某小型水庫(kù)安全鑒定中壩體滲流穩(wěn)定分析

唐 宏

(江西省大余縣水庫(kù)工程管理局，江西 大余 341500)

1 工程概況

某除險(xiǎn)加固工程為IV等小(1)型水庫(kù)，壩高19m，水庫(kù)總庫(kù)容313.93萬(wàn)m3，是一座以防洪灌溉為主，兼顧工業(yè)用水任務(wù)的水利工程，水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇洪水設(shè)計(jì)，300a一遇洪水校核[1]。水庫(kù)建于1957年，后期進(jìn)行了必要的擴(kuò)建、加固和維修，達(dá)到現(xiàn)有規(guī)模。從水庫(kù)工程檔案資料來(lái)看，水庫(kù)運(yùn)行過(guò)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。從水庫(kù)歷史運(yùn)行資料來(lái)看，水庫(kù)主壩壩基及壩區(qū)、岸坡均無(wú)異常滲漏情況。從現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，該水庫(kù)主壩除壩后坡排水棱體有2處存在少量的滲流量外，壩體、壩基、壩區(qū)及岸坡無(wú)異常滲流情況。文章主要對(duì)大壩進(jìn)行滲流安全評(píng)價(jià)分析，通過(guò)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(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)該水庫(kù)各樞紐工程布置及運(yùn)行情況，滲流安全評(píng)價(jià)主要方法為：①根據(jù)本次除險(xiǎn)加固水庫(kù)工程中現(xiàn)場(chǎng)檢查、運(yùn)行管理資料，結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告分析，復(fù)核已實(shí)施的滲流控制措施能否保證大壩安全運(yùn)行；②依據(jù)滲流復(fù)核計(jì)算成果、現(xiàn)場(chǎng)檢查情況、滲流監(jiān)測(cè)資料等資料進(jìn)行綜合分析，評(píng)價(jià)大壩滲流安全性。

2.2 滲流觀測(cè)斷面布設(shè)

本次在水庫(kù)主壩共布置4個(gè)滲流觀測(cè)斷面，3排測(cè)壓管(每個(gè)斷面布置3根測(cè)壓管)，大壩壩腳設(shè)有量水堰觀測(cè)設(shè)施，用于觀測(cè)滲水點(diǎn)的滲漏量。大壩觀測(cè)設(shè)施布置見(jiàn)圖1，大壩測(cè)壓管觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)大壩測(cè)壓管觀測(cè)數(shù)據(jù)，4個(gè)斷面的同一排測(cè)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。

圖1 水庫(kù)大壩觀測(cè)設(shè)施平面布置圖

表1 水庫(kù)測(cè)壓管數(shù)據(jù)摘錄分析表 m

當(dāng)庫(kù)水位值為77.89m時(shí)，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院的理正系列軟件中的“理正滲流分析軟件”，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

分析測(cè)壓管數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院的理正系列軟件中的“理正滲流分析軟件”，計(jì)算結(jié)果與測(cè)壓管中基本一致，表明滲流狀況良好。

對(duì)4件壩體人工填土試樣進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗(yàn)，滲透系數(shù)為4.3E-6cm/s-8.6E-4cm/s，平均滲透系數(shù)為3.00E-4cm/s，為中等透水性。

圖2 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值浸潤(rùn)線曲線對(duì)比圖

綜上所述，壩體填筑土土料質(zhì)量滿足均值土壩用料要求，但水庫(kù)壩體填筑土壓實(shí)度不滿足《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中對(duì)壓實(shí)度的要求，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行大壩滲流計(jì)算分析后來(lái)評(píng)價(jià)大壩結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定狀況。

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)、材料性質(zhì)、布置等資料主要來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查收集資料、本次評(píng)價(jià)及復(fù)核的相關(guān)成果、鉆探勘探試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)類比等，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。作滲流計(jì)算分析時(shí)，對(duì)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。大壩滲透穩(wěn)定分析采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院的理正系列軟件中的“理正滲流分析軟件”，各運(yùn)用條件的特征水位，即：

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)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)來(lái)分析主壩計(jì)算工況，滲流及穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)考慮水庫(kù)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種不利條件，計(jì)算工況確定見(jiàn)表3。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，擬定如表3工況4。

表3 甘坑水庫(kù)主壩滲透穩(wěn)定分析工況表

3.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算原理

該水庫(kù)大壩各土層的滲流計(jì)算參數(shù)采用本次地質(zhì)勘察成果，計(jì)算采用二維飽和滲流的初流量有限元計(jì)算方法。飽和滲流的基本方程為：

(1)

式中：x,y為空間坐標(biāo)；H為水頭函數(shù)；kx、ky為以x、y軸為主軸方向的滲透系數(shù)。土壩非穩(wěn)定滲流的定解條件為：

初始條件：h|t=0=h0(x,y,t) ；邊界條件、水頭邊界：H|Г1=f1(x,y,t)

