土石壩加高培厚工程穩定非穩定滲流安全分析研究

牛文龍

（北京中水科工程集團有限公司,北京 100048）

1 引言

目前我國中小型水庫大多采用土石壩作為擋水建筑物,隨著一些壩體年久失修,必須進行除險加固。2020年國務院印發了《關于切實加強水庫除險加固和運行維護工作的通知》,強調水庫安全事關人民群眾生命財產安全,加快推進水庫除險加固,及時消除安全隱患,確保水庫安全長效運行。土石壩的滲流穩定直接關系整個大壩的安全穩定運行。目前國內外學者針對均質土壩[1]、混凝土面板堆石壩[2]、黏土心墻壩、黏土斜墻壩[3]、重力壩等壩型均開展了大量的滲流穩定安全分析,大多分析只是針對新建水庫或者已建水庫在施工期以及運行期的運行狀態開展滲流穩定分析[4]。然而,對于土石壩除險加固工程的滲流穩定分析研究較少,尤其是土石壩加高培厚工程的穩定非穩定滲流分析。因此,本文以某土石壩加高培厚工程為研究對象,開展有限元滲流分析計算,基于滲透坡降、滲流量、浸潤線位置來評價壩體及壩基是否滿足滲流穩定安全要求。

2 工程概況

某水庫是一座具有防洪、供水、灌溉等綜合功能的水利樞紐工程。在運行中,水庫的調度主要通過輸水隧洞進行輸水滿足下游灌溉及供水,汛期通過泄洪隧洞、溢洪道進行泄洪,控制水位。擋水建筑物為均質土壩,加固前最大壩高9.6 m,壩頂長351.5 m,壩頂高程50.1 m,壩頂寬4 m,上游壩坡1∶3.5,下游壩坡1∶4。通過加高培厚對壩頂及下游壩坡進行加固,加固后最大壩高10.5 m,壩頂長351.5 m,壩頂高程51.0 m,壩頂寬7.3 m,上游壩坡1∶3.5,下游壩坡1∶3.5。泄洪建筑物由溢洪道和泄洪洞組成,溢洪道上設泄洪閘7孔,每孔7 m×2.8 m （寬×高）,泄洪洞孔口尺寸1.8 m×1.4 m（寬×高）。土石壩加高培厚工程現狀最大橫斷面見圖1。

圖1 土石壩加高培厚工程現狀最大橫斷面

3 計算分析方法

3.1 計算方法與原理

根據某水庫大壩工程的具體情況,基于達西定律基本方程,采用有限元法對大壩進行滲流計算,運用Geo-Studio軟件中seep/w模塊,建立大壩現狀最大橫斷面的二維有限元模型。通過模擬各種材料介質的滲透特性和各種入滲、排水邊界條件,計算壩體與壩基在各種水位條件下的滲流場。通過計算得到滲流場中的浸潤線以及滲流坡降、滲流流速及滲流量,與相應的設計允許值相比較,綜合判斷壩基和壩體的滲流安全。

在本次進行的穩定滲流計算中,大壩上、下游水位以下的入滲和出流面及自由滲出段,其水頭是已知的,屬一類邊界；沒有流量流入和流出的滲流自由面和不透水層面,屬于二類邊界；同時,為了保證自由面的唯一性,滲流自由面還應該滿足水頭等于位置高程的條件。在進行非穩定滲流計算時,考慮有流量從自由面流進堰體,取二連續自由面之間的一塊水體來表示流量的補給。

3.2 計算參數與工況

（1） 滲透系數和允許滲透坡降

壩體填土和壩基材料的滲流計算指標參考《某水庫地質勘察報告》,壩前淤泥、堆石排水體等滲流計算參數參照類似工程選取,滲流計算材料參數見表1。

表1 滲流量計算成果表

（2） 計算工況

參考《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）規定,滲流計算應考慮運行中出現的不利工況條件,按穩定滲流考慮,并考慮以下滲流計算工況：

