基于監測反饋的病險土石壩防滲加固效果研究

蔣買勇，劉賢鵬，楊曉雅，李金友

（1.湖南水利水電職業技術學院，湖南長沙 410131；2.武漢大學水利水電學院，湖北武漢 430072；3.長沙縣水利局，湖南長沙 410100）

0 引言

滲流問題對于土石壩安全而言是一個至關重要的影響因素，近年來在處理土石壩滲流問題上，越來越多的研究者選擇采用數值分析的方法，數值分析中的有限元法得以廣泛應用。傳統的二維滲流計算方法無法從宏觀實際把握大壩、壩基及兩岸繞壩的滲流規律，預測水庫大壩除險加固后的真實滲流狀況，三維滲流計算克服了二維計算的弊端，能適用于復雜邊界、多種介質的滲流分析，且具有較高的精度［1，2］。

運用有限元法解決土石壩的滲流問題，實際是利用有限元軟件的計算功能來求解滲流微分方程，模擬出土石壩的滲流場以及得到滲流自由面等，從而計算出壩體的滲透坡降和總的滲漏量［3-5］。

隨著監測技術的發展和應用，近年來很多新建和經過除險加固的大壩都埋設有監測儀器，在工程運行管理中，對監測資料的整編和分析也越來越重視。許多研究者以大壩實測資料為基礎，結合土石壩滲流理論和有限元計算結果，進行大壩滲流性態分析，也常被應用于驗證有限元計算模型的合理性［6-8］。

本文通過三維滲流專業軟件以某水庫主壩為原型建模，采用有限元法對大壩的滲流場進行三維模擬，結合大壩滲流監測資料對有限元計算結果進行全面的反饋分析。

1 工程概況

1.1 工程歷次病險癥狀及處置情況

某水庫大壩為均質土壩，壩頂高程102.40 m，寬7.5 m，壩長159.0 m，最大壩高30.6 m。大壩上游在76.00 m 高程以下為拋石護腳，76.00 m 高程以上至84.00 m，設干砌石護坡，高程84.00 m 至102.40 m 之間坡面設砼預制塊護坡；下游壩腳設有排水棱體，大壩剖面圖見圖1。1980 年6 月庫水位為85.5 m時，主壩右岸條形山下游山坡84.0 m 高程處出現滲漏點，后設置三角形量水堰及進行地勘探查。1984 年2 月完成地勘工作，并觀測庫水位96 m時，滲漏量為7～12 L/s。1984 年10 月完成防滲帷幕灌漿。經處理后，條形山滲漏有所減小，但又有逐年加大趨勢。1985 年觀測最大滲漏量為2.5 L/s，1989 年5.6 L/s，1995 年10.0 L/s，1998年16.0 L/s。大壩歷經多次維修加固，受資金和技術限制，除險加固不徹底，險情依然存在，大壩一直處于帶病運行狀態。2000 年安全鑒定，確定為Ⅲ類壩；2006 年10 月至2008 年4月，完成了水庫大壩除險加固工程，主壩及條形山進行了防滲加固處理，主壩防滲采用高噴灌漿和帷幕灌漿進行加固處理，條形山防滲采用帷幕灌漿進行處理。灌漿設單排孔，孔距2 m，灌漿終止線深5 Lu 線以下5 m，與大壩防滲帷幕連成整體。整個帷幕基本完全封閉，除險加固后實測滲漏量為0.32 L/s。

圖1 某水庫大壩剖面圖（單位：m）Fig.1 Section of a reservoir dam

水庫兩岸山體雄厚，地表高程較高，不存在低于水庫正常高水位的鄰谷，水庫區庫岸巖性主要為第四系殘坡積堆積（Qedl）棕紅色～紅褐色含碎石粉質黏土，碎石含量大于30%，粒徑一般3～5 cm。黏性土呈可塑～硬塑狀，透水性差，庫岸總體穩定，局部存在的一些松散堆積物的輕微蠕變，對水庫影響甚微，土體呈可塑～硬塑狀，具一定抗沖蝕能力。庫區沿岸雖溪流發育，但水庫周邊及各溪流內植被覆蓋較好，水土流失現象不嚴重，雨季造成水土流失現象較輕微，水庫淤積輕微。

