范偉，張宏博

（1.山東水總有限公司，山東濟(jì)南250014；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南250061）

土石壩滲透破壞影響因素分析

范偉1，張宏博2

（1.山東水總有限公司，山東濟(jì)南250014；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南250061）

依托臥虎山水庫(kù)工程實(shí)例，采用Galerkin有限元方法針對(duì)穩(wěn)定與非穩(wěn)定滲流兩種情況，分析了心墻滲透系數(shù)、上下游水位、心墻坡度、水位突變等各參數(shù)對(duì)土石壩滲透破壞的影響，建立了土石壩滲透坡降的功能函數(shù)，并確定了功能函數(shù)隨各參數(shù)的概率分布。

滲透破壞；滲透系數(shù)；水位；功能函數(shù)；概率分布

本文依托臥虎山水庫(kù)的工程實(shí)例，采用不變網(wǎng)格法中求解自由面滲流問(wèn)題的截止負(fù)壓法進(jìn)行滲流計(jì)算，直接以壓力場(chǎng)為未知函數(shù)，利用Galerkin有限元方法并結(jié)合固定網(wǎng)格迭代來(lái)確定自由面，詳細(xì)闡述了壩體滲透性能隨心墻滲透系數(shù)、上下游水位、不同壩體壤土、水位突變等參數(shù)的變化規(guī)律和概率分布。

1　臥虎山水庫(kù)滲透破壞分析

2　土石壩滲流穩(wěn)定性分析

2.1計(jì)算模型的建立

根據(jù)調(diào)查分析，濟(jì)南周邊水庫(kù)多為中小型土石壩，主要為心墻壩及均質(zhì)壩，壩高多在10～40 m。假定壩高40 m，建立心墻土石壩有限元力學(xué)模型。

2.2計(jì)算參數(shù)的選取及計(jì)算流程

根據(jù)濟(jì)南市臥虎山水庫(kù)地質(zhì)勘查報(bào)告，確定土石壩滲流計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　土石壩滲流計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)濟(jì)南市臥虎山水庫(kù)地質(zhì)勘查報(bào)告及臥虎山水庫(kù)運(yùn)營(yíng)資料統(tǒng)計(jì)，確定土石壩滲流計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

計(jì)算流程如下：首先采用理正巖土滲流計(jì)算模塊，分析心墻滲透坡降分布規(guī)律，確定最大滲透坡降；然后計(jì)算滲透坡降功能函數(shù)，擬合功能函數(shù)表達(dá)式；再采用概率論知識(shí)，擬定參數(shù)的概率密度函數(shù)，進(jìn)行功能函數(shù)的概率求解。

表2　土石壩滲流計(jì)算工況參數(shù)表

2.3穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果

因變異參數(shù)較多，以黏土心墻滲透系數(shù)變化為例進(jìn)行說(shuō)明。

1.開(kāi)發(fā)利用檔案，給企業(yè)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益。徐州發(fā)電有限公司從1994年開(kāi)始探討對(duì)4臺(tái)125MW和4臺(tái)200MW機(jī)組全面改造方案，公司綜合檔案科提供了汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐及其輔助設(shè)備總圖等大量有參考價(jià)值的科技檔案，利用科技檔案卷次共800余卷，從1997年至2001年，先后對(duì)8臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)代化技術(shù)改造，改造后的機(jī)組各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類(lèi)型機(jī)組的先進(jìn)水平。通過(guò)技術(shù)改造，不僅延長(zhǎng)了機(jī)組的壽命，使老機(jī)組煥發(fā)了青春，而且大大提高了機(jī)組安全可靠性、可控性、可調(diào)性和自動(dòng)化水平，增強(qiáng)了企業(yè)實(shí)力，對(duì)于企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，迎接新世紀(jì)挑戰(zhàn)，無(wú)疑具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

經(jīng)計(jì)算，隨著心墻滲透系數(shù)的增大，浸潤(rùn)線(xiàn)的位置逐漸降低。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制心墻、壩前及壩后最大坡降功能函數(shù)值（J（X）=Jcr-J）與心墻滲透系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1　不同心墻滲透系數(shù)時(shí)滲透功能函數(shù)變化規(guī)律

由圖1可知，隨著黏土心墻滲透系數(shù)的增大，壩前坡及心墻坡降變化幅度較小，壩后坡的坡降值變化最為明顯，更接近于臨界坡降值，表明壩后坡更容易發(fā)生滲透破壞。

同理，可得到心墻坡度、上、下游不同水位（如圖2所示）、壩體壤土滲透系數(shù)等不同條件下壩前（圖省略）、心墻及壩后最大坡降變化規(guī)律（圖省略）。

圖2　上、下游水位變化的影響

對(duì)比圖2上下游水位變化，上游水位增高，壩前坡、心墻及壩后坡坡降均明顯增大，破壞函數(shù)明顯呈降低趨勢(shì)，表明破壞概率增加幅度較大。而下游水位抬高，僅對(duì)壩后坡坡降略有影響。

