王 興

(北票市水利規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧 朝陽(yáng) 122100)

大壩安全特別是滲流安全始終是工程技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，也是水庫(kù)安全運(yùn)行評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容[1-2]。壩體滲流往往會(huì)對(duì)土石壩造成管涌或滲漏等滲透破壞，而對(duì)壩基巖和混凝土壩造成化學(xué)侵蝕破壞[3-4]。調(diào)查顯示[5]，中國(guó)有132座大型水庫(kù)均存在不同程度的滲漏破壞，并且約80%為土石壩，因滲漏管涌破壞引起安全事故的水庫(kù)占調(diào)查總數(shù)的31.7%?？梢?jiàn)，大壩能否安全穩(wěn)定運(yùn)行與滲漏問(wèn)題密切相關(guān)，準(zhǔn)確判別大壩特別土壩的滲流穩(wěn)定性具有重要意義[6]。

目前，主要有數(shù)值解法、流體力學(xué)和水力學(xué)解析法等土壩滲流分析法，其中流體力學(xué)解析法是應(yīng)用最為廣泛的方法，包括有限元法、差分法和邊界元法等多種類型[7-10]，可通過(guò)計(jì)算獲取滲透坡降、滲漏量和滲流水頭線等參數(shù)，分析壩體滲流安全狀況。文章結(jié)合周家營(yíng)水庫(kù)土壩實(shí)測(cè)測(cè)壓管數(shù)據(jù)，應(yīng)用流體力學(xué)有限元法綜合評(píng)價(jià)和計(jì)算分析大壩的滲流安全性。

1 滲流計(jì)算方法

1.1 基本原理

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)符合平面假定的壩體利用二維飽和滲流場(chǎng)基本方程[11]，其表達(dá)式為：

(1)

式中：kx、ky為主滲透系數(shù)；x、y為主滲透方向；H為水頭。對(duì)平面四邊形單元可利用下式揭示單元內(nèi)的水頭分布特征[12]，即：

(2)

將微分方程(1)利用變分原理轉(zhuǎn)換成有限元格式，轉(zhuǎn)化公式為：[k]{H}={Q}，其中[k]為總傳導(dǎo)矩陣，{Q}為計(jì)算邊界上的等效節(jié)點(diǎn)流量(分布流量)。

(3)

式中：Ω為計(jì)算域；[Be]、[k]為e單元的形變矩陣和傳導(dǎo)矩陣。逐個(gè)高斯點(diǎn)計(jì)算所有可能包含自由面單元的水頭[13]，其所處位置水頭超過(guò)計(jì)算水頭值時(shí)，該單元各節(jié)點(diǎn)初始流量中該高斯點(diǎn)的貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為：

{Ω}e=-[B][K][B]

(4)

(5)

經(jīng)r次迭代運(yùn)算后，確定水頭值{Hr+1}={Hr}+{△Hr}。對(duì)新的自由面多次重復(fù)求解可確定Q0r+1，直至初始流量絕對(duì)值均<Ω2區(qū)各高斯點(diǎn)的界限允許值，最終求出的自由面即為迭代運(yùn)算收斂的H=y面。

1.2 滲透穩(wěn)定性判別

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

周家營(yíng)水庫(kù)建設(shè)在大凌河三級(jí)支流七家子河上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)魚(yú)、旅游等綜合利用的小一型水庫(kù)，總庫(kù)容132.48萬(wàn)m3。水庫(kù)集雨面積7.53km2，河流長(zhǎng)度4.33km，平均比降為32.08‰。水庫(kù)于1975年開(kāi)工，1976年年末建成并投入使用，于2011年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，按30a一遇設(shè)計(jì)、300a一遇校核，工程規(guī)模屬于小(1)型，水庫(kù)運(yùn)行現(xiàn)狀如下：

1)攔河壩類型為黏土心墻壩，壩頂長(zhǎng)360m，大壩頂平均高程422.64m，最大壩高17.76m，壩頂寬5m，迎水側(cè)壩坡分為二級(jí)，自下而上分別為1∶2.75和1∶2.5，背水側(cè)壩坡分為二級(jí)，由下而上分別為1∶2.5和1∶2.25。上游為干砌石護(hù)坡，下游為碎石護(hù)坡，排水體為貼坡式干砌石。大壩現(xiàn)狀整體較為完好，2016年汛期水庫(kù)蓄水達(dá)到416.2m，大壩右端(右壩肩)背水坡腳有滲漏溢出點(diǎn)，滲漏區(qū)域干砌石排水體出現(xiàn)塌陷、破損。

