王海波 ，陳吉森

（1.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

滲流是影響土石壩安全運(yùn)行的 1 個重要因素，發(fā)生的眾多工程安全問題中有很大一部分是由于滲流引起的，所以正確地進(jìn)行滲流分析是解決好巖土工程設(shè)計的一項(xiàng)重要工作。

2001 年以來，隨著國家對病險水庫除險加固的重視，國家和各級地方政府陸續(xù)投入大量資金，對病險水庫進(jìn)行大規(guī)模的除險加固。各水利科研部門、施工單位對大壩防滲能力薄弱的問題也進(jìn)行了深入研究，并推出許多處理方法和施工工藝，如粘土套井回填、大壩土工膜防滲處理、劈裂灌漿防滲、混凝土防滲墻等以降低大壩的浸潤線和出逸坡降，從而保證大壩的滲透穩(wěn)定。

2003 年以來，浙江省全面貫徹落實(shí)“千庫保安”工作部署，積極推進(jìn)水庫除險加固和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。設(shè)計中，多數(shù)水庫采用了防滲墻加固方案。設(shè)計時，一般要求防滲墻入巖（或深入相對不透水層）深度為 0.5～1.0 m，但在施工過程中，往往對入巖面判定不清，施工記錄比較模糊，這就可能造成防滲墻入巖深度不足甚至有可能根本未入巖，由此使防滲墻底部與巖基（或相對不透水層）之間，仍留有 1 層滲流薄弱環(huán)節(jié)，從而違背了設(shè)計的初衷。本文依托浙江省通濟(jì)橋水庫除險加固工程，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)測值進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)設(shè)計施工效果。

1 工程概況

通濟(jì)橋水庫位于錢塘江支流浦陽江上游，壩址以上流域面積 104.5 km2，主流長 17.7 km。水庫正常蓄水位 108.60 m（985 國家高程基準(zhǔn)，下同），總庫容 8097 萬 m3，電站裝機(jī)容量 1.76 MW，設(shè)計年發(fā)電量為 400 萬 kW·h，是 1 座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電等綜合利用的重要中型水利工程。

原大壩為粘土心墻砂殼壩，除險加固前，存在的主要問題是大壩心墻不滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行防滲處理。針對工程特點(diǎn)，采取在壩頂防浪墻下游距壩軸線 1.0 m 處設(shè)置 1 道厚 0.8 m 的塑性混凝土防滲墻，防滲墻入巖深度為 0.5 m，防滲墻 2 岸設(shè)岸墻，防滲墻及岸墻以上設(shè) C20 混凝土頭墻。防滲墻頭墻與壩頂防浪墻連接，對防滲墻、2 岸岸墻及壩頭基礎(chǔ)進(jìn)行帷幕灌漿處理，形成封閉的防滲系統(tǒng)。

2 計算原理及模型

為了檢驗(yàn)設(shè)計方案在防滲方面的合理性，根據(jù)工程設(shè)計及勘察資料，建立三維有限元模型進(jìn)行模擬計算。

2.1 基本方程

在符合達(dá)西定律的各向異性的連續(xù)介質(zhì)中的三維空間穩(wěn)定滲流，應(yīng)滿足下列滲流的基本微分方程：

式中：Kx，Ky，Kz分別為滲流介質(zhì)在 x，y，z 方向的滲透系數(shù)；O 為單位邊界表面的流出或流出量；y 為計算點(diǎn)的縱坐標(biāo)高度；H 為水頭函數(shù)。

2.2 邊界條件

式中：Γ1為上下游及滲出面邊界之和；Γ2為不透水邊界；n 為 Γ2的外法線方向；Kn為 n 方向的滲透系數(shù)；t 為時間。

對于無壓滲流的自由面邊界除應(yīng)滿足式 (3) 外，還需滿足：H = y 。

2.3 計算模型及參數(shù)

由施工設(shè)計階段提供的大壩地質(zhì)資料，結(jié)合施工設(shè)計中攔河壩斷面的相關(guān)尺寸選取了K0 + 100～K0 + 250 區(qū)域，運(yùn)用 GEO-Studio 軟件建立三維數(shù)值計算模型，計算工況為正常蓄水位時的穩(wěn)定滲流情況。各土層材料的滲透性系數(shù)如表1 所示，計算網(wǎng)格圖如圖 1 所示。

表1 土層材料滲透性系數(shù) cm/s

圖1 計算網(wǎng)格圖

3 計算結(jié)果分析

通過 GEO-Studio 的 SLOPE-3D 模塊計算得到混凝土防滲墻施工后壩體的理論滲流場水頭分布，分布云圖如圖 2 所示，模型切面滲流場水頭、水壓力等值線圖如圖 3 所示。