壩后坡壤土滲透系數(shù)增大，坡降破壞函數(shù)值增加，表明壩后坡滲透破壞概率減??；但心墻位置坡降破壞函數(shù)值降低，表明壩體內(nèi)部承受滲透壓力更大，破壞概率增大。

心墻坡度對(duì)坡降的影響不顯著，所以在保證心墻施工和運(yùn)營(yíng)安全的情況下，心墻下部可適當(dāng)縮減尺寸。

2.4非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果

考慮庫(kù)水位突升和突降，計(jì)算非穩(wěn)定滲流條件下壩體滲透坡降變化。選取壩前、心墻和壩后滲透坡降最大值，繪制滲透破壞函數(shù)與水位突升和突降的關(guān)系曲線(xiàn)。

由關(guān)系曲線(xiàn)可知，壩后坡滲透破壞函數(shù)值最小，表明此處更易發(fā)生滲透破壞。隨著水位突降速率的增加，心墻的滲透破壞函數(shù)衰減趨勢(shì)相對(duì)較為明顯，表明水位突降對(duì)心墻的滲透穩(wěn)定影響最大。水位快速上升對(duì)壩體滲透穩(wěn)定影響更為顯著，特別是壩前和心墻滲透破壞函數(shù)明顯衰減，當(dāng)水位上升速度超過(guò)1.0 m/d時(shí)，心墻滲透破壞功能函數(shù)衰減至0以下，表明心墻將發(fā)生滲透破壞。

3　壩體滲透破壞概率分布求解

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料及臥虎山水庫(kù)地勘資料及運(yùn)營(yíng)資料，擬定變量數(shù)學(xué)期望值及方差。并根據(jù)前述確定的滲透破壞功能函數(shù)，確定滲透破壞分布函數(shù)的數(shù)學(xué)期望和方差，如表3所示。

根據(jù)上表中所確定的數(shù)學(xué)期望和方差，采用excel表格中的數(shù)學(xué)函數(shù)Normdist函數(shù)，繪制滲透破壞正態(tài)分布函數(shù)，并求解破

表3滲透破壞分布函數(shù)表

變量名稱(chēng)變量分布函數(shù)滲透破壞功能函數(shù)因子滲透坡降破壞分布函數(shù)ab位置參數(shù)心墻滲透系數(shù)0.0055m/d5E－6－58.850.7390.4151.73E－02上游水位33m10.56－0.0211.1770.4844.66E－03庫(kù)水位上升速度0.75 m/d0.14－0.5880.7030.2624.84E－02

壞概率?；谏鲜龇治觯攸c(diǎn)針對(duì)心墻滲透系數(shù)、上游水位和庫(kù)水位上升速度3種變量因素進(jìn)行分析。

圖3　心墻滲透系數(shù)

由圖3可知，隨著心墻滲透系數(shù)增加，壩體滲透破壞概率逐漸增加，當(dāng)心墻滲透系數(shù)增至0.01 m/d時(shí)，壩后坡滲透破壞概率接近100%。為了保證壩體安全，建議心墻滲透系數(shù)應(yīng)不大于7E－06 cm/s。

隨著上游水位的不斷抬高，壩后坡的破壞概率迅速增加，當(dāng)水位抬升至40 m（漫頂水位）時(shí)，壩后坡滲透破壞概率為100%。因此，為了保證壩體安全，庫(kù)水位建議控制在35 m以下。

水位上升速度越快，對(duì)心墻滲透穩(wěn)定性影響越大。因此，為了保證心墻安全，水位上升速率應(yīng)控制在1.0 m/d以?xún)?nèi)。

4　結(jié)語(yǔ)

1）心墻滲透系數(shù)大、上游水位高，土石壩更易發(fā)生滲透破壞，而心墻坡度對(duì)水力坡降影響不顯著。

2）從非穩(wěn)定滲流功能函數(shù)中可以看出：水位突升突降對(duì)心墻穩(wěn)定性影響較大。

3）土石壩滲透破壞功能函數(shù)與心墻滲透系數(shù)、上游水位、水位突升速度符合正態(tài)分布，為了保證壩體安全，建議心墻滲透系數(shù)應(yīng)不大于7E－06 cm/s，庫(kù)水位控制在35 m以下，水位上升速率應(yīng)控制在1.0 m/d以?xún)?nèi)。

［1］王棟，朱元甡．防洪系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析的研究評(píng)述［J］．水文，2003，23（02）：15－20.

［2］朱元甡．上海防洪（潮）安全風(fēng)險(xiǎn)分析和管理［J］．水利學(xué)報(bào)，2002，（08）：21－28）.

（責(zé)任編輯遲明春）

TV698

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2016-05-15

范偉（1977—），男，高級(jí)工程師