赤金峽水庫土石壩穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流分析與評價

雷 艷 ，王智陽 ，張海洋

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安710010；3.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048）

0 引言

土石壩建設(shè)過程中面臨的最為關(guān)鍵的問題就是滲漏問題[1～2]。在土石壩的設(shè)計過程中，大壩剖面確定之后必須進(jìn)行滲流計算，以評價大壩是否滿足防滲的要求，確保大壩不會產(chǎn)生過大的滲漏損失或發(fā)生滲透破壞。同時已經(jīng)修建的土石壩在安全鑒定過程中也必須進(jìn)行滲流計算，以評估大壩運行多年之后是否滿足防滲的要求。土石壩安全鑒定過程中一般需要對土石壩進(jìn)行穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流計算。目前對新建大型土石壩開展的滲流分析較多，但是有關(guān)已建大壩的穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流分析，文獻(xiàn)報道較少[2～3]。本文對赤金峽水庫土石壩開展穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流分析，基于滲流分析結(jié)果評價大壩的滲透穩(wěn)定及滲透損失是否滿足安全要求。

1 工程概況

赤金峽水庫位于玉門市以北50km，地處石油河中游。是一座以灌溉為主兼顧防洪的水庫，工程等級為III等，總庫容3878萬m3，有效庫容2118.5 m3，現(xiàn)灌溉面積8萬畝，設(shè)計灌溉面積近期10萬畝，遠(yuǎn)期16萬畝。水庫樞紐由攔河大壩、溢洪道和泄洪排砂洞三部分組成。攔河大壩壩頂長264.8 m，最大壩高35.6 m，壩頂寬5 m，壩頂高程1571.6 m，大壩按填筑材料和壩坡可分為兩段。第一段樁號0+000～0+170，長170 m，在1565.5 m高程以下為壤土心墻砂礫石壩壩殼；以上為壤土斜墻砂礫石壩壩殼，上游壩坡均為1∶2.5，設(shè)三級馬道；下游壩坡從上至下為1∶2.25、1∶2.25、1∶2.5，在高程1551 m和1566 m處設(shè)有馬道，寬2 m。第二段樁號0+170～0+233，長63 m，其中0+170～0+217防滲體和上游壩坡與第一段相同，0+217～0+233段為斜墻變心墻的漸變段；后壩殼因受地形條件限制為堆石體，后壩坡為1∶1.38，左側(cè)溢洪道泄洪溝道，設(shè)有一道混凝土擋墻與溢洪道挑流右側(cè)墻相接。

2 滲流計算方法

在符合達(dá)西定律的二維非均質(zhì)各向異性土體非穩(wěn)定滲流的基本方程條件下二向穩(wěn)定滲流基本方程式為：

式中：h 是水頭函數(shù)；x、z是空間坐標(biāo)；t是時間坐標(biāo)；kx、kz是以x、z軸為主軸方向的滲透系數(shù)。

對式（1）用有限元法作滲流場離散，引用三結(jié)點的三角形單元和線性插值函數(shù)，離散后所得的線性方程組為：

式（2）為考慮土體壓縮的非穩(wěn)定滲流有限單元計算公式，當(dāng)式中不計時間項，矩陣[s]、[p]等于0。引入相應(yīng)的邊界條件即可求得非穩(wěn)定和穩(wěn)定滲流場。

本文計算中，大壩上、下游水位以下的入滲和出流面及自由滲出段，其水頭是已知的，屬第一類邊界；滲流自由面和不透水層面上沒有流量流入和流出屬于第二類邊界，同時，為保證自由面的唯一性，滲透自由面還應(yīng)滿足水頭等于位置高程的條件。非穩(wěn)定滲流則有流量從自由面流進(jìn)壩體，此流量是取兩連續(xù)自由面之間的一塊水體表示補(bǔ)給流量。

3 計算模型和工況

根據(jù)赤金峽水庫河床壩段及岸坡壩段大壩典型剖面設(shè)計圖建立滲流計算有限元模型，計算坐標(biāo)系為：順?biāo)鞣较驗閥軸方向，向下游為正；鉛直方向為z軸方向，向上為正；坐標(biāo)原點位于基巖上游側(cè)底部。河床壩段地基模擬范圍：上、下游方向分別延伸50 m，深度方向延伸50 m。大壩有限元模型見圖1，計算參數(shù)見表1。

