杜 澤

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院，云南昆明 650500)

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基于有限差分計算的某水庫大壩滲流場穩(wěn)定性分析

杜 澤

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院，云南昆明 650500)

摘要為了對云南某水庫大壩滲流穩(wěn)定性進(jìn)行評價分析，運(yùn)用基于有限差分原理的Visual Modflow軟件進(jìn)行滲流場數(shù)值模擬。結(jié)果得出，壩體內(nèi)部浸潤線較低，穩(wěn)定性較好；下伏地層二疊系灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，滲流速度較大，最大滲流速度出現(xiàn)在壩體上游坡腳處。此外，該壩體兩側(cè)后壩腳，沿管壁均有較集中的滲水點(diǎn)，說明壩體土與管壁的接縫處理較差，在長期滲水或在高水位情況下，將會進(jìn)一步加劇接縫的擴(kuò)大發(fā)展趨勢，易導(dǎo)致管壁周邊土體產(chǎn)生接觸沖刷型的滲透破壞現(xiàn)象，進(jìn)而影響水庫運(yùn)行及壩體穩(wěn)定。針對所出現(xiàn)的問題，提出2點(diǎn)建議：一是增加壩基填土的厚度，防止庫水過多滲入下伏地層，最大程度避免土體液化現(xiàn)象出現(xiàn)；二是嚴(yán)格監(jiān)測二疊系灰?guī)r地層中的巖溶現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)較大規(guī)模的溶洞，應(yīng)及時進(jìn)行灌漿處理，以防地基出現(xiàn)坍塌下沉，從而威脅大壩的安全。

關(guān)鍵詞水庫大壩；有限差分；滲流場；穩(wěn)定性

Analysis of the Seepage Stability of a Reservoir Dam Based on Finite Difference Calculation

DU Ze (Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry, Kunming, Yunnan 650500)

Abstract The seepage stability of a reservoir dam in Yunnan Province was analyzed.Numerical simulation of seepage field was carried out by Visual Modflow software based on finite difference theory.Results showed that seepage line inside the dam was lower with better stability; there was karst fissure in underlayer permian limestone, which had greater seepage velocity.The maximum seepage velocity appeared in the upstream toe of the dam.In addition, seepage points concentrated in both sides of the dam foots, indicating that the joint treatment was poor between dam earth and tube wall.Long-term water seepage at a high water level further expanded the juncture, easily led to the infiltration and sabotage phenomena in soils around the tube wall, and affected the reservoir operation and the dam stability.Based on these, two suggestions were put forward.First, the thickness of dam filling should be increased, so as to prevent excessive infiltration of reservoir water into the underlying strata, and to avoid the phenomenon of soil liquefaction in the greatest degree. Second, karst formation in underlayer permian limestone should be strictly monitored.Once the large karst cave appears, grouting treatment should be carried out on time in order to prevent ground subsidence and collapse, and to avoid the threatening to dam safety.

Key wordsReservoir dam; Finite difference; Seepage field; Stability

水利工程是用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，達(dá)到興利除害的工程，它的運(yùn)行安全關(guān)系國計民生。在我國，眾多舉世矚目的水利工程不僅肩負(fù)著蓄能、發(fā)電、防洪及灌溉的重要任務(wù)，也在很大程度上推動了我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[1]。在水利工程帶給人們巨大利益的同時，其安全穩(wěn)定性也變得十分重要，潰壩不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重威脅著人民群眾的財產(chǎn)安全。在水庫大壩穩(wěn)定性評價中，滲流穩(wěn)定性是其中一個重要的方面。

云南省某水庫大壩地處巖溶裂隙廣泛發(fā)育的灰?guī)r區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，因此對其大壩滲流穩(wěn)定性分析評價十分必要。目前，對水庫影響區(qū)的地下水滲流場分析是通過建立該地區(qū)的數(shù)值模型來模擬地下水滲流場，主要的模擬軟件有Geo-Seep、GMS、Visual Modflow、Feflow等，其中Visual Modflow因其可視化界面和易操作等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。筆者運(yùn)用該軟件建立庫區(qū)二維模型，并對其滲流場進(jìn)行模擬分析，以期為工程的安全運(yùn)營提出合理建議。

1工程地質(zhì)條件

1.1地形地貌樞紐區(qū)處于地形寬緩的河谷，屬橫向谷，兩岸為低矮山包，山頂較平緩開闊，左岸山坡較緩，坡度一般10°～15°，主要為旱地及聯(lián)接兩岸和壩頂?shù)谋愕馈Ｓ野渡狡螺^陡，坡度一般30°～60°，主要為林地。沖溝不發(fā)育，受構(gòu)造影響，右岸局部坍塌，地形完整性較差。攔河壩為均質(zhì)土壩，壩頂長約220 m，壩頂高程為1 750.03~1 751.72 m，中間稍低，兩端略高。