1.2 大壩滲流監測概況

根據壩基地質條件、除險加固情況，大壩滲流監測設計3個橫斷面，即斷面0+035、0+072、0+115。0+072 為原河床最大斷面處，0+035、0+115均為除險加固前滲漏較為嚴重的部位。

0+035 斷面共設3 孔3 個測點，軸線后設1 孔1 個測點；第2孔位于92.3 m 高程壩坡上，測點位置設于壩體與壩基接觸面處；第3孔位于81.8 m高程壩坡，排水棱體前設1測點。

0+072斷面共設3孔6個測點，灌漿軸線后設1孔2個測點，壩體內設1 測點，壩基帷幕后設1 測點；第2 孔位于92.3 m 高程壩坡上，壩體與壩基各設1 個測點；第3 孔位于81.8 m 高程壩坡上，位于排水棱體前，壩體與壩基各設1個測點。

0+115 斷面共設3 孔3 個測點，軸線后設1 孔1 個測點；第2孔位于92.3 m 高程壩坡上，測點位置設于壩體與壩基接觸面處。第3孔位于81.8 m高程壩坡，排水棱體前設1測點。

各滲流監測點布置信息詳見表1。

表1 滲流監測點布置信息表Tab.1 Seepage monitoring point layout information table

2 有限元計算

2.1 計算模型

基于上述監測資料分析，為評估除險加固項目對壩體進行高噴灌漿和壩下灌漿帷幕的防滲效果，重點研究除險加固前滲漏較為嚴重的部位，建立了壩體壩基三維滲流模型，供對壩體的除險加固效果評價。三維整體有限元模型以正東方向為X軸正方向，正北方向為Y軸正方向，Z軸豎直向上。模型對均質壩壩體、壩基及壩體內高噴灌漿、壩下帷幕、左右岸防滲帷幕、及各主要地層滲透單元和河床覆蓋層等進行了較為全面的模擬，計算模型范圍如下：

（1）沿高程方向（Z向）：底部計算邊界為沿建基面向下延伸約3倍壩高；

（2）東西向（X向）：計算范圍自壩軸線中心點往東西向各取375 m（均大于10倍壩高），即模型東西向總長750 m；

（3）南北向：計算范圍自壩軸中心點往南北方向各取375 m（均大于10倍壩高），即模型南北向總長750 m。

整個有限元模型均采用8 結點等參單元進行網格剖分，可以較好地保證滲流分析的精度及成果的可靠性，模型共剖分399 739 個單元，75 302 個結點，模型采用四面體單元［4］。模型及有限元網格劃分如圖2、3所示。

圖2 三維滲流整體有限元網格圖Fig.2 3D integral finite element mesh diagram of seepage flow

圖3 典型壩段壩體結構有限元網格及材料分區示意圖Fig.3 Diagram of finite element grid and material partition of typical dam section

2.2 計算參數

（1）計算參數選取。結合工程地質報告和相關工程經驗等資料，本次滲流計算采用的綜合參數如表2。

表2 某水庫大壩三維滲流有限元計算參數選用情況Tab.2 Selection of 3D seepage finite element calculation parameters for a reservoir dam

（2）局部滲透穩定分析。根據《水庫大壩安全評價導則》SL258-2017，大壩滲流安全評價可采用現場檢查法、監測資料分析法、計算分析法和經驗類比法，宜綜合使用。本文主要使用計算分析法并結合現場檢查法與監測資料分析法進行綜合分析。通過理論方法或數值模型計算大壩滲流量、水頭、滲流壓力、滲透坡降等水力要素及其分布，繪制流網圖，評判防滲體的防滲效果，以及關鍵部位滲透坡降是否小于允許滲透坡降，滲流出逸點高程是否在貼坡反濾保護范圍內作為評判依據。

