基于Geo-Studio月牙河水庫增容滲流復核分析

張 宇，謝 鵬，龐 輝

(1.山東省水利勘測設計院，濟南 250000； 2.山東水總有限公司，濟南 250000；3.山東省臨沂市蘭陵縣水利局，山東 蘭陵 277700)

1 概 述

隨著城市建設發展，早期修建的水庫原設計庫容可能出現無法滿足現狀用水需求的現象。針對這一現象，采取水庫增容工程是十分必要的[1-2]。水庫增容后，滲流情況易出現變化，分析水庫滲流變化對水庫安全的影響是十分重要的。目前，Geo-Studio軟件是流固耦合分析中較為常用的軟件。該軟件具備計算模型建立方法簡便、計算速度快、結果準確等優勢，在河道堤防穩定性分析[3-4]、土質邊坡穩定性[5]、心墻壩穩定分析[6-7]等工程中均得到較多的使用。月牙河水庫位于山東省寧陽縣，水庫建成多年來，在防洪安全、供水保障和生態維護等多方面發揮了重要作用。水庫除自身流域產水外，還可以通過大汶河汶口攔河壩取水，通過東引汶干渠引水入庫，水源條件良好，入庫水量相對較為豐富。近10多年來，寧陽縣區缺水越來越嚴重，月牙河水庫作為寧陽縣區的主要供水水源，由于水庫興利庫容較小，調蓄大汶河水的能力有限，現有調蓄庫容影響了對當地與大汶河雨洪資源的利用，浪費了極為寶貴的雨洪資源，因此對水庫進行增容是十分必要的。結合工程，采用Geo-Studio軟件分析水庫增容前后的滲流情況變化。

2 工程概況

月牙河水庫位于洸府河支流月牙河上，屬淮河水系，水庫控制流域面積21.8 km2，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發電、養殖等綜合利用的水庫。水庫設計洪水標準為100年一遇，校核標準為1 000年一遇。水庫校核水位為87.65 m，總庫容為1 006×104m3。

水庫樞紐由大壩、隔堤、溢洪道、南放水洞、西放水洞、電站、東進水閘等組成，主壩為均質土壩，最大壩高11.0 m。大壩迎水坡坡比為1∶3.0，背水坡坡比為1∶2.5。

月牙河水庫增容后總庫容1 226×104m3，為中型水庫，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，臨時建筑物級別為5級。設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為1 000年一遇。

庫區地貌可分為剝蝕平原地貌和河谷地貌兩類。剝蝕平原地貌區主要分布的是②層壤土和③層壤土夾姜石，具中等透水性。河谷地貌區主要分布①層粗砂、②層壤土、③層壤土夾姜石和③-1層黏土質粗砂，具強透水性。

3 增容方案的選定

本次設計選用以下兩個增容方案進行分析比較。

3.1 疏挖方案

庫盆底高程在圍壩西南角方向較低，低于死水位(78.50 m)，向東北方向庫盆淤積嚴重，底高程越來越高，在圍壩東北角方向已淤至興利水位(85.50 m)，查勘期間圍壩西北側有大面積庫內灘地出露在水面以上。水庫圍壩軸線占地面積125.019 3 hm2，高程高于水庫死水位的庫盆面積91.160 7 hm2，占水庫圍壩軸線面積72.9%。通過以上分析，庫內有大量的淤積土侵占了庫容，通過清除死水位以上的庫盆淤積，可增加可觀的興利庫容。按照平均疏挖厚度2.75 m計算，可清除220×104m3淤積物，相應增加興利庫容220×104m3。該方案不改變水庫的興利水位和防洪水位，不改變水庫現行的運行工況，若將疏挖范圍控制在建筑物安全保護范圍以外，疏挖對水庫現有樞紐建筑物的影響很小，施工方法簡單、工期短。