1.2.2二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)。灰、淺灰、深灰色厚～中厚層狀灰?guī)r、虎斑狀白云質(zhì)灰?guī)r，局部夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r，出露于水庫區(qū)下游。

1.2.3第四系覆蓋層(Q)。水庫區(qū)第四系地層分布較廣，有殘坡積層(Qedl)、沖洪積層(Qal+pl)、湖積層(Ql)。殘坡積層(Qedl)：紅褐色黏土夾少量碎、礫石，厚度一般0~10 m，廣泛分布于水庫周邊山坡。湖積層(Ql)：深灰、黑灰色有機(jī)質(zhì)黏土及淤泥，估計厚度一般1～4 m，分布于庫區(qū)內(nèi)。沖洪積層(Qal+pl)：深灰、褐灰色黏質(zhì)礫砂、礫質(zhì)砂土，混雜少量孤石、卵石，厚度一般2~12 m，分布于庫區(qū)右側(cè)的原河床及下游一帶。

1.3地質(zhì)構(gòu)造樞紐區(qū)沿兩岸壩肩為陡傾上游的斷層(F101)通過，斷層兩側(cè)巖層優(yōu)勢產(chǎn)狀為N20°～45°E，NW∠3°～15°不等，總體向上游緩傾，接近主干斷裂帶的巖層牽引褶曲想象明顯。樞紐區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，主要有緩傾角順層節(jié)理和2組陡傾角節(jié)理，溶隙亦主要沿此3組節(jié)理發(fā)育：①N20°～45°E，NW∠3°～15°，間距50～150 cm，延伸一般>5 m，面多張開夾泥。②N35°～60°E，NW∠80°～90°，間距30～80 cm，延伸一般>2 m，面上多有鈣膜，黏土充填。③N20°～50°W，NE∠80°～90°，間距50～200 cm，延伸一般>2 m，面上多有鈣膜。

1.4水文地質(zhì)樞紐區(qū)水文地質(zhì)條件與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切。根據(jù)壩址一帶地下水賦存條件，第四系松散層孔隙潛水主要賦存于兩岸坡面的殘坡積層(Qedl)、壩體填筑土(Qs)以及壩體下部原河床的沖洪積層(Qal+pl)中，其中殘坡積層及壩體土以黏性土為主、富水性差，沖洪積層(Qal+pl)中混雜有砂卵礫石及有機(jī)質(zhì)，富水性相對較強(qiáng)，是地下水的主要運(yùn)移通道之一。

水庫水來源主要為庫尾的一條常年流水溝，以及周邊大氣降水的地表匯入及入滲補(bǔ)給。根據(jù)水庫區(qū)地下水賦存條件，水庫區(qū)庫盆及其周邊主要為砂泥巖區(qū)，水庫區(qū)地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水及基巖裂隙潛水，庫區(qū)下游主要為灰?guī)r區(qū)，地下水類型主要為管、脈狀喀斯特水。

2滲流場數(shù)值分析

2.1剖面選擇及模型概化根據(jù)工程區(qū)概況，筆者將計算區(qū)域下伏地層概化為寒武系強(qiáng)風(fēng)化泥巖(1c)、二疊系灰?guī)r(P1m)、第四系沖洪積層(Qal+pl)和壩基填土(Qs)4種介質(zhì)，連同壩體共5種介質(zhì)。對于斷層的處理，通常有2種方法：一是應(yīng)用Modflow軟件中的WALL阻隔邊界[2]來進(jìn)行模擬，另一種是通過賦予不同的滲透系數(shù)來進(jìn)行模擬[3]。但是考慮到斷層對該工程區(qū)的具體作用(阻水或?qū)?目前并不明確，不能盲目使用WALL邊界來進(jìn)行模擬，因此，這里采用第2種方法，將斷層作為一種介質(zhì)來處理。這樣，總體上便將計算區(qū)域共概化為6種介質(zhì)，建立模型如圖1，較為全面地覆蓋了工程區(qū)內(nèi)的所有地層。

注：①為寒武系強(qiáng)風(fēng)化泥巖(1c)；②為二疊系灰?guī)r(P1m)；③為斷層；④為第四系沖洪積層(Qal+pl)；⑤為壩基填土(Qs)；⑥為壩體；⑦為無效區(qū)域；平距和高程單位均為米(m)。Note: ① was Cambrian intense-weathered mudstone(1c); ② Permian limestone (P1m); ③ Fault; ④ Quaternary alluvial-proluvial layer (Qal+pl); ⑤ Dam filling (Qs); ⑥ Dam body; ⑦ Invalid region.Units of horizontal distance and elevation were both “m”.圖1　計算剖面概化模型Fig.1　Calculation of profile generalized model

