楊 玲,龔愛(ài)民,周 斌,彭玉林

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院,云南 昆明 650201)

0 引 言

土石壩滲流屬于復(fù)雜空間問(wèn)題,而在中小型水庫(kù)安全評(píng)價(jià)中,通常取壩體最大橫斷面,將其簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題,但受到滲流場(chǎng)各區(qū)域的土料物理力學(xué)參數(shù)、各向滲透系數(shù)以及邊界條件等因素影響,使得對(duì)滲流場(chǎng)的模擬較為粗略[1];解的唯一性不是總能得到滿足,且計(jì)算結(jié)果可能不是整個(gè)可行域中的最優(yōu)解[2].把這些參數(shù)反饋到壩體穩(wěn)定分析中,并不能準(zhǔn)確反映壩體實(shí)際情況.本文以允楞水庫(kù)大壩滲流特性分析為例,通過(guò)在實(shí)測(cè)資料下建立三維有限元模型,對(duì)大壩滲流場(chǎng)不同介質(zhì)的滲透系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化搜索反演估計(jì),然后對(duì)滲流場(chǎng)中各問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的反演計(jì)算分析和評(píng)價(jià),以期為安全評(píng)價(jià)提供理論依據(jù).

1 工程概況

允楞水庫(kù)是臨滄市一座提供工農(nóng)業(yè)用水、兼顧防洪的中型水庫(kù).主壩為均質(zhì)土壩,最大壩高30m,壩軸線長(zhǎng)444 m,壩頂寬6 m,下游設(shè)有組合式堆石排水體,設(shè)計(jì)正常工作狀態(tài)為褥墊式排水,褥墊深入壩體21.5 m.水庫(kù)于1985年底興建,于1999年在主壩設(shè)置3排共11個(gè)滲流觀測(cè)點(diǎn),具體布置見(jiàn)圖1.

根據(jù)主壩測(cè)壓管水位觀測(cè)資料 (表1)及現(xiàn)場(chǎng)勘查,滲流異常集中表現(xiàn)為:測(cè)壓管水位不能及時(shí)反應(yīng)庫(kù)水位變化、測(cè)壓管水位不遵循穩(wěn)定滲流規(guī)律且差異較大、下游壩坡水流出逸點(diǎn)位置偏高等.

圖1 允楞水庫(kù)觀測(cè)設(shè)施布置 (單位:m)

表1 測(cè)壓管水位實(shí)測(cè)值m

2 滲透系數(shù)的反演

滲流分析的主要任務(wù)是確定滲流場(chǎng)的水頭、流速分布和滲流量等基本物理量,并據(jù)此進(jìn)行相關(guān)穩(wěn)定分析[1].其中滲透系數(shù)是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù),其取值合理與否直接影響計(jì)算結(jié)果的合理性和可靠性[3].因此,安全評(píng)價(jià)中滲流分析的關(guān)鍵在于滲透系數(shù)的反演.

滲透系數(shù)反演屬于未知參數(shù)反問(wèn)題,它是由控制方程給出結(jié)構(gòu)和因變量在區(qū)域或邊界上的部分信息或完整信息,來(lái)確定方程的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)[4].本文結(jié)合鉆孔資料對(duì)壩體和壩基進(jìn)行物理分區(qū),建立有限元模型,先給定一組滲透系數(shù)作為初值,然后以多孔介質(zhì)滲流中的達(dá)西定律為基礎(chǔ),進(jìn)行有限元計(jì)算,反演土石壩體及壩基的滲透系數(shù).

2.1 穩(wěn)定滲流場(chǎng)問(wèn)題有限元解法的基本原理及方程[5]

設(shè)在滲流場(chǎng)Ω域內(nèi)滿足不可壓縮流體的達(dá)西滲流的控制方程及定解條件:div(k▽h)=0.假定Ω?R3,Ω是其邊界,則?Ω包括3個(gè)部分:不透水邊界S1,同大氣接觸的邊界S2,已知水頭值的邊界S3.如果用P表示Ω中的飽和部分,則P的邊界?P包括4個(gè)部分Ti(i=1~4):不透水邊界T1,自由面邊界T2,已知水頭邊界T3,以及溢出面邊界T4.將上式用直角坐標(biāo)系表示為

其邊界條件可歸納為

式中,h為總水頭函數(shù);kx,ky,kz分別為與坐標(biāo)軸x,y,z同向的主滲透系數(shù);ht0,ht和qn分別為邊界上的已知水頭和流量條件;L1、L2為P域上已知水頭及流量條件的面域;t為時(shí)間;nx,ny,nz分別為L(zhǎng)2的外法線方向余弦.

