朱偉國(guó)

(江西久源建設(shè)工程有限公司，江西 南昌 330038)

1 工程概況

江西省一中型水庫(kù)正常蓄水位為241.5 m，總設(shè)計(jì)庫(kù)容1093×104m3，總裝機(jī)容量2380 kW，具備灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能。水庫(kù)工程包括溢洪道、發(fā)電隧洞、壩下涵管、泄洪隧洞、灌溉渠道等建筑物。水庫(kù)大壩為土石壩形式，上下游分別為均質(zhì)土體和堆石體，壩軸線為上凸弧形。壩頂長(zhǎng)270 m、寬4.75 m，壩頂高程為240.8 m。壩址區(qū)以巖溶地貌為主，地表分布較多的溶洞、溶槽、溶溝，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探結(jié)果，壩址區(qū)巖溶發(fā)育。壩基上部主要分布第四系全新統(tǒng)晚期沖洪積物，其上為4.8 m厚的低液限粉土，再上是結(jié)構(gòu)松散、6.0 m厚的粉細(xì)砂層。

2 模型構(gòu)建

該水庫(kù)大壩壩頂向下游單向傾斜2%坡度，壩頂上游設(shè)置防浪墻，墻頂比壩面高出1.2 m；上游壩坡坡比1∶1.25，道路間壩坡坡比1∶2.10。上游壩坡采用25 cm厚的C30F300現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，單個(gè)混凝土板長(zhǎng)和寬均為4.0 m；下游壩坡則全部使用混凝土網(wǎng)格梁；下游坡腳處設(shè)置2.0 m寬的排水棱體。結(jié)合壩址區(qū)水文地質(zhì)條件建立三維滲流模型，地表面則依據(jù)Auto CAD中等高線數(shù)據(jù)，通過(guò)Kriging插值法生成[1]。模型由29 165個(gè)單元和42 566個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)水頭差展開(kāi)滲流分析。水庫(kù)大壩壩體防滲土體為低液限黏土，粉粒及黏粒含量分別在78.46%～80.00%和20.00%～25.00%之間，液限26.0～28.1，塑性指數(shù)12.0～12.31，自由膨脹率4.0%～6.2%，不具膨脹性和分散性。

模型材料分區(qū)見(jiàn)圖1。在材料表中錄入該水庫(kù)大壩各土層材料，并結(jié)合地勘資料錄入各土層材料的物理力學(xué)參數(shù)，具體見(jiàn)表1，壩體、壩基滲透系數(shù)全部通過(guò)反演得到。壩體坡面和庫(kù)水位以下河谷均為已知水頭邊界，岸坡及下游河谷控制水位根據(jù)河床水位設(shè)定，并將其上坡面設(shè)定為溢出面邊界，底部和四周設(shè)定為自由透水邊界[2]。

表1 各土層材料物理力學(xué)參數(shù)取值

圖1 水庫(kù)壩基材料分區(qū)

3 滲透參數(shù)反演

結(jié)合該水庫(kù)大壩運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)資料，水庫(kù)大壩建成后歷經(jīng)數(shù)次巖溶滲漏處理，但壩基仍存在明顯滲漏。當(dāng)庫(kù)水位為220.0 m時(shí)，下游壩腳處滲漏量實(shí)測(cè)值為44.1 L/s(以此為工況1)；水庫(kù)于2019年5月開(kāi)始?jí)位罎B帷幕施工，次年2月防滲墻完工，4月10日帷幕灌漿施工完成，在庫(kù)水位為208.5 m時(shí)，下游壩腳滲漏量實(shí)測(cè)值為4.65 L/s(以此為工況2)。此處主要以兩種滲漏條件的邊界條件為輸入，依據(jù)實(shí)測(cè)滲漏量結(jié)果，對(duì)以上兩種滲漏條件下的滲透參數(shù)展開(kāi)反演。值得注意的是，壩體、壩基、防滲墻和防滲帷幕滲透特性參數(shù)均對(duì)該水庫(kù)壩基巖溶發(fā)育區(qū)滲漏量存在一定影響[3]。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，僅對(duì)壩基滲透系數(shù)展開(kāi)反演，壩體因主要采用復(fù)合土工布材料，滲透系數(shù)較為穩(wěn)定；帷幕滲透系數(shù)對(duì)滲流量的影響在本文滲漏原因中展開(kāi)探討。

