斜心墻土石壩穩(wěn)定—非穩(wěn)定滲流分析與評(píng)價(jià)

宋 昊

（上海市崇明區(qū)農(nóng)村水利管理所,上海 202150）

1 引言

土質(zhì)防滲斜心墻壩是我國(guó)20 世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種土石壩壩型,隨后在我國(guó)小浪底等土石壩中廣泛采用這種壩型[1]。相比傳統(tǒng)的心墻壩,土質(zhì)防滲斜心墻壩具有壩坡穩(wěn)定性強(qiáng),上游防滲效果好等優(yōu)點(diǎn)[2]。為評(píng)價(jià)土石壩的滲透性能,一般要進(jìn)行穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流分析,進(jìn)而對(duì)土石壩的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。通常相關(guān)學(xué)者的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括滲流量與出逸點(diǎn)滲透坡降。然而,傳統(tǒng)土石壩滲流計(jì)算分析,一般主要針對(duì)均質(zhì)土壩、心墻壩、混凝土面板堆石壩的滲流計(jì)算分析較多,對(duì)黏土斜心墻壩穩(wěn)定—非穩(wěn)定滲流研究報(bào)道較少[3]。因此,本文以某壤土斜心墻壩為工程背景,開(kāi)展?jié)B透穩(wěn)定計(jì)算,基于計(jì)算指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)滲透穩(wěn)定及滲漏損失是否滿足安全要求。

2 工程概況

某水庫(kù)為一灌溉、供水和防洪的綜合利用水利樞紐工程,水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為528 萬(wàn)m3。擋水建筑物由非過(guò)水土壩和過(guò)水土壩兩壩段組成,3 級(jí)建筑物。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇洪水設(shè)計(jì)、千年一遇洪水校核。土壩全長(zhǎng)163.5 m,其中過(guò)水土壩壩段位于河床部位,長(zhǎng)72.0 m,溢流前沿凈寬50.0 m。左右兩岸為非過(guò)水土壩壩段,累計(jì)長(zhǎng)度為91.5 m。最大壩高36.8 m。土壩防滲墻采用壤土斜心墻,上游側(cè)邊坡為1∶3,下游側(cè)邊坡1∶2.55。防滲斜墻頂部最小有效厚度為1.5 m,底部有效厚度為4.5 m。土壩壩殼由砂礫料填筑,壤土斜心墻上游側(cè)砂礫料壩殼厚1.2 m,上游壩坡與壤土斜心墻上游側(cè)邊坡相同,為1∶3。下游側(cè)砂礫料壩殼邊坡非過(guò)水土壩壩段為1∶2,過(guò)水土壩壩段為1∶3。

3 計(jì)算分析方法

3.1 計(jì)算原理

（1）滲流計(jì)算原理

符合達(dá)西定律的二維非均質(zhì)各向異性土體非穩(wěn)定滲流的基本方程為：

穩(wěn)定滲流的基本方程為：

式中：h為水頭函數(shù)；x、y為計(jì)算坐標(biāo)；t為時(shí)間；kx、ky為以x、y軸為主軸方向的滲透系數(shù)；為給水度。

式（1）～式（2）即為二向穩(wěn)定和穩(wěn)定滲流計(jì)算的基本微分方程和定解條件,聯(lián)立求解即可確定土體的穩(wěn)定滲流場(chǎng)和非穩(wěn)定滲流場(chǎng)。

（2）滲流壓力計(jì)算原理

根據(jù)滲流計(jì)算的流網(wǎng)可以得到水頭損失的沿程變化,繪制出沿地下輪廓的滲流壓力分布圖。

（3）滲透坡降計(jì)算原理

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》流土型的滲透變形的判別可采用以下方法：

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土粒比重；n為土的孔隙率。

設(shè)計(jì)時(shí)采用的容許水力比降等于臨界水力比降除以安全系數(shù)：安全系數(shù)一般取1.5～2.0；當(dāng)滲流穩(wěn)定對(duì)水工建筑物的危害較大時(shí),取2.0 的安全系數(shù)；對(duì)特別重要的工程也可用2.5 的安全系數(shù)。

3.2 計(jì)算模型

本論文中采用有限元法對(duì)大壩進(jìn)行滲流計(jì)算,運(yùn)用Geo-Stvdio軟件中seep/w模塊,建立大壩現(xiàn)狀最大橫斷面的二維有限元模型。根據(jù)大壩現(xiàn)狀最大橫斷面（樁號(hào)0+100）建立有限元模型,模型范圍為：大壩向上游與下游各取40 m,建基面以下取40 m。采用四邊形單元為主、輔以三角形單元來(lái)進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分,共包括5321 個(gè)單元,5409 個(gè)節(jié)點(diǎn),得到的有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖1。

圖1 大壩滲流計(jì)算有限元網(wǎng)格劃分

3.3 計(jì)算參數(shù)

壩殼砂礫料、壩基砂礫石、壩體防滲斜墻、防滲心墻、壩體反濾層、壩基片麻巖、回填碎石渣及堆石排水體等滲流計(jì)算材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩體和壩基滲流計(jì)算參數(shù)表