該模型全長125 m，底部標(biāo)高1 820 m，壩體高10 m。單元網(wǎng)格0.5 m×0.5 m，共劃分單元25 000個，其中有效計算區(qū)域單元21 030個。

2.2邊界條件及計算參數(shù)確定根據(jù)勘察報告，壩體后方為水庫，水位高2 857 m，可設(shè)置為給定水頭邊界[4]，壩體下游壩面為給定流量邊界。各壩體材料滲透系數(shù)如表1所示。

表1　模型材料滲流計算參數(shù)取值

3計算結(jié)果與分析

計算采用PCG解算器，最小迭代次數(shù)10次，最大迭代次數(shù)25次，計算收斂精度為0.01，計算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，整個庫區(qū)大壩內(nèi)部水頭向壩體下游方向逐漸變小，水流整體向下游運(yùn)移。壩體內(nèi)部滲流速度較小，浸潤線埋深較大，因此壩體穩(wěn)定性較好。壩體上游方向地層內(nèi)滲流速度較小，說明壩基填土(Qs)起到了一定的防滲作用；最大滲流速度出現(xiàn)在壩體上游壩腳，為4.9×10-5m/s，可能原因是此處壩基填土較薄，防滲作用并不明顯；壩體下伏地層第四系沖洪積層(Qal+pl)和二疊系灰?guī)r(P1m)中滲流速度較大，究其原因是二者地層滲透性較好。另外，由于灰?guī)r具有易被淋濾、溶蝕，堅硬性脆，節(jié)理裂隙發(fā)育的特性，從而容易出現(xiàn)大規(guī)模連通溶洞，因此，該地層實(shí)際的滲流速度更大。斷層處，并無明顯滲流現(xiàn)象，因此斷層的存在對整個庫區(qū)的影響并不大。

4壩體滲流穩(wěn)定性評價及建議

注：平距和高程單位均為米(m)。Note: Units of horizontal distance and elevation were both “m”.圖2　計算結(jié)果Fig.2　Calculation results

壩體填筑層(Qs)，人工堆積壩體土，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，壩體下游坡面大部分較干燥，壩體滲漏現(xiàn)象并不明顯，其原因是壩前蓄水位較低(1 857.05 m)且變幅不大；壩體土為弱～微透水，基本滿足壩體防滲要求，能發(fā)揮正常的阻水作用； 該壩體兩側(cè)后壩腳，即右側(cè)輸水涵洞及左側(cè)的輸水管出口處，沿管壁均有較集中的滲水點(diǎn)，Q右≈2.0~3.0 L/min，Q左≈1.0~1.5 L/min。壩體兩側(cè)的輸水涵管均存在沿管壁的滲漏問題，說明壩體土與管壁的接縫處理較差，在長期滲水或在高水位情況下，將會進(jìn)一步加劇接縫的擴(kuò)大發(fā)展趨勢，易導(dǎo)致管壁周邊土體產(chǎn)生接觸沖刷型的滲透破壞現(xiàn)象，進(jìn)而影響水庫運(yùn)行及壩體穩(wěn)定。壩體土根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287-2008)附錄M[5]，對壩體進(jìn)行土的滲透變形類型和臨界水力比降判別。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料，壩體土和壩基土的細(xì)顆粒含量都較高，小于0.075 mm的顆粒含量質(zhì)量百分率為94%，為黏性土，可能的滲透變形類型為流土和接觸流失型。根據(jù)規(guī)范中計算公式，經(jīng)計算得各層土的臨界水力比降為0.459。從以上的計算結(jié)果并結(jié)合該水庫的具體情況來看，在目前水庫低水位運(yùn)行狀況下，壩體土和壩基(巖)土不會發(fā)生大面積的滲透變形破壞，但局部滲透性較大的地基及填筑質(zhì)量差的壩體，在今后蓄水位抬高后將可能發(fā)生小范圍的滲透變形破壞，存在接觸滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題。

針對前文分析，特對工程提出以下建議：①增加壩基填土厚度，防止庫水過多滲入下伏地層，最大程度避免土體液化現(xiàn)象出現(xiàn)。②嚴(yán)格監(jiān)測二疊系灰?guī)r(P1m)地層中的巖溶現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)較大規(guī)模的溶洞，應(yīng)及時進(jìn)行灌漿處理，以防地基出現(xiàn)坍塌下沉，從而威脅大壩的安全性。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王博,劉耀煒,孫小龍,等.斷層對地下水滲流場特征影響的數(shù)值模擬[J].地震,2008(3):115-124.

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[5] 中華人民共和國水利部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：GB 50287-2008[S].北京：中國計劃出版社，2008.

收稿日期2015-12-24

作者簡介杜澤(1987- )，男，云南建水人，助理工程師，碩士，從事工程地質(zhì)方面的研究。

中圖分類號S 277;TV 223.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)03-309-03