圖1 河床壩段有限元計算模型

表1 滲流計算參數(shù)表

根據(jù)赤金峽水庫實際工程情況擬定土石壩滲流計算工況為：

1）水庫水位為正常蓄水位1569.89 m，下游無水的穩(wěn)定滲流期；

2）水庫水位為死水位1555.45 m，下游無水的穩(wěn)定滲流期；

3）非穩(wěn)定滲流期，水庫校核洪水位1570.91 m降落至正常蓄水位過程中非穩(wěn)定滲流。

4 計算結(jié)果分析

4.1 正常蓄水位穩(wěn)定滲流工況

圖2為河床壩段正常蓄水位穩(wěn)定滲流期壩體及地基總水頭分布等值線圖。由圖2可以看出：①在上、下游水位差作用下，滲流區(qū)主要集中在心墻區(qū)域，其等勢線分布較均勻，沒有出現(xiàn)集中滲流區(qū)。②在心墻及壩基防滲體的作用下，下游壩殼中浸潤線不高，下游壩坡溢出點在下游坡腳處，下游壩坡的滲透穩(wěn)定性較有保證。③壩基采用混凝土防滲墻能滿足赤金峽心墻土石壩的防滲要求，單寬滲流量為4.198 m3/d。

圖2 正常蓄水位工況壩體及地基總水頭分布等值線圖（單位：m）

4.2 死水位穩(wěn)定滲流工況

圖3 為河床壩段死水位穩(wěn)定滲流期壩體及地基總水頭分布等值線圖。由圖3可以看出：死水位工況下赤金峽河床壩段心墻土石壩滲流場的分布規(guī)律與正常蓄水位工況基本一致，上游水位降低以后，壩體內(nèi)的浸潤線明顯降低，下游壩坡出溢點仍然在下游坡腳處，下游壩坡的滲透穩(wěn)定安全基本有保障。死水位工況下單寬滲流量為1.229 m3/d，較正常蓄水位工況降低了71%。

圖3 死水位工況壩體及地基總水頭分布等值線圖（單位：m）

4.3 校核洪水位降至正常蓄水位非穩(wěn)定滲流工況

圖4 為非穩(wěn)定滲流工況水位降至1570.30 m時壩體總水頭分布等值線圖。計算結(jié)果表明，水位降落過程中，對應(yīng)于不同的降后水位，心墻下游浸潤線與降后水位關(guān)系不大，心墻下游浸潤線基本是一條由心墻溢出點至下游坡腳的平緩斜直線。心墻及上游壩體的浸潤線受水位降落的影響，呈現(xiàn)降低的趨勢。

圖4 非穩(wěn)定滲流工況水位降至1570.30 m時壩體總水頭分布等值線圖（單位：m）

4.4 滲流量及滲透坡降計算

表2～表3為赤金峽土石壩壩體滲流和滲透坡降計算結(jié)果。河床壩段正常蓄水位時采用水力學(xué)方法計算得到單寬滲流量為5.33 m2/d，有限元計算結(jié)果為4.20 m2/d，死水位時水力學(xué)方法計算得單寬滲流量為3.31 m2/d，有限元計算結(jié)果為2.63 m2/d，兩種計算方法結(jié)果較為接近。正常蓄水位時大壩總滲流量399.75 m3/d，死水位時大壩總滲流量171.0 m3/d。河床壩段正常蓄水位時心墻逸出點滲透坡降為3.18，死水位時心墻逸出點滲透坡降為1.28。心墻逸出點滲透坡降遠(yuǎn)小于允許滲透坡降，因此不會出現(xiàn)滲透破壞。

表1 赤金峽滲流量計算結(jié)果

表2 赤金峽滲透平均坡降計算結(jié)果

5 結(jié)論

對赤金峽水庫土石壩開展穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流分析。通過赤金峽水庫土石壩開展正常蓄水位穩(wěn)定滲流、死水位穩(wěn)定滲流以及校核洪水位降至正常蓄水位非穩(wěn)定滲流等工況的計算，獲得水頭等值線、浸潤線、水力坡降以及滲流量等結(jié)果，并評價大壩的滲透穩(wěn)定及滲透損失，結(jié)果認(rèn)為赤金峽水庫水頭線較低，滲流量較小，同時心墻逸出點滲透坡降遠(yuǎn)小于允許滲透坡降，不會出現(xiàn)滲透破壞。