紅旗水庫主壩防滲加固措施評價

孔 偉 周援衡 孫 志

（長沙理工大學水利工程學院 長沙市 410076）

1 概述

紅旗水庫位于湘陰縣玉華鄉長湖村的熊家組和張家沖組，水庫所在河流屬湘江水系洋沙湖支流。壩址下游距玉華鄉政府2.0 km，距湘陰縣城13.0 km。水庫于1958年10月動工興建，1966～1967年續建，1970年建成蓄水運行，直接保護人口5 600人，保護耕地280 hm2（4 200畝）。水庫控制集雨面積3.1 km2，總庫容271.62萬m3。是一座以灌溉為主，兼有防洪、養殖等綜合效益的小（Ⅰ）型水庫。樞紐工程主要由主壩、副壩、輸水高涵、輸水低涵、溢洪道建筑物組成。主壩頂高程為88.50 m，壩頂寬4 m，最大壩高19.3 m，壩軸線長241。上游壩坡為二級坡，一級平臺高程為81.00 m，寬為1.5 m；壩坡坡比自上而下分別為1∶2.25、1∶2.5，上游壩坡在高程（81.00～87.00）m 為預制塊護坡。下游壩坡分二級，一級平臺高程為77.50，寬為2.0 m；壩坡坡比自上而下分別為 1∶2.5、1∶2.75，下游壩坡為草皮護坡。

該水庫屬“三邊”工程，先天不足，加之運行多年，建管不到位，工程留下許多隱患。主壩外坡左側高程74.5 m處有5處濕潤散浸，其中2處滲水水流渾濁并有細粉粒帶處地表，屬非正常滲漏，右端有3處濕潤散浸。主壩右、左兩岸壩肩接觸處坡腳均見一股滲漏水，其流量約（0.04~0.08）L/s。

根據壩體的險情位置情況，防滲加固措施為沿主壩壩頂中心線上游19.5 m（一級平臺81.0 m高程）處作壩體高壓旋噴灌漿，構筑防滲墻，高噴下緣抵相對不透水層。高噴防滲墻頂緣至壩頂鋪設復合式土工膜；高噴噴射直徑為1.5 m，間距1.25 m。高壓旋噴灌漿向壩左右岸延伸，使壩身、壩頭、壩基形成封閉、連續的防滲體系。

本文根據2009年主壩防滲加固措施，運用北京理正軟件設計研究所的滲流穩定分析軟件，采用有限元法計算分析加固前后的主壩滲流性態，評價防滲加固措施的效果。

2 主壩除險加固前后的滲流計算

2.1 計算原理

在一定條件下,考慮土和水的壓縮性,土石壩平面滲流（二維滲流）問題符合Dancy定律的各向異性連續體的滲流［1］,其基本方程為：

上式為非穩定滲流基本方程式。當為穩定滲流時,假定水和土均不可壓縮,即 =0時，式（1）變為：

當滲透系數為常數時，上式為：

若為各向同性，kx=ky=kz，則式（3）變為 Laplace 方程：

式中h——水頭函數；

x、y、z——空間坐標；

t——時間坐標；

kx、ky、kz——分別是以x、y、z軸為主軸方向的滲透系數；

Ss——單位存儲量。

2.2 有限元計算方法［1］

對滲流場計算域進行有限元離散,采用三結點的三角形單元和線性插值函數,線性代數方程組用改進平方根法求解,方程（1）對應的有限元平衡方程組為：

式中[K]——總滲透矩陣,其元素由kx、ky、kz及單元結點坐標決定；

[S]——由Ss及單元結點坐標決定的矩陣,為Ss的線性式；

[P]——由給水度及非穩定滲流自由面邊界單元結點坐標所決定的矩陣；

{F}——已知常數項列陣,由已知結點水頭得出；

{h}t——時刻的滲流水頭。

當上式中矩陣[S]等于零時，得不可壓縮土體的非穩定滲流有限元計算公式。

穩定滲流有限元計算公式為式（6）特列，不計時間項且[S]、[P]矩陣均為零時，其有限元計算公式如下：

2.3 計算參數

高壓旋噴滲透系數取1×l0-6cm／s。土工膜因滲透系數很小（8.17×10-12cm／s），厚度很薄（0.4 mm），因此在利用復合土工膜作防滲體土石壩的有限元滲流計算中,難以對其進行模擬。有關文獻提出［1］,復合土工膜按當量滲透系數處理,即把復合土工膜看做具有一定滲透系數而厚度較大的等效土體。可換算為滲透系數2.04×10-6cm／s的2 m厚粘土層進行計算。壩體材料滲透系數見表1。

表1 壩體材料滲透系數表 cm/s

2.4 結果分析

基于上述的滲流模型,采用有限元法，選擇主壩設計典型橫斷面為計算斷面，按《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）進行各工況下主壩滲流計算。水庫防滲加固后主壩典型斷面滲流分析主要滲流性態的比較如表2。主壩加固前后設計洪水位穩定滲流復核結果見圖1、圖2，其它各工況穩定滲流期與非穩定滲流期計算結果圖從略。

3 評價及結論

（1）根據二維有限元計算，加固前后，在正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位下，上、下游壩坡逸出處的最大滲流坡降均小于按規范計算該壩體允許滲透坡降值0.65，可見滲透坡降滿足規范要求。

表2 水庫主壩加固前后滲流性態比較表

圖1 主壩（加固前）穩定滲流計算成果圖

圖2 主壩（加固后）穩定滲流計算成果圖

（2）水庫加固前，當庫水位較高時，壩體內浸潤面較高，壩體滲流在下游坡出逸，且逸出點位置較高，導致大壩下游邊坡存在多處較大面積濕潤散浸，滲流性態不滿足要求；水庫防滲加固后，壩體上、下游側的浸潤面都明顯下降，壩體在下游坡不產生出逸，有效解決了壩體下游的散浸現象，改善了壩體的運行狀況。

（3）防滲加固后，在正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位下，壩體滲透坡降有較大程度減小，壩體的滲透穩定性進一步提高。

（4）防滲加固后，在正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位下，大壩典型斷面的單寬流量分別減小了87.10%、87.01%、87.17%。可見防滲效果極為明顯。

綜上所述紅旗水庫壩體采用復合式土工膜結合高壓旋噴灌漿的防滲加固措施，有效地解決了壩身滲透系數較大、壩身滲漏嚴重的問題，改善了壩體的運行狀況。因此，防滲加固措施的效果良好。

1毛昶熙.滲流計算分析與控制［M］.北京:中國水利水電出版社,2000.