3.4 計(jì)算工況

參考《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）規(guī)定,滲流計(jì)算應(yīng)考慮運(yùn)行中出現(xiàn)的不利工況條件,按穩(wěn)定滲流考慮,并考慮以下滲流計(jì)算工況：

（1）正常蓄水位工況：上游正常蓄水位288.80 m,下游對(duì)應(yīng)水位取248.00 m；

（2）設(shè)計(jì)洪水位工況：上游設(shè)計(jì)洪水位290.30 m,下游對(duì)應(yīng)水位取248.00 m；

（3）校核洪水位工況：上游校核洪水位291.60 m,下游對(duì)應(yīng)水位取248.00 m；

（4）水位驟降工況Ⅰ：上游水位按水位降落速度0.5 m/d由正常蓄水位288.80 m驟降至死水位265.00 m,下游對(duì)應(yīng)水位取248.00 m；

（5）水位驟降工況Ⅱ：上游水位按水位降落速度1.0 m/d由正常蓄水位288.80 m驟降至死水位265.00 m,下游對(duì)應(yīng)水位取248.00 m。

4 計(jì)算結(jié)果分析

本次正常蓄水位工況、設(shè)計(jì)洪水位工況及校核洪水位工況下滲流計(jì)算的滲透坡降、滲流量及壩體出逸點(diǎn)計(jì)算成果見(jiàn)表2,計(jì)算的浸潤(rùn)線位置及等勢(shì)線圖見(jiàn)圖2～圖4。由表2 及圖2～圖4 可以看出,在上下游水位差的作用下,滲流區(qū)域主要集中在斜心墻區(qū)域,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的集中滲流。由于防滲墻的作用,壩體內(nèi)部的浸潤(rùn)線大致沿著斜墻部位快速下降,壩后浸潤(rùn)線很低,正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況的壩體出逸點(diǎn)高程變化正常,隨著上游水位的升高略有增大。同時(shí),計(jì)算結(jié)果表明,隨著上游水位增大,正常蓄水位工況、設(shè)計(jì)洪水位工況及校核洪水位工況下壩體滲流量分別為29.91 m3/（d·m）、30.05 m3/（d·m）、30.95 m3/（d·m）,表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)。此外,壩體出逸段的滲透坡降也隨著上下游的水位差逐漸增大,壩體出逸面是壩基片麻巖,故壩體出逸點(diǎn)滲透穩(wěn)定。壩體及壩基與堆石排水體接觸面的滲透坡降小于允許值,故壩體及壩基滲透穩(wěn)定。

圖2 正常蓄水位工況浸潤(rùn)線位置及等勢(shì)線圖

圖3 設(shè)計(jì)洪水位工況浸潤(rùn)線位置及等勢(shì)線圖

圖4 校核洪水位工況浸潤(rùn)線位置及等勢(shì)線圖

表2 各工況滲流分析結(jié)果

本次水位驟降工況Ⅰ、Ⅱ工況下滲流計(jì)算的滲透坡降、滲流量及壩體出逸點(diǎn)計(jì)算成果見(jiàn)表2,取計(jì)算時(shí)間段任意時(shí)刻的浸潤(rùn)線位置及等勢(shì)線圖見(jiàn)圖5～圖6。由表2及圖5～圖6可以看出：降落水位即為浸潤(rùn)線與上游壩坡交點(diǎn)的高程。不同時(shí)段上游壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線基本與水位降落速度同步,基本均呈現(xiàn)為“Z”字形斜線；相比較而言,水位驟降工況Ⅰ的上游壩體內(nèi)浸潤(rùn)線高于水位驟降工況Ⅱ的浸潤(rùn)線,且隨著降落水位的逐步降低,兩者浸潤(rùn)線的高差相應(yīng)增大。當(dāng)降至死水位時(shí),驟降工況Ⅰ和工況Ⅱ的浸潤(rùn)線相同。根據(jù)以上分析可以得出,隨著上游水位降落速度由0.5 m/d增加至1.0 m/d,壩體滲流量減小36.8%,滲透坡降基本一致,均滿足滲透穩(wěn)定要求。

圖5 水位驟降工況Ⅰ等勢(shì)線及浸潤(rùn)線位置圖

圖6 水位驟降工況Ⅱ等勢(shì)線及浸潤(rùn)線位置圖

5 結(jié)論

（1）通過(guò)分析不同工況下的水頭等值線、浸潤(rùn)線、滲流量等結(jié)果,發(fā)現(xiàn)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位工況下隨著上下游水頭差的增大,滲流量與出逸點(diǎn)滲透坡降均有所增大。水位驟降工況下,隨著上游水位降落速度增加,壩體滲流量增大,滲透坡降變化不大。

（2）由于斜墻壩壩體內(nèi)部設(shè)置了壤土斜墻,有效地降低了浸潤(rùn)線,各工況下壩體浸潤(rùn)線和出逸點(diǎn)的位置正常,壩體滿足滲透穩(wěn)定要求。