某水庫除險(xiǎn)加固安全評價(jià)中壩體滲流穩(wěn)定分析

孫亞南

（盤錦海陸土木工程有限公司，遼寧盤錦124010）

1 工程概況

某除險(xiǎn)加固工程為IV等小（1）型水庫，壩高19 m，總庫容為313.93萬m3，是一座以防洪灌溉為主，兼顧工業(yè)用水的水利工程，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。樞紐主要由主壩、副壩、輸水涵洞、輸水隧洞、溢洪道等組成[1]。從水庫監(jiān)測運(yùn)行資料來看，水庫運(yùn)行過程中未出現(xiàn)壩址漏水量增大的現(xiàn)象，壩下游坡面未出現(xiàn)“牛皮脹”、滲水等現(xiàn)象，水庫主壩壩基及壩區(qū)、岸坡均無異常滲漏情況。從現(xiàn)場檢查情況來看，該水庫主壩壩后坡排水棱體有2處存在少量的滲流。本文主要對大壩進(jìn)行滲流安全評價(jià)分析，通過分析得到壩體滲漏情況，指導(dǎo)壩體除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)施工。

2 滲流安全評價(jià)

2.1 評價(jià)方法

根據(jù)該水庫各樞紐工程布置及運(yùn)行情況，副壩下游與地面幾乎齊平，僅對主壩作滲流安全分析。滲流安全評價(jià)主要方法：根據(jù)現(xiàn)場檢查、運(yùn)行管理資料、勘察報(bào)告分析，復(fù)核大壩安全運(yùn)行現(xiàn)狀；依據(jù)滲流復(fù)核成果、滲流監(jiān)測資料進(jìn)行綜合分析，評價(jià)大壩滲流安全性。

2.2 滲流觀測斷面布設(shè)

此次在水庫主壩共布置4個(gè)滲流觀測斷面，3排測壓管（每個(gè)斷面布置3根測壓管）[2]，大壩壩腳設(shè)有量水堰觀測設(shè)施，用于觀測滲水點(diǎn)的滲漏量。大壩測壓管觀測數(shù)據(jù)見表1，大壩測壓管浸潤曲線見圖1。

圖1 實(shí)測值與計(jì)算值浸潤曲線對比圖

根據(jù)大壩測壓管觀測數(shù)據(jù)，4個(gè)斷面的同一排測壓管水頭值不同，表明各斷面附近壩體填土土質(zhì)存在不均勻情況。

當(dāng)庫水位值為77.89 m時(shí)，采用“理正滲流分析軟件”，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)測測壓管數(shù)據(jù)基本一致，表明滲流狀況良好。

3 滲流計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方法及工況

大壩計(jì)算參數(shù)、填料性質(zhì)、布置等依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查收集資料、鉆探試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算參數(shù)見表2。作滲流計(jì)算分析時(shí)，對主壩段各選取其最大斷面作為計(jì)算斷面進(jìn)行計(jì)算分析[3]。大壩滲透穩(wěn)定分析采用“理正滲流分析軟件”。

表1 2018年水庫測壓管數(shù)據(jù)摘錄分析表m

表2 主壩巖土層滲流計(jì)算主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

根據(jù)SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》來分析主壩計(jì)算工況：工況1為正常水位穩(wěn)定滲流，水庫水位為79.91 m；工況2為設(shè)計(jì)水位穩(wěn)定滲流，水庫水位為81.31 m；工況3為校核水位穩(wěn)定滲流，水庫水位為81.71 m；工況4為庫水位從校核水位驟降至死水位，水庫水位為81.71~71.61 m。滲流穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)考慮水庫運(yùn)行中出現(xiàn)的各種不利條件。非穩(wěn)定滲流計(jì)算的邊界條件假設(shè)在驟降前已經(jīng)形成穩(wěn)定的滲流，擬定工況4。