2)溢洪道位于壩體左岸，為開(kāi)敞式，進(jìn)口處為“八”字翼墻，堰寬20m，底板進(jìn)口處為漿砌塊石齒墻，下接駝峰堰、陡坡和挑流鼻坎，挑坎下游為石籠護(hù)底，溢洪道兩側(cè)為漿砌石與混凝土擋墻，溢洪道整體較為完好。

3)輸水洞為雙鑄鐵管直徑均為0.254m，洞身完好無(wú)破損，全長(zhǎng)73m，進(jìn)水口為龍?zhí)ь^式進(jìn)水口，進(jìn)水口高程413.39m，進(jìn)水口有攔污設(shè)施。輸水洞出口啟閉室內(nèi)設(shè)閘閥，輸水洞整體保存較為完好。啟閉室出口處通過(guò)輸水鋼管與灌渠連接，輸水管道破損問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)維修養(yǎng)護(hù)資金已經(jīng)修復(fù)。

2019年7月經(jīng)大壩安全鑒定為三類壩，亟需對(duì)周家營(yíng)水庫(kù)實(shí)施除險(xiǎn)加固整治，其主要內(nèi)容是對(duì)滲漏區(qū)進(jìn)行防滲處理，并維修下游壩坡破損處排水體。

2.2 大壩防滲方案設(shè)計(jì)

依據(jù)《北票市周家營(yíng)水庫(kù)壩區(qū)滲漏工程地質(zhì)勘察報(bào)告》滲漏區(qū)位于壩右側(cè)60m壩基、壩肩風(fēng)化巖石裂隙部位及右岸壩前巖石陡立段。壩區(qū)滲漏屬繞壩滲透類型為主，滲漏形式屬壩肩巖石裂隙均勻滲漏，滲透性屬中等透水，滲透系數(shù)k=1.9×10-4cm/s。

1)大壩滲漏區(qū)防滲。壩區(qū)滲漏位置采取帷幕灌漿方式進(jìn)行防滲處理，灌漿區(qū)域?yàn)榇髩斡覀?cè)60m壩基并向右側(cè)山體外延20m。水庫(kù)大壩壩頂開(kāi)挖探坑顯示，黏土心墻位置偏向上游壩坡，心墻頂寬在2-2.7m，心墻保護(hù)層厚度為1.5-1.7m，壩頂寬度為5m，設(shè)計(jì)兩排灌漿孔，第一排灌漿孔位于黏土心墻背水側(cè)距下邊緣0.5m處，第二排孔位于黏土心墻背水側(cè)同時(shí)避開(kāi)黏土心墻，排距2.5m孔距2m呈梅花狀布置。因現(xiàn)狀壩頂路寬度不能滿足施工需要，因此需要在大壩背水坡拓寬施工作業(yè)路，為保證施工作業(yè)路穩(wěn)定采取下挖壩體的方式拓寬作業(yè)路，原則上不破壞上游干砌石護(hù)坡，距自上游路緣石0.5m拓寬施工作業(yè)路，開(kāi)挖深度約為1.0m，施工時(shí)不允許破壞心墻[11-13]。

2)壩體恢復(fù)。灌漿施工結(jié)束后，對(duì)壩體進(jìn)行恢復(fù)，壩體回填相對(duì)密度應(yīng)≥0.7；下游壩坡按1∶2.25放坡，恢復(fù)拆除碎石護(hù)坡0.1m厚，恢復(fù)面積170m2；恢復(fù)壩頂花崗巖路緣石及碎石路面；拆除重建下游滲漏處排水體30m，位置自右側(cè)山體起向左側(cè)延伸30m。

3)輸水管道。輸水洞啟閉室出口輸水管道原為雙鐵管，其中一條已經(jīng)損毀丟失，因水庫(kù)防洪需要于2019年7月使用維修養(yǎng)護(hù)資金進(jìn)行修復(fù)，故本次不另做設(shè)計(jì)。此外，混凝土路面位于左壩頭與水泥村路結(jié)合部位，設(shè)計(jì)混凝土路面寬4m，厚0.2m，兩側(cè)采用中粗砂回填坡度為1∶3，采用C20混凝土澆筑。

