周家營水庫土壩滲流安全性分析

王 興

(北票市水利規(guī)劃勘測設計院，遼寧 朝陽 122100)

大壩安全特別是滲流安全始終是工程技術領域關注的重點問題，也是水庫安全運行評價的重要內容[1-2]。壩體滲流往往會對土石壩造成管涌或滲漏等滲透破壞，而對壩基巖和混凝土壩造成化學侵蝕破壞[3-4]。調查顯示[5]，中國有132座大型水庫均存在不同程度的滲漏破壞，并且約80%為土石壩，因滲漏管涌破壞引起安全事故的水庫占調查總數(shù)的31.7%?？梢?，大壩能否安全穩(wěn)定運行與滲漏問題密切相關，準確判別大壩特別土壩的滲流穩(wěn)定性具有重要意義[6]。

目前，主要有數(shù)值解法、流體力學和水力學解析法等土壩滲流分析法，其中流體力學解析法是應用最為廣泛的方法，包括有限元法、差分法和邊界元法等多種類型[7-10]，可通過計算獲取滲透坡降、滲漏量和滲流水頭線等參數(shù)，分析壩體滲流安全狀況。文章結合周家營水庫土壩實測測壓管數(shù)據(jù)，應用流體力學有限元法綜合評價和計算分析大壩的滲流安全性。

1 滲流計算方法

1.1 基本原理

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》規(guī)定，對符合平面假定的壩體利用二維飽和滲流場基本方程[11]，其表達式為：

(1)

式中：kx、ky為主滲透系數(shù)；x、y為主滲透方向；H為水頭。對平面四邊形單元可利用下式揭示單元內的水頭分布特征[12]，即：

(2)

將微分方程(1)利用變分原理轉換成有限元格式，轉化公式為：[k]{H}={Q}，其中[k]為總傳導矩陣，{Q}為計算邊界上的等效節(jié)點流量(分布流量)。

(3)

式中：Ω為計算域；[Be]、[k]為e單元的形變矩陣和傳導矩陣。逐個高斯點計算所有可能包含自由面單元的水頭[13]，其所處位置水頭超過計算水頭值時，該單元各節(jié)點初始流量中該高斯點的貢獻率計算公式為：

{Ω}e=-[B][K][B]

(4)

(5)

經(jīng)r次迭代運算后，確定水頭值{Hr+1}={Hr}+{△Hr}。對新的自由面多次重復求解可確定Q0r+1，直至初始流量絕對值均<Ω2區(qū)各高斯點的界限允許值，最終求出的自由面即為迭代運算收斂的H=y面。

1.2 滲透穩(wěn)定性判別

2 工程實例

2.1 工程概況

周家營水庫建設在大凌河三級支流七家子河上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的小一型水庫，總庫容132.48萬m3。水庫集雨面積7.53km2，河流長度4.33km，平均比降為32.08‰。水庫于1975年開工，1976年年末建成并投入使用，于2011年進行了除險加固，按30a一遇設計、300a一遇校核，工程規(guī)模屬于小(1)型，水庫運行現(xiàn)狀如下：

1)攔河壩類型為黏土心墻壩，壩頂長360m，大壩頂平均高程422.64m，最大壩高17.76m，壩頂寬5m，迎水側壩坡分為二級，自下而上分別為1∶2.75和1∶2.5，背水側壩坡分為二級，由下而上分別為1∶2.5和1∶2.25。上游為干砌石護坡，下游為碎石護坡，排水體為貼坡式干砌石。大壩現(xiàn)狀整體較為完好，2016年汛期水庫蓄水達到416.2m，大壩右端(右壩肩)背水坡腳有滲漏溢出點，滲漏區(qū)域干砌石排水體出現(xiàn)塌陷、破損。

2)溢洪道位于壩體左岸，為開敞式，進口處為“八”字翼墻，堰寬20m，底板進口處為漿砌塊石齒墻，下接駝峰堰、陡坡和挑流鼻坎，挑坎下游為石籠護底，溢洪道兩側為漿砌石與混凝土擋墻，溢洪道整體較為完好。

3)輸水洞為雙鑄鐵管直徑均為0.254m，洞身完好無破損，全長73m，進水口為龍?zhí)ь^式進水口，進水口高程413.39m，進水口有攔污設施。輸水洞出口啟閉室內設閘閥，輸水洞整體保存較為完好。啟閉室出口處通過輸水鋼管與灌渠連接，輸水管道破損問題已經(jīng)通過維修養(yǎng)護資金已經(jīng)修復。

2019年7月經(jīng)大壩安全鑒定為三類壩，亟需對周家營水庫實施除險加固整治，其主要內容是對滲漏區(qū)進行防滲處理，并維修下游壩坡破損處排水體。

2.2 大壩防滲方案設計

依據(jù)《北票市周家營水庫壩區(qū)滲漏工程地質勘察報告》滲漏區(qū)位于壩右側60m壩基、壩肩風化巖石裂隙部位及右岸壩前巖石陡立段。壩區(qū)滲漏屬繞壩滲透類型為主，滲漏形式屬壩肩巖石裂隙均勻滲漏，滲透性屬中等透水，滲透系數(shù)k=1.9×10-4cm/s。