心墻土料為黏性土，其滲透變形形式主要為流土與接觸流失。本工程心墻位于壩體內部，內部滲流方向自上而下，下游設反濾層保護，可能發生滲透變形形式為接觸流失，心墻土料允許滲透坡降參照規范及經驗取4～6。

2.3 計算邊界條件

上游水庫淹沒區內的表面結點及下游水庫淹沒區內的表面結點均取為定水頭邊界，具體水位按不同蓄水位確定。模型上、下游邊界取隔水邊界，模型底部邊界也取隔水邊界。

2.4 計算工況

工況一：水庫上游為正常蓄水位98.70 m，相應下游水位為71.80 m。

工況二：水庫上游為設計洪水位100.34 m，相應下游水位71.80 m。

2.5 計算結果及分析

結合大壩特征和現有滲流觀測設施布置情況以及大壩安全監測所反映出的滲透破壞薄弱部位信息，擬對0+035斷面、0+072 斷面、0+115 斷面這三處典型剖面進行滲流計算分析，計算結果如圖4～12所示。

圖4 0+035斷面滲透坡降圖Fig.4 Permeability gradient diagram of 0+035 section

（1）0+035斷面。根據剖面滲透坡降圖可知，坡降較大的部位主要集中在壩體高噴灌漿所形成的防滲墻以及壩下帷幕，正常蓄水位情況下坡降值集中在0.33～0.75 之間，在設計洪水位情況下坡降值集中在0.44～0.80 之間，其他部位未見較大坡降。

圖5 0+035斷面等水頭線圖Fig.5 Equal head diagram of 0+035 section

圖6 0+035斷面壓力水頭及自由面分布圖Fig.6 Section pressure head and free surface distribution diagram of 0+035 section

根據剖面等水頭線圖可知，等水頭線在高噴灌漿所形成的防滲墻以及壩下帷幕處比較密集，下游相對密集，上游較為稀疏。

根據剖面壓力水頭及自由面分布圖可知，工況二的滲流自由面相較工況一有所抬升，且滲流自由面在高噴灌漿所形成的防滲墻以及壩下帷幕處急劇降低，在壩體黏土填筑區域從上游至下游均勻下降，并在排水棱體區域溢出。以上滲流狀況反映了該斷面在采取除險加固后防滲墻以及壩下帷幕防滲性能得到了較大改善。

（2）0+072斷面。根據剖面滲透坡降圖可知，坡降較大的部位主要集中在近建基面附近的壩下帷幕，工況一的坡降值集中在0.4～1.0 之間，工況二的坡降值集中在0.53～1.2 之間，其他部位未見較大坡降。主要原因考慮是工程初建時期對于基礎的清理深度不夠，加之建設期采用土墻和散碎巖體回填壩基且采用農用器具進行夯實，材料和工藝都存在技術層面的缺陷，致使壩基回填區和弱風化巖層之間存在滲漏薄弱層。灌漿帷幕厚度小于壩內高噴防滲墻厚度，從而在灌漿帷幕穿過上述滲漏薄弱層區域出現較大滲透坡降。此處出現的較大滲透坡降僅分布在帷幕及其極近的下游側，反應帷幕防滲體系運行狀態良好。

根據剖面等水頭線圖可知，等水頭線在高噴灌漿所形成的防滲墻以及壩下帷幕處比較密集，其他部位較為稀疏。

圖7 0+072斷面滲透坡降圖Fig.7 Permeability gradient diagram of 0+072 section

圖8 0+072斷面等水頭線圖Fig.8 Equal head diagram of 0+072 section

圖9 0+072斷面壓力水頭及自由面分布圖Fig.9 Section pressure head and free surface distribution diagram of 0+072 section

根據剖面壓力水頭及自由面分布圖可知，工況二的滲流自由面相較工況一有所抬升，且不同工況下的滲流自由面均在高噴灌漿所形成的防滲墻以及壩下帷幕處急劇降低，在壩體黏土填筑區域從上游至下游均勻下降，并在排水棱體區域溢出，工況二中排水棱體后方設置的塘內滲漏量較工況一有所增加。此斷面反映出防滲體系運行狀態良好，滲透規律合理。

