張峰水庫(kù)大壩滲透參數(shù)反演計(jì)算

賈慧鵬

（山西張峰水庫(kù)建設(shè)管理局，山西晉城 048215）

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張峰水庫(kù)大壩滲透參數(shù)反演計(jì)算

賈慧鵬

（山西張峰水庫(kù)建設(shè)管理局，山西晉城 048215）

【摘 要】本文以壩體竣工時(shí)試驗(yàn)和檢測(cè)得出的土性參數(shù)為初始值，以安全監(jiān)測(cè)得出的現(xiàn)狀滲流場(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)有限元數(shù)值分析方法反演得出符合工程實(shí)際的壩體和壩基滲流計(jì)算參數(shù)。該參數(shù)用于預(yù)測(cè)高水位下壩體滲流變化情況，分析壩體在高水位下的滲透安全和滲流變化規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】張峰水庫(kù)大壩；滲透參數(shù)；反演計(jì)算

1　工程概況

張峰水庫(kù)壩型為黏土斜心墻堆石壩，壩頂高程763. 8m，壩頂長(zhǎng)627m，壩頂寬10m，最大壩高72. 2m，上游壩坡1∶1. 75，下游壩坡1∶1. 50；黏土防滲體頂部高程762. 8m，頂寬4m，高程752. 5m以上采用直心墻型式，以下為斜心墻，心墻上游邊坡1∶0. 75，下游邊坡1∶0. 25；上游堆石料與心墻之間設(shè)置一層反濾層和一層過(guò)渡層，心墻下游與堆石料之間設(shè)置兩層反濾層和一層過(guò)渡層。

2　計(jì)算模型

壩基巖分為強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層和完整基巖，其中完整基巖又分為強(qiáng)透水層和中透水層兩種。壩體土體按照其填筑類型分為心墻、2A和2B反濾層、3A過(guò)渡層、3B過(guò)渡層、4A和4B壩殼料五種。

計(jì)算時(shí)，將帷幕灌漿層和固結(jié)灌漿層統(tǒng)一考慮，并考慮了心墻下混凝土墊板和灌漿廊道；將基巖中透水率小于1Lu的下限作為計(jì)算模型下邊界，以此作為不透水邊界，并保證模型上下高度大于2倍壩高，模型左右兩側(cè)邊界各取到壩趾與壩踵以外1倍壩高以外，這樣確定的壩體模型長(zhǎng)為500m，高為154m。

計(jì)算中庫(kù)區(qū)和上游壩坡上實(shí)際上游水頭邊界，上游水頭按照計(jì)算類別分別取實(shí)際庫(kù)水位或者正常蓄水位等，下游水位按照原型觀測(cè)結(jié)果基本在698～700m之間變化，實(shí)際取值時(shí)在計(jì)算上游較低水位時(shí)取699m，庫(kù)水位較高時(shí)取700m。

為了計(jì)算方便，將底部高程620m作為計(jì)算模型的起始高程，也就是實(shí)際壩體620m高程為計(jì)算模型的0m高程，這樣模型計(jì)算得到的水頭高程與實(shí)際高程的換算關(guān)系為：

在壩體下游壩坡底部設(shè)定溢出邊界條件，迭代計(jì)算壩坡溢出點(diǎn)的位置。

計(jì)算中以壩體高程方向?yàn)閥軸，其0點(diǎn)為620m高程；以從上游指向下游為x軸，其0點(diǎn)為壩體模型上游邊界點(diǎn)。得到的二維計(jì)算模型示例如圖1所示。

圖1　二維計(jì)算模型示例（0＋350斷面）

3　滲透參數(shù)反演計(jì)算

反演分析以0＋350斷面為主進(jìn)行。該斷面處于壩體河床段，壩高最大，下游排水情況明確，并包含了幾乎所有的填筑土料層，較為適合進(jìn)行分析計(jì)算。

圖2　庫(kù)水位為759m時(shí)壩體浸潤(rùn)線變化過(guò)程

3. 1穩(wěn)定與非穩(wěn)定滲流場(chǎng)對(duì)比

用非穩(wěn)定滲流計(jì)算方法，對(duì)壩體庫(kù)水位瞬間抬升到正常蓄水位759m，之后持續(xù)1個(gè)月后、4個(gè)月后和1年后、2年后的浸潤(rùn)線進(jìn)行了計(jì)算，用來(lái)對(duì)比非穩(wěn)定滲流場(chǎng)向穩(wěn)定滲流場(chǎng)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從圖2中看出，壩體浸潤(rùn)線在初期表現(xiàn)為心墻上游側(cè)和底面702m高程以下浸濕，浸濕范圍較小，浸潤(rùn)線為一個(gè)凹面向上的勺形；隨著庫(kù)水位在759m上維持時(shí)間增加，心墻內(nèi)浸濕范圍逐步增大，上游側(cè)浸濕范圍逐步向下游擴(kuò)大，底部浸濕范圍逐步向上抬升，1年后，形成了幾乎垂直的浸潤(rùn)線；2年后，浸潤(rùn)線進(jìn)一步移動(dòng)和抬升，形成了穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)面，該面為一個(gè)凹面向下的勺形，這時(shí)心墻下部基本處于浸濕飽和狀態(tài)，只有上部處于非飽和狀態(tài)。