3.2 計(jì)算原理

壩體沿縱向長度遠(yuǎn)大于橫斷面尺寸，符合平面假定，因此計(jì)算方法可采用平面穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算程序進(jìn)行。計(jì)算采用二維飽和滲流的初流量有限元計(jì)算方法[4]，飽和滲流的基本方程：

式中：kx，ky分別為x，y方向的滲透系數(shù)；h為測管水頭，m。滲流的定解條件：

式中：n為邊界面的外法向方向；kn為法向方向的滲透系數(shù)；μ為給水度；Г1為自由面和上下游邊界面已知水頭邊界；Г2為潛流邊界面和不透水邊界；Г3為自由面邊界；t為時(shí)間，s；q為單寬流量，m2/s。

3.3 計(jì)算成果及分析

1）計(jì)算壩體浸潤線、單寬滲流量

計(jì)算滲透流量時(shí)，選取滲透系數(shù)大值平均值，計(jì)算水位降落時(shí)的浸潤線時(shí)，選取滲透系數(shù)小值平均值。主壩計(jì)算斷面見圖2，滲流量計(jì)算成果見表3，滲流浸潤線計(jì)算成果見圖3、圖4。

圖2 主壩計(jì)算斷面圖

表3 某水庫主壩單寬滲流量計(jì)算成果表

圖3 主壩斷面工況1時(shí)的滲流浸潤線

圖4 主壩斷面工況4時(shí)的滲流浸潤線

2）計(jì)算成果分析

根據(jù)計(jì)算成果，浸潤線遵循隨庫水位上漲而提高、跌落而下降的規(guī)律，表明主壩段防滲狀況良好，計(jì)算結(jié)果合理，可用于邊坡穩(wěn)定分析。

3.4 滲透穩(wěn)定分析

根據(jù)此次安全鑒定的巖土勘察報(bào)告，主壩壩體填土為素填粘性土，壩基地層為粉質(zhì)粘土層、礫砂層、強(qiáng)風(fēng)粉砂巖組成。根據(jù)計(jì)算成果，主壩壩體最大出逸比降為0.212。可初步判斷主壩壩體填土滲透變形類型為流土，滲透穩(wěn)定分析計(jì)算成果：土粒比重2.68，孔隙比0.778，孔隙率44%，臨界水力比降0.94，安全系數(shù)2.0，允許水力比降0.47，正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位最大滲透比降分別為0.175，0.203，0.212。

主壩段在各工況下的滲透比降均低于允許水力比降，不會(huì)發(fā)生流土破壞。

3.5 大壩滲流安全評價(jià)

根據(jù)勘察報(bào)告，壩體填土滲透系數(shù)為4.3×10-6～8.6×10-4cm/s，平均滲透系數(shù)為3.0×10-4cm/s，為中等透水性。主壩段填土滲透系數(shù)均不滿足SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中“均質(zhì)壩不大于1×10-4cm/s”要求[5]。

雖然該水庫主壩的壩體填土滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求，但從水庫主壩歷史運(yùn)行狀況、現(xiàn)場檢查情況來看，主壩段防滲狀況良好，未發(fā)現(xiàn)“牛皮脹”等滲漏現(xiàn)象，據(jù)滲透穩(wěn)定分析計(jì)算成果來看，主壩段不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

4 結(jié)語

綜合分析水庫主壩填料滲透特性、運(yùn)行過程中的滲流情況、滲流復(fù)核計(jì)算成果、現(xiàn)場檢查情況、地質(zhì)勘察成果，可得出：雖然該水庫主壩段填土滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求，但經(jīng)滲流分析，主壩段不會(huì)發(fā)生滲透破壞。該水庫歷史運(yùn)行情況及現(xiàn)場檢查情況來看，滲流正常，其它壩基及壩區(qū)、岸坡均無異常滲漏情況。從分析結(jié)果可見，主壩無滲流異常，不影響主壩安全，依據(jù)SL 258—2000《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》，評定主壩滲流安全性為A級。