土壩穩(wěn)定滲流的定解條件，只有邊界條件式(3)式中n為邊界Γ2的外法向。滲流計(jì)算時(shí)事先不能確定土壩滲流自由面位置，所以應(yīng)把確定自由面的位置作為計(jì)算的重要部分。因?yàn)闈B流自由面上的水頭壓力等于大氣壓，所以該面上任一點(diǎn)的位置高程應(yīng)該等于該點(diǎn)的水頭值。為確保式(1)存在唯一解，在滲流自由面上應(yīng)滿足條件h=z。對(duì)非穩(wěn)定滲流情況，自由面應(yīng)同時(shí)滿足h=z和單寬流量關(guān)系式，即計(jì)算自由面下降時(shí)由滲流自由面流進(jìn)壩體內(nèi)的單寬流量q。

(2)

式中：h為滲流自由面上的水頭大小；μ為滲流自由面變動(dòng)范圍內(nèi)的土體有效孔隙率；θ為鉛垂線與滲流自由面外法向的夾角。

3.3 計(jì)算成果及分析

1)計(jì)算壩體浸潤(rùn)線：

依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)計(jì)算滲透流量時(shí)，選取滲透系數(shù)大值平均值，相反當(dāng)計(jì)算水位降落時(shí)的浸潤(rùn)線時(shí)，選取滲透系數(shù)小值平均值。本次計(jì)算采用北京理正公司推出的滲流計(jì)算軟件。主壩計(jì)算斷面見(jiàn)圖3所示，滲流計(jì)算成果見(jiàn)表4，計(jì)算成果見(jiàn)圖4。

表4 甘坑水庫(kù)主壩單寬滲流量計(jì)算成果表

圖3 主壩計(jì)算斷面圖

圖4 主壩斷面工況1時(shí)的滲流浸潤(rùn)線

2)計(jì)算成果分析：

分析主壩壩體浸潤(rùn)線計(jì)算成果，在能形成滲流場(chǎng)的情況下，浸潤(rùn)線遵循隨庫(kù)水位上漲而提高、隨庫(kù)水位跌落而下降的規(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)本次安全鑒定的巖土勘察報(bào)告，主壩壩體填土為素填黏性土，壩基地層為粉質(zhì)黏土層、礫砂層、強(qiáng)風(fēng)粉砂巖組成。根據(jù)“理正滲流分析軟件”計(jì)算成果，主壩壩體最大出逸比降為0.212。根據(jù)水利地質(zhì)勘察相關(guān)規(guī)范，可初步判斷主壩壩體填土滲透變形類型為流土。流土與管涌的臨界水力比降應(yīng)采用下式計(jì)算：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(3)

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率，%，n=e/(1+e)，e為孔隙比。水庫(kù)屬比較重要的工程，滲流破壞對(duì)主壩危害較大，本次流土安全系數(shù)取2.0。滲透穩(wěn)定分析計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 水庫(kù)主壩壩體滲透穩(wěn)定分析計(jì)算成果表

從上述計(jì)算成果可見(jiàn)主壩段在各工況下的滲透比降均低于允許水力比降，計(jì)算結(jié)果表明主壩段均不會(huì)發(fā)生流土破壞。

3.5 大壩滲流安全評(píng)價(jià)

根據(jù)本次安全鑒定的巖土勘察報(bào)告，主壩段填土為素填黏性土，壩基沖積粉質(zhì)黏土、礫砂層、粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化帶。根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)，主壩段填土平均滲透系數(shù)為3×10-4cm/s，主壩段填土滲透系數(shù)均不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中“均質(zhì)壩≤1×10-4cm/s”要求[2]。根據(jù)本次安全鑒定的巖土勘察報(bào)告，壩體填筑土壓實(shí)度介于72%-93%之間，主壩段的壓實(shí)度均不滿足規(guī)范要求，與規(guī)范要求相差較大。

雖然該水庫(kù)主壩的壩體填土滲透系數(shù)、壓實(shí)度均不滿足規(guī)范要求，但從水庫(kù)主壩歷史運(yùn)行狀況、現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，主壩段防滲狀況良好，未發(fā)現(xiàn)牛皮脹等滲漏現(xiàn)象從滲透穩(wěn)定分析計(jì)算成果來(lái)看，主壩段不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

4 結(jié)論及建議

綜合分析水庫(kù)主壩填筑質(zhì)量、運(yùn)行過(guò)程中的滲流情況、滲流計(jì)算成果、現(xiàn)場(chǎng)檢查情況、地質(zhì)勘察成果，可得出：①雖然該水庫(kù)主壩的主壩段填土滲透系數(shù)、壓實(shí)度均不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，但經(jīng)滲透分析，主壩段不會(huì)發(fā)生滲透破壞。②從該水庫(kù)歷史運(yùn)行情況及現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，滲流正常，其它壩基及壩區(qū)、岸坡均無(wú)異常滲漏情況。從分析結(jié)果可見(jiàn)，主壩無(wú)滲流異常，不影響到主壩安全，依據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》評(píng)定主壩滲流安全性為A級(jí)。