中。壩基花崗巖發(fā)育有強、弱、微風化巖體。強風化帶巖體，巖石為灰黃色，節(jié)理裂隙發(fā)育且裂隙中多充填有泥質，巖芯破碎，為碎塊狀，一般厚度為1.40 m～9.80 m；弱風化帶巖體，巖石為青灰或麻灰色，巖石較硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂面為黃色及鐵褐色，一般厚度為1.40 m～6.80 m；微風化巖體為青灰色，巖石較堅硬，完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，且多閉合。

水庫從大壩中部至右側下游坡高程約53.00 m至排水棱體頂部范圍內，存在大面積濕潤區(qū)及多處滲水點，濕潤區(qū)及滲水點現(xiàn)場見圖2、圖3。

2 仿真分析

為探索工程下游壩坡出現(xiàn)大面積濕潤區(qū)及多處滲水點的原因，本節(jié)采用GeoStudio軟件建立有限元分析模型，模擬大壩現(xiàn)狀工程性態(tài)。根據(jù)壩體、壩基地質情況，同時考慮滲流觀測設施的埋設情況，選取最大壩高斷面進行分析，該斷面位于老河床附近(樁號0+196)，壩高最大，壩后設有排水棱體，并以此斷面代表大壩的實際滲流運行狀況。通過查閱工程設計、基礎的施工資料，初步判斷可能的原因有：大壩排水棱體處施工時，在壩腳土體與反濾料之間鋪設一道土工布，經(jīng)多年運行，大壩反濾排水棱體與其下部砂卵石層堵塞，排水不暢，導致壩體浸潤線升高；大壩混凝土防滲心墻已失效及壩體材料防滲性能差。

圖2 大壩下游坡濕潤區(qū)

圖3 大壩下游坡滲水點

2.1 計算模型及參數(shù)

Geo-Studio軟件是由美國GEO-SLOPE公司研發(fā)的巖土工程仿真分析軟件，具有強大的仿真分析功能，目前已廣泛應用于巖土工程、水利工程及環(huán)境工程等領域[9]。該軟件由邊坡穩(wěn)定性分析模塊(SLOPE/W)，應力變形有限元分析模塊(SIGMA/W)和地下水滲流分析模塊(SEEP/W)等八個子模塊構成，各子模塊之間互相兼容，方便用戶同時對研究問題進行穩(wěn)定、滲流、應力變形等仿真分析。本次土石壩滲流有限元分析采用Seep/w子模塊進行，該模塊分為穩(wěn)態(tài)滲流和瞬態(tài)滲流兩種分析方法，此次分析選用穩(wěn)態(tài)滲流分析方法。

按以下步驟建立有限元分析模型：①選擇SEEP/W模塊啟動軟件，設置工作區(qū)域的尺寸，根據(jù)大壩的實際大小尺寸，設置260 m×200 m的工作區(qū)，單位設置成以mm計，比例設為1∶1200；②設置坐標軸和繪制模型，X軸方向設為距離，最大值300 m，增量為1 m，Y軸方向設為高程，最大值235 m，增量為1 m，按照選取的模型斷面圖在工作區(qū)繪制模型；③設置材料參數(shù)，滲透系數(shù)材料分析模型選擇僅飽和，具體滲透系數(shù)取值根據(jù)不同工況條件見表1，按分區(qū)對模型參數(shù)進行賦值；④網(wǎng)格劃分和邊界條件設置，在繪圖工具里選擇網(wǎng)格劃分，模型的邊界條件設為壓力水頭或總水頭，對以下工況組合進行有限元仿真計算：①上游水位68.53 m(現(xiàn)場查勘當日庫水位)與下游相應的最低水位47.00 m，反濾排水棱體與其下部砂卵石層未淤堵，防滲墻正常；②上游水位68.53 m與下游相應的最低水位47.00 m，反濾排水棱體與其下部砂卵石層均淤堵，防滲墻正常；③上游水位68.53 m與下游相應的最低水位47.00 m，反濾排水棱體與其下部砂卵石層未淤堵，防滲墻失效及壩體材料防滲性能差。土石壩滲流分析模型見圖4。

表1 大壩各分區(qū)的滲透系數(shù)取值表

圖4 有限元模型

2.2 仿真結果分析

當排水棱體與其下部砂卵石層正常，且防滲墻正常時，壩體浸潤線在排水棱體內出逸，見圖5；當排水棱體與其下部砂卵石層均淤堵時，且防滲墻正常時，壩體浸潤線在排水棱體之上出逸，出逸點高程53.12 m(對應上游水位68.53 m)，與現(xiàn)狀大壩下游干濕分界線高程較接近，見圖6；當排水棱體與其下部砂卵石層正常，但防滲墻失效時，壩體浸潤線在排水棱體之上出逸，出逸點高程53.60 m(對應上游水位68.53 m)，亦與現(xiàn)狀大壩下游干濕分界線高程較接近，見圖7。因此，通過有限元法驗證對大壩下游出現(xiàn)滲漏問題的判斷，大壩反濾排水棱體與其下部砂卵石層堵塞，或大壩混凝土防滲心墻已失效及壩體材料防滲性能差是工程出現(xiàn)滲漏問題的主要原因。

圖5 庫水位68.53 m下穩(wěn)定滲流計算成果圖(未淤堵，防滲墻正常)

圖6 庫水位68.53 m下穩(wěn)定滲流計算成果圖(淤堵，防滲墻正常)

圖7 庫水位68.53 m下穩(wěn)定滲流計算成果圖(未淤堵，防滲墻失效)

3 結論

本文根據(jù)某土石壩下游壩坡出現(xiàn)大面積濕潤區(qū)情況，結合現(xiàn)場查勘、設計和施工資料建立有限元仿真模型，將仿真分析結果與工程現(xiàn)場進行對比，結果基本吻合，驗證了有限元仿真分析方法的可靠性。

由有限元計算結果可知，當排水棱體與其下部砂卵石層均淤堵時，且防滲墻正常時，壩體浸潤線出逸點高程53.12 m，當排水棱體與其下部砂卵石層正常，但防滲墻失效及壩體防滲性能差時，壩體浸潤線出逸點高程53.60 m，兩種情況下均與現(xiàn)狀大壩下游干濕分界線高程較接近。因此，大壩反濾排水棱體與其下部砂卵石層堵塞，或大壩混凝土防滲心墻已失效及壩體材料防滲性能差是工程出現(xiàn)滲漏問題的主要原因。