3.1 工況1反演分析

以該工況下水庫(kù)壩基滲漏量為目標(biāo)值展開(kāi)壩基滲透參數(shù)反演。分別計(jì)算表2中不同壩基巖溶發(fā)育區(qū)滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)的滲流量，據(jù)此確定出兩者的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而得出較為合理的壩基滲透系數(shù)取值。根據(jù)表中滲漏量計(jì)算結(jié)果可以得出5種方案下壩基巖體滲透系數(shù)變化與壩體下游滲漏量變化的關(guān)系，見(jiàn)圖2。令壩體下游滲漏量為y，壩基巖體滲透系數(shù)為x，則根據(jù)最小二乘法擬合出兩者的函數(shù)關(guān)系為y=-2.48+9628.34x。將工況1中下游滲漏量為44.1 L/s代入函數(shù)關(guān)系式，可以得出壩基巖體滲透系數(shù)為4.84×10-3cm/s。在模型中輸入該滲透系數(shù)后重新計(jì)算，得出下游滲漏量為43.7 L/s，與44.1 L/s的滲漏量實(shí)際的誤差不超出2%，滿足《水庫(kù)工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 106—2017)要求。

表2 工況1的滲漏量結(jié)果

圖2 工況1壩基巖體滲透系數(shù)與壩體下游滲漏量的關(guān)系

3.2 工況2反演分析

以該工況下水庫(kù)壩基滲漏量為目標(biāo)值展開(kāi)壩基滲透參數(shù)反演。分別計(jì)算表3中不同壩基巖溶發(fā)育區(qū)滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)的滲流量，據(jù)此確定出兩者的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而得出較為合理的壩基滲透系數(shù)取值。根據(jù)表中滲漏量計(jì)算結(jié)果可以得出5種方案下壩基巖體滲透系數(shù)變化與壩體下游滲漏量變化的關(guān)系，見(jiàn)圖3，壩基巖體滲透系數(shù)和滲漏量基本呈線性關(guān)系。根據(jù)最小二乘法擬合出兩者的函數(shù)關(guān)系為y=3.18+5567.85x，將該工況下滲漏量4.61 L/s代入函數(shù)關(guān)系式可以得出壩基巖體滲透系數(shù)為2.59×10-4cm/s。將該滲透系數(shù)反演結(jié)果輸入模型，重新求得下游滲漏量為4.58 L/s，與4.61 L/s的滲漏量實(shí)測(cè)值相比誤差不超出1%，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

表3 工況2的滲漏量結(jié)果

圖3 工況2壩基巖體滲透系數(shù)與壩體下游滲漏量的關(guān)系

4 滲漏原因及大壩滲流分析

基于該水庫(kù)大壩壩基滲漏分析及參數(shù)反演，對(duì)正常蓄水位下大壩滲流情況展開(kāi)分析，為滲漏量預(yù)估提供依據(jù)。

4.1 滲漏原因

壩體滲漏、壩基巖溶通道滲漏、壩基巖體滲漏等共同構(gòu)成該水庫(kù)下游坡腳滲漏。庫(kù)水位在220.0 m時(shí)的壩體計(jì)算滲漏量和實(shí)測(cè)滲漏量分別為0.50 L/s和44.10 L/s，表明壩腳滲漏量受壩體滲漏的影響并不大。為此，只進(jìn)行壩腳滲漏與壩基滲漏、巖溶滲漏關(guān)系的分析。

庫(kù)水入滲補(bǔ)給是該水庫(kù)巖溶水主要的補(bǔ)給渠道，而庫(kù)水滲漏以溶洞為通道，并促使壩基巖體滲透性能的改變，因此，可將巖溶水滲漏簡(jiǎn)化為壩基滲漏問(wèn)題。防滲墻的施工對(duì)壩基滲漏造成兩方面影響：一是因防滲墻滲透系數(shù)過(guò)小，大壩滲漏路徑受到影響滲漏量隨之減少；二是因防滲墻施工使部分溶洞得到充填，巖溶水滲漏路徑受到影響，壩基綜合滲透系數(shù)得以提升，滲漏量也相應(yīng)減小。故通過(guò)對(duì)防滲墻施工前后壩基滲透系數(shù)變動(dòng)趨勢(shì)的分析，便可明確下游壩腳滲漏的主要原因。