（3）0+115斷面。根據剖面滲透坡降圖可知，工況一的滲透坡降值集中在0.2～1.2之間，工況二的滲透坡降值集中在0.2～1.3 之間，其他部位未見較大滲透坡降，滲透坡降最值出現在灌漿帷幕上部。

根據剖面等水頭線圖可知，等水頭線在高噴灌漿所形成的防滲墻以及壩下帷幕處比較密集，其他部位較為稀疏，分布合理。

圖10 0+115斷面滲透坡降圖Fig.10 Permeability gradient diagram of 0+115 section

圖11 0+115斷面等水頭線圖Fig.11 Equal head diagram of 0+115 section

圖12 0+115斷面壓力水頭及自由面分布圖Fig.12 Section pressure head and free surface distribution diagram of 0+115 section

根據剖面壓力水頭及自由面分布圖可知，工況二的滲流自由面相較工況一有所抬升，壩后塘內滲漏量有所增加。滲流自由面在高噴灌漿所形成的防滲墻以及壩下帷幕處下降明顯，在壩體黏土填筑區域下降均勻，自由面從防滲墻至下游呈現開口向下的拋物線形狀，傾斜方向與下游坡面傾向逐漸貼合，兩面之間距離也逐漸靠近，溢出點位于排水棱體上部。該斷面下游側尤其是排水棱體上部區域存在潛在滲流溢出點，滲流溢出點位置偏上的原因一方面是除險加固的規模和質量，另一方面是加固材料老化和劣化。這與實際觀測到右岸下游該斷面附近出現的滲漏現象以及安全監測機房漏水等事件相佐證。

3 基于監測資料的滲流對比分析

0+035 斷面、0+072 斷面、0+115 斷面滲壓計監測值過程線分別見圖13～15。根據監測值，上游水位在90 m 高程附近波動，滲壓計測值平穩，滲壓計反映出各處滲透壓力與上游水位大致呈正相關。

圖13 0+035斷面滲壓計監測值過程線圖Fig.13 Process diagram of the monitoring value of the osmometer of 0+035 section

參照工況一等水頭線圖，0+072 斷面埋設高程在69.5 m 的SZ2-1-2、SZ2-2-2 和SZ2-3-2 三支滲壓計在建基面以下，經過帷幕阻滲作用，滲透水頭下降顯著，SZ2-1-2 布設軸距為3 m，處于帷幕后坡降較大區域，滲透壓力大，測值在77 m水頭，沿著滲徑水頭線逐漸降低，尤其是SZ2-3-2（排水棱體上游側附近）水頭值為70 m，表明防滲系統運行狀況良好。埋設高程在73.3 m 的SZ2-2-1（軸距27.1 m）測值在78 m 高程附近，同高程軸距為56.2 m 布設的SZ2-3-1 測值降至74 m。各埋設部位滲壓計測值符合工況一等水頭線圖相應點位分布規律，表明有限元計算結果能反映出較為真實的土石壩滲流場情況。

4 結語

通過對某水庫主壩在正常蓄水位和設計洪水位兩種工況下的滲流性態進行有限元計算，以及與滲流監測資料進行對比分析可知。

（1）采用三維有限元法對大壩進行滲流計算，其結果符合實測資料的分布規律，能為大壩滲流問題分析提供可靠的依據。

（2）除險加固后的高噴灌漿防滲墻和帷幕灌漿防滲體系能正常運行，且土石壩整體的滲流規律合理。

（3）在水庫運行中，應注意大壩右岸下游測尤其是棱體排水上部區域的潛在滲流溢出點，加強對該區域的安全監測，避免影響大壩安全。

圖14 0+072斷面滲壓計監測值過程線圖Fig.14 Process diagram of the monitoring value of the osmometer of 0+072 section

圖15 0+115斷面滲壓計監測值過程線圖Fig.15 Process diagram of the monitoring value of the osmometer of 0+115 section