從上面的分析看出，壩體浸潤(rùn)鋒面變化的過(guò)程實(shí)際上主要是心墻內(nèi)部浸潤(rùn)線變化的過(guò)程，其他部位變化較小，也反映出心墻在整個(gè)壩體防滲中的重要地位。壩體心墻浸潤(rùn)線變化是從上游側(cè)向下游側(cè)和從底部向上抬升的變化過(guò)程，開始時(shí)的浸潤(rùn)線為下凹形，最后逐漸變化為上凸形。這些規(guī)律可以為下一步反演分析提供基礎(chǔ)依據(jù)。

3. 2滲透參數(shù)反演分析

圖3　蓄水過(guò)程線

以0＋350斷面為例進(jìn)行分析原型觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際庫(kù)水位變化過(guò)程是一個(gè)逐漸上升的過(guò)程，在這一過(guò)程中，測(cè)定的壩體浸潤(rùn)線實(shí)際上是壩體在不同水位下非穩(wěn)定滲流形成的過(guò)程，應(yīng)采用非穩(wěn)定滲流計(jì)算方法才能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況，因此反演的方法為非穩(wěn)定滲流計(jì)算方法。

將模型上游水位邊界條件按照實(shí)際庫(kù)水位上升過(guò)程線（見(jiàn)圖3）設(shè)置成為水位隨時(shí)間變化的量，下游水位從698m到700m逐步抬升，計(jì)算壩體在不同時(shí)刻的浸潤(rùn)線變化，并將其與原型監(jiān)測(cè)測(cè)定的不同時(shí)刻的壩體浸潤(rùn)線進(jìn)行對(duì)比，若計(jì)算結(jié)果不同，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整計(jì)算參數(shù)，再進(jìn)行計(jì)算，反復(fù)多次，直到計(jì)算壩體浸潤(rùn)線與原型觀測(cè)浸潤(rùn)線基本一致為止，這時(shí)使用的計(jì)算參數(shù)就是符合實(shí)際的參數(shù)值，也就是反演得到的滲流計(jì)算參數(shù)值。通過(guò)這個(gè)過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的反演。

多次計(jì)算最后得到的壩體不同時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　0＋350斷面不同時(shí)刻壩體浸潤(rùn)線

將圖4與滲壓計(jì)資料分析報(bào)告推測(cè)的壩體各個(gè)時(shí)刻浸潤(rùn)線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者基本規(guī)律一致，數(shù)值相差不大。另外將計(jì)算得出的測(cè)點(diǎn)p-3-3-3點(diǎn)的滲透水頭變化過(guò)程與計(jì)算得出的值進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示，從圖5中看出兩者基本規(guī)律一致，數(shù)值有所差別，最大差值在3m左右，差別是在時(shí)間上有所滯后。另外反復(fù)計(jì)算表明：無(wú)論如何改變計(jì)算參數(shù)，在壩體下游，4A和3B區(qū)域底部浸潤(rùn)線都不會(huì)高于704m，而實(shí)際觀測(cè)出該處滲透水頭可以達(dá)到713. 59m（2011年12月31日，P-3-4-7）和709. 88m（2010年3月4日，P-3-3-6），可能因?yàn)樵撎帪榉秋柡蜐B流補(bǔ)給區(qū)，局部滲透水壓造成測(cè)點(diǎn)水壓的變化，也可能與這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)精度不好有關(guān)。總體看來(lái)反演計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的發(fā)展規(guī)律與趨勢(shì)一致，因此反演結(jié)果基本可以反映實(shí)際壩體滲流變化過(guò)程。

圖5　0＋350斷面測(cè)點(diǎn)p-3-3-3計(jì)算與觀測(cè)水頭變化對(duì)比情況

因此認(rèn)為反演結(jié)果可信，由此得出的壩體滲透計(jì)算參數(shù)見(jiàn)右表。其中，壩體滲透系數(shù)與初始值一致，壩基巖體計(jì)算滲透系數(shù)有所增大，其他變化較小，壩體滲透系數(shù)與吸力的關(guān)系曲線基本相同。用以上反演得到的滲透計(jì)算參數(shù)就可以分析壩體滲透場(chǎng)，判別其滲透穩(wěn)定性。

反演得到的各區(qū)域滲透系數(shù)對(duì)比表

4　結(jié) 語(yǔ)

以庫(kù)水位在較高情況下實(shí)際觀測(cè)得到的滲流場(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)反演，得出符合工程實(shí)際的壩體和壩基滲流計(jì)算參數(shù)；再以低庫(kù)水位下滲流場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，用反演得到的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行滲流數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證反演參數(shù)的合理性；為下一步分析預(yù)測(cè)在正常高水位下壩體的滲流場(chǎng)及其滲透穩(wěn)定性變化規(guī)律等奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。■

Inversion calculation of dam seePage Parameter in Zhangfeng Reservoir

JIA Huipeng
（Shanxi Zhangfeng Reservoir Vonstruction Administration，Jincheng 048215，Vhina）

Abstract：Soil property parameters obtained from test and inspection during dam body completion are adopted as initial value. Current seepage field obtained from safety monitoring is adopted as standard. The dam body and dam foundation seepage calculation parameter in line with project practice are obtained through the inversion of finite element numerical analysis method. The parameter is used for predicting dam body seepage change position under the high water level. Seepage safety and seepage change rule of dam body under the high water level are analyzed.

Key Words：Zhangfeng Reservoir dam；seepage parameter；inversion calculation

DOI：10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.01.018

中圖分類號(hào)：TV139. 1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-8241（2016）02-0062-05