,1j))與實(shí)測(cè)值(ht(

,0j))進(jìn)行最優(yōu)擬合,即式中,ai和bi為t時(shí)刻第i個(gè)參數(shù)變量及其可能的上下限值;分別為第j個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水位hi在t時(shí)刻的計(jì)算值及實(shí)測(cè)值;m為測(cè)次數(shù);n為測(cè)點(diǎn)數(shù);M為反演參數(shù)的個(gè)數(shù) (分區(qū)數(shù)).

2.2 滲透系數(shù)初始值選取

滲透系數(shù)通常通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)鉆孔原位測(cè)試得到.室內(nèi)試驗(yàn)由于試樣的擾動(dòng)及 "尺寸效應(yīng)"的影響,測(cè)出的系數(shù)并不能代表真實(shí)情況;而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)離散性大、缺乏代表性.兩種方法都只能反應(yīng)取樣點(diǎn) (或原位測(cè)試點(diǎn))附近的巖土體特性[6].鉆孔原位壓 (注)水試驗(yàn)成果更能反映壩體現(xiàn)狀的滲透特性,故確定選取作為滲透系數(shù)的初始值,通過(guò)測(cè)壓管水位反演得到巖土體滲透系數(shù).各區(qū)域滲透系數(shù)計(jì)算初始值見(jiàn)表2.

表2 各計(jì)算區(qū)域滲透系數(shù)計(jì)算初值及三維反演結(jié)果

2.3 反演結(jié)果及檢驗(yàn)

取上下游向布置的浸潤(rùn)線測(cè)壓管為優(yōu)化反演計(jì)算的實(shí)測(cè)水位測(cè)壓管,本次地勘鉆孔為優(yōu)化估計(jì)值的后驗(yàn)水位測(cè)壓管.建立三維有限元計(jì)算網(wǎng)格時(shí),網(wǎng)格采用混合空間四面體和六面體,模擬x,y,z3個(gè)方向的滲流特性,每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有一個(gè)水頭自由度,上下游水頭、測(cè)管水位作為邊界條件.

由于水庫(kù)水量平衡中的各分項(xiàng)隨時(shí)間發(fā)生變化,導(dǎo)致水庫(kù)中水位的不斷變化,形成壩體的非穩(wěn)定滲流.但在實(shí)際工程中,庫(kù)水位與時(shí)間的關(guān)系難以準(zhǔn)確掌握,在一個(gè)庫(kù)水位變化較小的較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi),可簡(jiǎn)化計(jì)算,將滲流場(chǎng)近似為穩(wěn)定滲流場(chǎng).

2006年底至2007年初的枯水期間水位變化小,庫(kù)水位約1 096.65 m,下游無(wú)水,此時(shí)期大壩滲流性態(tài)接近穩(wěn)定滲流流態(tài),且水庫(kù)已蓄水16年,其輸入輸出信息較適用于穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算模型.三維計(jì)算模型的滲流逆問(wèn)題最優(yōu)解見(jiàn)表2,二維計(jì)算有若干組結(jié)果,部分見(jiàn)表3.

表3 各計(jì)算區(qū)域滲透系數(shù)二維反演結(jié)果(部分)

根據(jù)最優(yōu)解,計(jì)算得到本次地勘鉆孔期間庫(kù)水位達(dá)1 095.60 m時(shí)滲流場(chǎng)中各鉆孔水位,鉆孔內(nèi)水位的反演值與實(shí)測(cè)值的基本吻合.可見(jiàn)滲透系數(shù)反演結(jié)果為反演最優(yōu)估計(jì)值,可用來(lái)進(jìn)一步反演計(jì)算分析大壩滲流場(chǎng)的真實(shí)性態(tài).