1)大壩滲漏區(qū)防滲。壩區(qū)滲漏位置采取帷幕灌漿方式進行防滲處理，灌漿區(qū)域為大壩右側60m壩基并向右側山體外延20m。水庫大壩壩頂開挖探坑顯示，黏土心墻位置偏向上游壩坡，心墻頂寬在2-2.7m，心墻保護層厚度為1.5-1.7m，壩頂寬度為5m，設計兩排灌漿孔，第一排灌漿孔位于黏土心墻背水側距下邊緣0.5m處，第二排孔位于黏土心墻背水側同時避開黏土心墻，排距2.5m孔距2m呈梅花狀布置。因現(xiàn)狀壩頂路寬度不能滿足施工需要，因此需要在大壩背水坡拓寬施工作業(yè)路，為保證施工作業(yè)路穩(wěn)定采取下挖壩體的方式拓寬作業(yè)路，原則上不破壞上游干砌石護坡，距自上游路緣石0.5m拓寬施工作業(yè)路，開挖深度約為1.0m，施工時不允許破壞心墻[11-13]。

2)壩體恢復。灌漿施工結束后，對壩體進行恢復，壩體回填相對密度應≥0.7；下游壩坡按1∶2.25放坡，恢復拆除碎石護坡0.1m厚，恢復面積170m2；恢復壩頂花崗巖路緣石及碎石路面；拆除重建下游滲漏處排水體30m，位置自右側山體起向左側延伸30m。

3)輸水管道。輸水洞啟閉室出口輸水管道原為雙鐵管，其中一條已經(jīng)損毀丟失，因水庫防洪需要于2019年7月使用維修養(yǎng)護資金進行修復，故本次不另做設計。此外，混凝土路面位于左壩頭與水泥村路結合部位，設計混凝土路面寬4m，厚0.2m，兩側采用中粗砂回填坡度為1∶3，采用C20混凝土澆筑。

2.3 壩體滲流安全性分析

2.3.1 防滲體復核

防滲體頂高程為421.14m，校核洪水位為420.2m，加超高0.6m后為420.8m，因此，周家營水庫防滲體頂高程滿足防洪要求，保護層厚度依據(jù)開挖探坑顯示為1.5m，當?shù)刈畲髢鐾辽疃燃s為1.5m，因此周家營水庫防滲體滿足規(guī)范要求。

2.3.2 壩坡穩(wěn)定復核

依據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》確定計算工況。正常運行條件：①上、下游坡正常蓄水位穩(wěn)定滲流期②上、下游坡設計洪水位穩(wěn)定滲流期；③1/3水位上、下游坡的穩(wěn)定滲流期；④設計洪水位驟降至死水位上游坡的穩(wěn)定滲流期。非常運用條件：①校核洪水位上、下游的穩(wěn)定滲流期；②設計洪水位驟降至死水位上游坡的穩(wěn)定滲流期。非常運用條件Ⅱ：正常運用條件遇地震[14-16]。采用北京理正軟件設計研究院編制的《理正邊坡穩(wěn)定分析軟件》計算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，大壩穩(wěn)定計算成果表(正常運用條件+非常運用條件Ⅰ)，見表1；大壩穩(wěn)定計算成果表(非常運用條件Ⅱ)，見表2。壩坡穩(wěn)定復核計算簡圖，見圖1。

表1 大壩穩(wěn)定計算成果表(正常運用條件+非常運用條件Ⅰ)

表2 大壩穩(wěn)定計算成果表(非常運用條件Ⅱ)

圖1 壩坡穩(wěn)定復核計算簡圖

從表中可看出，邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范允許的安全系數(shù)，所以土壩的邊坡是穩(wěn)定的。

2.3.3 滲流穩(wěn)定性分析

工作條件為透水地基上、設貼坡排水、下游無水情況，對正常蓄水位418.1m、設計洪水位419.36m、校核洪水位420.2m三種工況進行滲流計算。根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定，對攔河壩采用流體力學有限元法進行數(shù)值計算。

計算采用水利部推廣應用的《理正滲流分析計算軟件》中《土石壩二向穩(wěn)定及不穩(wěn)定滲流計算程序》計算，滲流穩(wěn)定計算結果，見表3。

表3 滲流穩(wěn)定計算結果

由表3可以看出，心墻滲透坡降滿足要求。心墻頂高程421.14m，截水槽底寬3.4m，底寬滿足規(guī)范要求，能夠保證滲流穩(wěn)定性。

2.4 壩頂高程計算

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2001)及水庫運用方式，壩頂分別按以下兩種運行工況計算：正常運行情況加設計洪水位的壩頂超高；非常運行情況加校核洪水位的壩頂超高，取其最大值，壩頂高程計算成果表，見表4。

表4 壩頂高程計算成果表

現(xiàn)狀壩頂高程422.64m，高于校核洪水位加超高后高程421.13m，因此周家營水庫壩頂高程滿足防洪要求。

3 結 論

經(jīng)長期運行，周家營水庫狀存在一定安全隱患，已經(jīng)影響水庫的安全運行，加之其防洪任務比較重要，因此為保證地方經(jīng)濟發(fā)展，維護社會穩(wěn)定，亟需對水庫實施加固整治。文章結合周家營水庫實際運行情況提出防滲加固設計方案，即對壩區(qū)滲漏位置采取帷幕灌漿方式進行防滲處理，維護下游壩坡破損處排水體維護。然后結合土壩實測測壓管數(shù)據(jù)，應用流體力學有限元法綜合評價和計算分析大壩的滲流安全性，結果顯示，周家營水庫土壩防滲加固方案能夠保證滲流穩(wěn)定性，壩頂高程滿足防洪要求。