通過(guò)以上對(duì)兩種不同滲漏條件下壩基巖體滲透系數(shù)反演過(guò)程及結(jié)果的分析看出，防滲墻施工前后相應(yīng)的滲透系數(shù)值分別取4.85×10-3cm/s和2.56×10-4cm/s，壩基巖溶發(fā)育區(qū)工后的滲透系數(shù)值約為防滲墻施工前滲透系數(shù)的5.56%，意味著防滲墻的施工對(duì)水庫(kù)壩基巖溶水的阻隔作用十分顯著，而巖溶水滲漏也是引發(fā)下游壩腳滲漏的主要原因。

此外，防滲墻自身滲透系數(shù)對(duì)水庫(kù)壩基滲漏量也存在一定程度的影響，而防滲墻滲透系數(shù)取值與水文地質(zhì)條件、施工工藝、施工質(zhì)量控制、原材料等有關(guān)，且存在較大的確定難度。為排除不確定因素對(duì)防滲墻滲透系數(shù)取值的影響，以滲漏條件一定的壩基滲透系數(shù)反演結(jié)果為依據(jù)展開(kāi)防滲墻滲透系數(shù)敏感性分析[4]。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外類似水庫(kù)工程壩基防滲帷幕灌漿前后滲透系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定防滲墻滲透系數(shù)敏感性分析的合理范圍。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，該水庫(kù)壩基防滲帷幕滲透系數(shù)敏感性分析范圍應(yīng)確定在1.0×10-4～1.0×10-6cm/s之間，并提出5種計(jì)算方案，滲透系數(shù)取值及滲漏量計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，防滲墻滲透系數(shù)增大后帷幕處等水頭線集中的現(xiàn)象得到一定程度緩解；敏感性范圍內(nèi)的滲漏量在24.2～37.7 L/s之間取值，與防滲帷幕建造前相比，滲漏量減少了19.9～6.5 L/s，表明防滲墻具備較好的防滲效果。但下游壩腳滲漏量與實(shí)測(cè)值存在較大差距，僅考慮防滲帷幕的作用則無(wú)法解釋防滲墻施工后下游滲漏量變化的原因，因?yàn)閹r溶水滲漏是引起下游壩腳滲漏的主要原因。

表4 防滲帷幕滲透系數(shù)敏感性分析

4.2 大壩滲流分析

正常蓄水位下該水庫(kù)大壩三維滲流模擬結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。由圖可知，防滲墻周圍地下水等壓力水頭變化較為劇烈，帷幕上下游壓力水頭差達(dá)到16 m；距離防滲墻較遠(yuǎn)處的等壓力水頭基本隨埋深的增大而增大；上游、壩肩地下水壓力水頭依次大于下游和中部地下水壓力水頭。防滲帷幕周圍的地下水等水位面明顯集中，意味著防滲帷幕的修建發(fā)揮了較好的防滲作用；帷幕周圍地下水等水位面最為集中，下游壩腳處次之，上游地下水等水位面最為分散。

圖4 地下水等水位面(單位：m)

圖5 地下水等水位線(單位：m)

5 結(jié) 論

該水庫(kù)大壩壩址區(qū)以巖溶地貌為主，地表溶洞、溶槽、溶溝等分布較多，且壩址區(qū)巖溶發(fā)育，在裂隙及斷層影響下形成斷塊結(jié)構(gòu)，在地表淺層強(qiáng)風(fēng)化作用下，巖體滲透性較大，庫(kù)水滲漏也成為壩體安全穩(wěn)定運(yùn)行所面臨的主要問(wèn)題。根據(jù)分析結(jié)果，在設(shè)置防滲帷幕，并且壩體滲漏、壩基巖溶通道滲漏、壩基巖體滲漏等引起壩基滲漏的深層次原因均解決后，庫(kù)水滲漏得到有效遏制。以上分析結(jié)果可作為該水庫(kù)壩基滲漏控制及除險(xiǎn)加固的基礎(chǔ)資料。