2.3 壩體滲流安全性分析

2.3.1 防滲體復(fù)核

防滲體頂高程為421.14m，校核洪水位為420.2m，加超高0.6m后為420.8m，因此，周家營(yíng)水庫(kù)防滲體頂高程滿足防洪要求，保護(hù)層厚度依據(jù)開(kāi)挖探坑顯示為1.5m，當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辽疃燃s為1.5m，因此周家營(yíng)水庫(kù)防滲體滿足規(guī)范要求。

2.3.2 壩坡穩(wěn)定復(fù)核

依據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》確定計(jì)算工況。正常運(yùn)行條件：①上、下游坡正常蓄水位穩(wěn)定滲流期②上、下游坡設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期；③1/3水位上、下游坡的穩(wěn)定滲流期；④設(shè)計(jì)洪水位驟降至死水位上游坡的穩(wěn)定滲流期。非常運(yùn)用條件：①校核洪水位上、下游的穩(wěn)定滲流期；②設(shè)計(jì)洪水位驟降至死水位上游坡的穩(wěn)定滲流期。非常運(yùn)用條件Ⅱ：正常運(yùn)用條件遇地震[14-16]。采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正邊坡穩(wěn)定分析軟件》計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，大壩穩(wěn)定計(jì)算成果表(正常運(yùn)用條件+非常運(yùn)用條件Ⅰ)，見(jiàn)表1；大壩穩(wěn)定計(jì)算成果表(非常運(yùn)用條件Ⅱ)，見(jiàn)表2。壩坡穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖1。

表1 大壩穩(wěn)定計(jì)算成果表(正常運(yùn)用條件+非常運(yùn)用條件Ⅰ)

表2 大壩穩(wěn)定計(jì)算成果表(非常運(yùn)用條件Ⅱ)

圖1 壩坡穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算簡(jiǎn)圖

從表中可看出，邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范允許的安全系數(shù)，所以土壩的邊坡是穩(wěn)定的。

2.3.3 滲流穩(wěn)定性分析

工作條件為透水地基上、設(shè)貼坡排水、下游無(wú)水情況，對(duì)正常蓄水位418.1m、設(shè)計(jì)洪水位419.36m、校核洪水位420.2m三種工況進(jìn)行滲流計(jì)算。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定，對(duì)攔河壩采用流體力學(xué)有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

計(jì)算采用水利部推廣應(yīng)用的《理正滲流分析計(jì)算軟件》中《土石壩二向穩(wěn)定及不穩(wěn)定滲流計(jì)算程序》計(jì)算，滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，心墻滲透坡降滿足要求。心墻頂高程421.14m，截水槽底寬3.4m，底寬滿足規(guī)范要求，能夠保證滲流穩(wěn)定性。

2.4 壩頂高程計(jì)算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)及水庫(kù)運(yùn)用方式，壩頂分別按以下兩種運(yùn)行工況計(jì)算：正常運(yùn)行情況加設(shè)計(jì)洪水位的壩頂超高；非常運(yùn)行情況加校核洪水位的壩頂超高，取其最大值，壩頂高程計(jì)算成果表，見(jiàn)表4。

表4 壩頂高程計(jì)算成果表

現(xiàn)狀壩頂高程422.64m，高于校核洪水位加超高后高程421.13m，因此周家營(yíng)水庫(kù)壩頂高程滿足防洪要求。

3 結(jié) 論

經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，周家營(yíng)水庫(kù)狀存在一定安全隱患，已經(jīng)影響水庫(kù)的安全運(yùn)行，加之其防洪任務(wù)比較重要，因此為保證地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，亟需對(duì)水庫(kù)實(shí)施加固整治。文章結(jié)合周家營(yíng)水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行情況提出防滲加固設(shè)計(jì)方案，即對(duì)壩區(qū)滲漏位置采取帷幕灌漿方式進(jìn)行防滲處理，維護(hù)下游壩坡破損處排水體維護(hù)。然后結(jié)合土壩實(shí)測(cè)測(cè)壓管數(shù)據(jù)，應(yīng)用流體力學(xué)有限元法綜合評(píng)價(jià)和計(jì)算分析大壩的滲流安全性，結(jié)果顯示，周家營(yíng)水庫(kù)土壩防滲加固方案能夠保證滲流穩(wěn)定性，壩頂高程滿足防洪要求。