3.2 提高興利水位方案

月牙河水庫規模論證階段水庫壩頂高程計算值為89.03 m，實測現狀壩頂高程88.02～89.14 m，均高于校核洪水位，但局部現狀水庫壩頂不滿足規范規定的壩頂超高要求。現狀壩頂超高不具備提高興利水位以達到水庫增容目的的條件，若選用提高興利水位方案，必須對圍壩全壩段進行加高培厚，相應新增占地，增加社會風險，溢洪道、進水閘等圍壩建筑物的擋水高度也會隨之變化，引起現狀工程不能滿足水庫正常運行，需要拆除重建或者改建，工程投資較大，工期較長。

通過以上分析和計算，確定采用工期短、投資省、對水庫樞紐建筑物影響小、社會影響因素小的疏挖方案進行水庫增容。

本次疏挖工程范圍為水庫圍壩范圍內高程高于78.50 m的部位，疏挖東南-西北方向平均長1 200 m，東北-西南方向平均寬600 m，現狀庫底高程78.5～84.0 m，局部可達85.50 m，設計疏挖底高程為78.50 m，疏挖厚度0～5.5 m，平均厚度2.75 m，疏挖邊坡1∶6。疏挖區取料時，應避開庫區樞紐建筑物足夠安全距離，應對水庫樞紐工程及附屬建筑物進行有效避讓，除西北壩段疏挖邊界線距離壩腳100 m以外，其余壩段疏挖邊界線距離壩腳50 m。

4 水庫滲流復核分析

月牙河水庫擬采取的增容措施是對水庫圍壩東北方向高程高于78.50 m的部位進行疏挖，因此增容后相較于增容前，圍壩北段和東段壩前鋪蓋減少，滲徑變短。通過Geo-Studio軟件對水庫圍壩增容前、后分別進行滲流計算，比較分析增容工程引起的水庫滲流情況變化。

4.1 計算斷面及計算參數的選取

4.1.1 計算斷面的選取

根據壩段地形特點以及擬采用的增容措施，選擇增容措施影響的壩段進行滲流分析。根據地質勘察成果，選取庫區疏挖地質剖面圖(II-II)和(IV-IV)兩個斷面為計算斷面。

4.1.2 計算參數的選取

根據本次地質勘察成果，壩體及壩基各層土料計算參數見表1、表2。

表1 斷面II-II計算參數

表2 斷面IV-IV計算參數

4.2 計算方法與計算工況

采用加拿大Geo-Studio軟件的seep/w模塊來進行滲流穩定分析。計算工況如下：

1) 庫內為興利水位85.50 m，庫外水位位于地面以下1.5 m。

2) 庫內為設計洪水位87.11 m，庫外水位位于地面以下1 m。

3) 庫內為校核洪水位87.65 m，庫外水位位于地面以下1 m。

4.3 計算成果

增容前、增容后的大壩滲流計算結果見表3。

表3 大壩滲流計算成果表

經計算，增容影響的壩段長2 899 m，該壩段范圍內疏挖前興利水位下水庫年滲漏量為58.64×104m3，疏挖后興利水位下水庫年滲漏量為58.76×104m3，因疏挖增容引起的滲漏量增加0.12×104m3，增加量較小。根據地質勘察資料，壤土的安全出逸比降取0.30，各計算斷面的出逸比降疏挖前后基本一致，沒有發生重大變化。因此,疏挖增容引起部分壩段滲漏量略有增加，并沒有導致或者加重下游壩坡的滲透破壞。

疏挖增容前后各工況等勢線圖見圖1、圖2。

圖1 疏挖增容前等勢線圖

圖2 疏挖增容后等勢線圖

5 結 論

經計算，水庫增容后相較于增容前，圍壩北段和東段壩前鋪蓋減少，滲徑變短，壩基滲漏略有增加。除此之外，基本不產生其他工程安全影響。水庫現狀存在集中滲漏帶，滲漏問題較嚴重，壩后水位埋深1.00～1.20 m，存在浸沒問題。

月牙河水庫增容后總庫容1 226×104m3，水庫的工程規模、管理方式、工程功能及設防標準均未發生改變，增容工程未改變水庫的興利水位、設計洪水位和校核洪水位，樞紐建筑物的運行、管理工況維持現狀，基本不產生工程安全影響，但部分壩段壩基滲漏略有增加。