孔 偉 周援衡 孫 志

（長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院 長沙市 410076）

1 概述

紅旗水庫位于湘陰縣玉華鄉(xiāng)長湖村的熊家組和張家沖組，水庫所在河流屬湘江水系洋沙湖支流。壩址下游距玉華鄉(xiāng)政府2.0 km，距湘陰縣城13.0 km。水庫于1958年10月動(dòng)工興建，1966～1967年續(xù)建，1970年建成蓄水運(yùn)行，直接保護(hù)人口5 600人，保護(hù)耕地280 hm2（4 200畝）。水庫控制集雨面積3.1 km2，總庫容271.62萬m3。是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的?。á瘢┬退畮臁屑~工程主要由主壩、副壩、輸水高涵、輸水低涵、溢洪道建筑物組成。主壩頂高程為88.50 m，壩頂寬4 m，最大壩高19.3 m，壩軸線長241。上游壩坡為二級(jí)坡，一級(jí)平臺(tái)高程為81.00 m，寬為1.5 m；壩坡坡比自上而下分別為1∶2.25、1∶2.5，上游壩坡在高程（81.00～87.00）m 為預(yù)制塊護(hù)坡。下游壩坡分二級(jí)，一級(jí)平臺(tái)高程為77.50，寬為2.0 m；壩坡坡比自上而下分別為 1∶2.5、1∶2.75，下游壩坡為草皮護(hù)坡。

該水庫屬“三邊”工程，先天不足，加之運(yùn)行多年，建管不到位，工程留下許多隱患。主壩外坡左側(cè)高程74.5 m處有5處濕潤散浸，其中2處滲水水流渾濁并有細(xì)粉粒帶處地表，屬非正常滲漏，右端有3處濕潤散浸。主壩右、左兩岸壩肩接觸處坡腳均見一股滲漏水，其流量約（0.04~0.08）L/s。

根據(jù)壩體的險(xiǎn)情位置情況，防滲加固措施為沿主壩壩頂中心線上游19.5 m（一級(jí)平臺(tái)81.0 m高程）處作壩體高壓旋噴灌漿，構(gòu)筑防滲墻，高噴下緣抵相對不透水層。高噴防滲墻頂緣至壩頂鋪設(shè)復(fù)合式土工膜；高噴噴射直徑為1.5 m，間距1.25 m。高壓旋噴灌漿向壩左右岸延伸，使壩身、壩頭、壩基形成封閉、連續(xù)的防滲體系。

本文根據(jù)2009年主壩防滲加固措施，運(yùn)用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所的滲流穩(wěn)定分析軟件，采用有限元法計(jì)算分析加固前后的主壩滲流性態(tài)，評價(jià)防滲加固措施的效果。

2 主壩除險(xiǎn)加固前后的滲流計(jì)算

2.1 計(jì)算原理

在一定條件下,考慮土和水的壓縮性,土石壩平面滲流（二維滲流）問題符合Dancy定律的各向異性連續(xù)體的滲流［1］,其基本方程為：

上式為非穩(wěn)定滲流基本方程式。當(dāng)為穩(wěn)定滲流時(shí),假定水和土均不可壓縮,即 =0時(shí)，式（1）變?yōu)椋?/p>

當(dāng)滲透系數(shù)為常數(shù)時(shí)，上式為：

若為各向同性，kx=ky=kz，則式（3）變?yōu)?Laplace 方程：

式中h——水頭函數(shù)；

x、y、z——空間坐標(biāo)；

t——時(shí)間坐標(biāo)；

kx、ky、kz——分別是以x、y、z軸為主軸方向的滲透系數(shù)；

Ss——單位存儲(chǔ)量。

2.2 有限元計(jì)算方法［1］

對滲流場計(jì)算域進(jìn)行有限元離散,采用三結(jié)點(diǎn)的三角形單元和線性插值函數(shù),線性代數(shù)方程組用改進(jìn)平方根法求解,方程（1）對應(yīng)的有限元平衡方程組為：

式中[K]——總滲透矩陣,其元素由kx、ky、kz及單元結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)決定；

[S]——由Ss及單元結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)決定的矩陣,為Ss的線性式；

[P]——由給水度及非穩(wěn)定滲流自由面邊界單元結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)所決定的矩陣；

{F}——已知常數(shù)項(xiàng)列陣,由已知結(jié)點(diǎn)水頭得出；

{h}t——時(shí)刻的滲流水頭。

當(dāng)上式中矩陣[S]等于零時(shí)，得不可壓縮土體的非穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算公式。

穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算公式為式（6）特列，不計(jì)時(shí)間項(xiàng)且[S]、[P]矩陣均為零時(shí)，其有限元計(jì)算公式如下：

2.3 計(jì)算參數(shù)

高壓旋噴滲透系數(shù)取1×l0-6cm／s。土工膜因滲透系數(shù)很?。?.17×10-12cm／s），厚度很?。?.4 mm），因此在利用復(fù)合土工膜作防滲體土石壩的有限元滲流計(jì)算中,難以對其進(jìn)行模擬。有關(guān)文獻(xiàn)提出［1］,復(fù)合土工膜按當(dāng)量滲透系數(shù)處理,即把復(fù)合土工膜看做具有一定滲透系數(shù)而厚度較大的等效土體。可換算為滲透系數(shù)2.04×10-6cm／s的2 m厚粘土層進(jìn)行計(jì)算。壩體材料滲透系數(shù)見表1。

表1 壩體材料滲透系數(shù)表 cm/s

2.4 結(jié)果分析

基于上述的滲流模型,采用有限元法，選擇主壩設(shè)計(jì)典型橫斷面為計(jì)算斷面，按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）進(jìn)行各工況下主壩滲流計(jì)算。水庫防滲加固后主壩典型斷面滲流分析主要滲流性態(tài)的比較如表2。主壩加固前后設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流復(fù)核結(jié)果見圖1、圖2，其它各工況穩(wěn)定滲流期與非穩(wěn)定滲流期計(jì)算結(jié)果圖從略。

3 評價(jià)及結(jié)論

（1）根據(jù)二維有限元計(jì)算，加固前后，在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位下，上、下游壩坡逸出處的最大滲流坡降均小于按規(guī)范計(jì)算該壩體允許滲透坡降值0.65，可見滲透坡降滿足規(guī)范要求。

表2 水庫主壩加固前后滲流性態(tài)比較表

圖1 主壩（加固前）穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖

圖2 主壩（加固后）穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖

（2）水庫加固前，當(dāng)庫水位較高時(shí)，壩體內(nèi)浸潤面較高，壩體滲流在下游坡出逸，且逸出點(diǎn)位置較高，導(dǎo)致大壩下游邊坡存在多處較大面積濕潤散浸，滲流性態(tài)不滿足要求；水庫防滲加固后，壩體上、下游側(cè)的浸潤面都明顯下降，壩體在下游坡不產(chǎn)生出逸，有效解決了壩體下游的散浸現(xiàn)象，改善了壩體的運(yùn)行狀況。

（3）防滲加固后，在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位下，壩體滲透坡降有較大程度減小，壩體的滲透穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。

（4）防滲加固后，在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位下，大壩典型斷面的單寬流量分別減小了87.10%、87.01%、87.17%。可見防滲效果極為明顯。

綜上所述紅旗水庫壩體采用復(fù)合式土工膜結(jié)合高壓旋噴灌漿的防滲加固措施，有效地解決了壩身滲透系數(shù)較大、壩身滲漏嚴(yán)重的問題，改善了壩體的運(yùn)行狀況。因此，防滲加固措施的效果良好。

1毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制［M］.北京:中國水利水電出版社,2000.