1）正常蓄水位工況：上游正常蓄水位49.500 m,下游對應水位取47.153 m；

2）設計洪水位工況：上游設計洪水位49.700 m,下游對應水位取47.153 m；

3）校核洪水位工況：上游校核洪水位50.400 m,下游對應水位取47.153 m；

4）水位驟降工況I：上游水位按水位降落速度0.1 m/d由正常蓄水位49.500 m驟降至死水位46.000 m,下游對應水位取47.153 m。

5）水位驟降工況II：上游水位按水位降落速度0.5 m/d由正常蓄水位49.500 m驟降至死水位46.000 m,下游對應水位取47.153。

3.3 計算模型

根據大壩現狀最大橫斷面建立有限元模型,模型范圍為：大壩向上游與下游各取12 m,建基面以下取12 m。采用四邊形單元為主、少數三角形單元來進行有限元網格剖分,大壩共包括1847 個單元,1918 個節點,得到的有限元網格見圖2。水閘共包括555個單元,617個節點,得到的有限元網格見圖2。

圖2 大壩滲流計算有限元網格劃分圖

4 計算結果分析

本次大壩滲流計算的滲透坡降、滲流量及逸出點成果見表2,計算的浸潤線位置及等勢線圖見圖3～圖7。對于穩定滲流計算結果,由表2及圖3～圖5可知,在正常蓄水位、設計洪水位及校核洪水位下加高培厚壩體的單寬滲流量分別為1.89 m3/（d·m）、2.37 m3/（d·m）、2.64 m3/（d·m）,分析可知設計洪水位及校核洪水位下的單寬滲流量比正常蓄水位條件下分別增加了25.3%與39.6%。可以看出隨著上游水位增大,壩體滲流量增大。對于壩體滲透坡降而言,正常蓄水位、設計洪水位及校核洪水位下最大的滲透坡降分別為0.41、0.44、0.48,出現位置均為壩體填土內。但是,對于下游出逸點的滲透坡降相對較小,正常蓄水位、設計洪水位及校核洪水位下分別為0.24、0.28、0.36,滲透坡降均小于允許滲透坡降0.5～0.6,表明壩體下游面滿足滲透穩定要求,加高培厚部分的壩體對滲流穩定起到了良好的作用。對于壩體的浸潤線而言,可以看出浸潤線主要是從上游水位過渡到下游尾水位,整體浸潤線相對較高。分析原因可能是由于在老壩體下部設置了棱體排水,在進行加高培厚的過程中,被埋在下游壩體填土里面,因此棱體排水失效,不能有效地降低浸潤線。

圖3 正常蓄水位工況浸潤線位置及等勢線圖

圖5 校核洪水位工況浸潤線位置及等勢線圖

表2 各工況大壩滲流計算結果

圖4 設計洪水位工況浸潤線位置及等勢線圖

對于非穩定滲流計算結果,由表2及圖6～圖7可知,在水位驟降工況Ⅰ及水位驟降工況Ⅱ下加高培厚壩體的單寬滲流量分別為0.64 m3/（d·m）、0.63 m3/（d·m）,可以看出在非穩定滲流作用下壩體單寬滲流量相較穩定,滲流明顯較小。與穩定滲流期一樣,隨著上游水位增大,壩體滲流量增大。對壩體滲透坡降而言,水位驟降工況Ⅰ及水位驟降工況Ⅱ下最大的滲透坡降分別為0.21、0.22,出現位置均上游坡面。各時段上游壩體內的浸潤線基本與水位降落速度同步,基本呈現為平緩斜直線；相比較而言,水位驟降工況Ⅰ的上游壩體內浸潤線高于工況Ⅱ的浸潤線,且隨著降落水位的逐步降低,兩者浸潤線的高差相應增大。當降至死水位時,驟降工況Ⅰ和工況Ⅱ的浸潤線相同。

圖7 水位驟降工況Ⅱ等勢線及浸潤線位置圖（7日終降時）

5 結論

（1）各工況下土石壩加高培厚壩體出逸段及壩基滲透坡降均小于允許滲透坡降,壩體和壩基均滿足滲透穩定,大壩不會發生滲透破壞。

（2）土石壩加高培厚壩體填土的滲透系數較小,防滲性能較好,大壩的滲漏量較小。各工況下壩體浸潤線和逸出點的位置正常,在合理安全范圍內。

（3）加高培厚壩體下游坡腳地面比原設計地面提高了6.653 m,原設計排水體已埋入地下,且未新設置下游排水設施,因此導致浸潤線較高,該水庫可能存在著影響壩體滲流安全的隱患。