圖2 滲流場水頭分布云圖

圖3 模型切面滲流場水頭、水壓力等值線圖

大壩除險加固前，攔河壩心墻粘土屬高分散性土，填筑質(zhì)量差，滲透系數(shù)低于規(guī)范要求，尤其是0 + 110～0 + 240 壩段高程 92～108 m 范圍，粘土心墻滲透系數(shù)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求，部分測壓管水位與庫水位同步性好，沒有明顯滯后時間，且管內(nèi)水位與庫水位十分接近，近年來測壓管的時效分量呈上升趨勢，可能存在滲透變形；壩基粘土截水槽底寬僅為 4 m，槽底最大接觸滲透比降達(dá) 8.5，遠(yuǎn)超過其允許值，加之截水墻土料屬分散性土，壩基砂礫石為管涌土，接觸面無反慮層保護(hù)，難以保證滲流穩(wěn)定。

經(jīng)模擬計算后，從計算結(jié)果可以看出采用防滲墻除險加固措施后，理論上壩體浸潤線有明顯下降，大壩安全性得到提高，壩體滲漏問題得以解決，加固后單寬滲流量理論值為 4.25 cm3/s，且計算結(jié)果表明不會產(chǎn)生接觸沖刷等滲流破壞問題。

4 原型觀測結(jié)果分析

大壩除險加固時，布置 1 套 DG-2005 型智能分布式大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，分別在壩 0+075，0+145 及0+235 設(shè)置了 3 個滲流原型觀測斷面。每個斷面分別在壩軸線上游 0+010.0，0+002.5 m，壩軸線下游側(cè)0+002.5，0+010.0，0+032.5 m 及下游 1 級馬道 0+064.5 m 這 6 個位置共埋設(shè)了 11 只滲壓計，用以觀測壩體的滲流情況，布置剖面示意圖如圖 4 所示。

圖4 壩體滲流觀測儀器布置剖面示意圖

2007年1 月至 2009年 3 月，利 用 MCU-2M 型智能采集模塊對工程施工期及運(yùn)行期進(jìn)行了自動觀測，其中某日壩體實(shí)測浸潤線如圖 5 所示，壩體滲流觀測資料整理結(jié)果如圖 6 所示。

圖5 某日壩體實(shí)測浸潤線示意圖

圖6 壩體防滲墻上、下游測點(diǎn)與庫水位時間序列曲線

從圖 5 可以看出，實(shí)測浸潤線與理論計算值有所差別，主要反映在：墻后實(shí)測總水頭比理論值高出約 10 m，防滲墻對壩體水頭削弱程度與設(shè)計預(yù)想有較大出入；觀測斷面處，防滲墻下游側(cè)土體，特別是壩體填筑砂壤土起到了一定的防滲作用，浸潤線形態(tài)比模型計算結(jié)果陡一些；壩腳逸出點(diǎn)高程實(shí)測為 78.3 m 左右，比模型計算值高出 2.0 m 左右。

從圖 6 各曲線可以看出：防滲墻上游側(cè)各測點(diǎn)水頭（如G1-4）與庫水位的相關(guān)性較好，而下游側(cè)應(yīng)測位置的測點(diǎn)的水頭與庫水位的相關(guān)性相對較弱，各測點(diǎn)之間的水頭差在 14～15 m 之間，說明防滲墻起到一定的防滲作用，但是墻上下游各對應(yīng)位置測點(diǎn)的水頭歷時曲線顯示出它們之間的相關(guān)性相當(dāng)高，特別是如 G2-5 與 G2-8 這 2 點(diǎn)，水頭升降步調(diào)一致，且無滯后性，說明 2 點(diǎn)之間具有較好的連通通道，即防滲墻底部可能存在薄弱環(huán)節(jié)。日后對這些測點(diǎn)應(yīng)加強(qiáng)觀測，防止產(chǎn)生接觸滲流破壞。

5 觀測結(jié)果反演計算

根據(jù)某日實(shí)測浸潤線，采用同樣的計算模型，計算邊界條件為：上游固定水頭邊界，下游側(cè)各測點(diǎn)埋設(shè)位置水頭已知，假定混凝土防滲墻與壩基存在一薄弱層，厚度為 10 cm，則可根據(jù)定解條件反算得到該薄弱層的滲透性系數(shù) K。

計算得到的大壩水頭及滲透比降分布如圖 7 所示。薄弱層的 K 值為 3.2×10-5cm/s，接觸帶最大滲透比降為 0.57。

圖7 反演計算得到的大壩水頭分布圖

6 結(jié)語

通過現(xiàn)場原型觀測數(shù)據(jù)與三維理論數(shù)值模型計算結(jié)果對比分析，得出除險加固后，防滲墻起到了一定的防滲作用，但可能由于部分槽段所處的基巖較破碎或槽段中局部成渣較多但沒得到有效處理，導(dǎo)致防滲墻防滲效果有一定程度地削弱，大壩實(shí)測浸潤線比設(shè)計預(yù)想要高。

實(shí)際上在防滲墻施工過程中，一般采用沖擊鉆進(jìn)等方式造孔，對基巖面不容易判定，極易造成防滲墻入巖深度不足甚至有可能根本未入巖，從而在防滲墻底部與巖基之間留有滲流薄弱夾層。因此，防滲墻施工中，要保證墻體的連續(xù)與完整，特別要處理好墻體與墻體之間的搭接及墻體與壩基的銜接。同時要提高現(xiàn)場施工地質(zhì)人員對基巖面的判定經(jīng)驗(yàn)。

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