3 滲流狀態(tài)分析

3.1 庫(kù)水位對(duì)測(cè)壓管水位的滯后作用

由觀測(cè)資料可知,測(cè)壓管水位不能及時(shí)反映庫(kù)水位的變化.具體原因?yàn)?①反演得出的壩土滲透系數(shù)為1.16X10-5cm/s,屬弱透水性,滲透阻力較大,嚴(yán)重影響了水壓力的傳遞;②庫(kù)水位的變化引起滲流場(chǎng)內(nèi)水壓力變化,水壓力并不按照巴斯卡原理瞬時(shí)傳遞,而是有一定的滯后現(xiàn)象;③壩身填筑質(zhì)量不均勻、密實(shí)度低、細(xì)粒含量較高、成層現(xiàn)象明顯,直接影響到水壓力的傳遞時(shí)間;④當(dāng)自由面隨時(shí)間變化時(shí)處于自由面變動(dòng)范圍內(nèi)的土體孔隙的充 (放)水需要相應(yīng)的時(shí)間;⑤庫(kù)水位不斷變化,在某一水位條件下形成穩(wěn)定滲流需要一定時(shí)間[7-8].

3.2 出逸點(diǎn)位置偏高

根據(jù)觀測(cè)資料可知,靠近棱體的測(cè)壓管 (觀7、觀11)水位遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值.敏感性分析可知,浸潤(rùn)線及出逸點(diǎn)位置對(duì)組合式堆石排水體的透水能力較為敏感,其中對(duì)褥墊尤為敏感,由測(cè)管水位可推測(cè)排水褥墊已堵塞失效,根據(jù)反演分析結(jié)果 (褥墊滲透系數(shù)4.1X10-4cm/s、棱體滲透系數(shù)3.4X10-3cm/s),證實(shí)排水褥墊堵塞失效、棱體式排水也出現(xiàn)堵塞但未完全失效,導(dǎo)致測(cè)管水位高于設(shè)計(jì)值及出逸點(diǎn)位置偏高;加之水庫(kù)已蓄水多年,壩土經(jīng)多年浸水飽和,當(dāng)上游水位發(fā)生變化時(shí),由于測(cè)壓管水位的嚴(yán)重滯后,導(dǎo)致浸潤(rùn)線居高不下.

3.3 測(cè)壓管水位異常

分析觀測(cè)資料,測(cè)壓管水位不遵循穩(wěn)定滲流規(guī)律且差異較大:①位于同一縱斷面上的觀2、觀5、觀9測(cè)管水位呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的現(xiàn)象,且位于右壩肩的觀2異常低于觀5和觀9,最大水位差為5.343 m;②觀6測(cè)管水位明顯高于觀10,最大水位差為3.311 m;③觀7與觀11測(cè)管水位關(guān)系從2004年開(kāi)始出現(xiàn)本質(zhì)變化,從原來(lái)的觀7高于觀11轉(zhuǎn)變?yōu)橛^11高于觀7,且差值較大,最大水位差為4.966 m;④ZK5孔內(nèi)水位明顯高于ZK7,最大水位差為5.74 m;⑤ZK3鉆孔水位明顯低于位于壩頂?shù)钠渌@孔水位,最大水位差高達(dá)11.10 m.

分析表明:①各管受上游水位影響密切,未發(fā)生堵塞;②封堵的原輸水涵管附近的測(cè)壓管 (或鉆孔)水位對(duì)涵管的滲漏較為敏感,表明涵管發(fā)生滲漏,出口滲漏尤為嚴(yán)重.

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)允楞水庫(kù)大壩滲流特性進(jìn)行反演計(jì)算分析,可以得到:

(1)基于實(shí)測(cè)資料,三維有限元反演分析滲透系數(shù)準(zhǔn)確、唯一,反映工程實(shí)際狀況,可以用來(lái)對(duì)大壩作出較為正確的評(píng)價(jià).

(2)在實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上,要合理分析資料的準(zhǔn)確性,去偽存真,以正確評(píng)價(jià)壩體的安全狀態(tài).

(3)基于實(shí)測(cè)資料的三維有限元反演分析,可開(kāi)發(fā)成相對(duì)固定成熟的模式,逐步應(yīng)用于中小型工程的分析計(jì)算,對(duì)水庫(kù)的安全評(píng)價(jià)有著重要意義.

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