駱秀萍，易 平

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

我國目前已修建了8.6萬余座水庫，其中約有93%屬于土石壩[1]，近年來，許多中小型水庫陸續(xù)出現(xiàn)不同程度的病險(xiǎn)問題[2]。根據(jù)土石壩工程安全事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，其中有37.1%的安全問題是由滲透變形引起的，因此研究土石壩滲流安全是水庫大壩尤其是土石壩的重要安全問題之一[3]。水流通過壩體和壩基時(shí)存在壓力和梯度，壩體、壩基滲漏量過大不僅會(huì)使水庫產(chǎn)生損失、降低水庫效益，還會(huì)造成壩坡失穩(wěn)、壩體和壩基發(fā)生滲流破壞的安全隱患，而土石壩浸潤(rùn)線是大壩滲流量計(jì)算及壩坡抗滑，抗震，抗?jié)B能力復(fù)核的重要依據(jù)[4-5]，因此，正確確定大壩浸潤(rùn)線對(duì)水庫大壩進(jìn)行滲流計(jì)算，對(duì)保障大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行和提高工程效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]，特別是當(dāng)庫水位下降時(shí)，大壩滲流形成非恒定流，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線高于坡外庫水位，較高的孔隙水壓力和滲透力會(huì)使上游壩坡具有下滑趨勢(shì)，甚至釀成滑坡事故[7]。因此，如何確定土石壩浸潤(rùn)線保證壩體穩(wěn)定是實(shí)際工程中需要研究的重要問題。文章采用解析法確定均質(zhì)土壩在非穩(wěn)定滲流期的浸潤(rùn)線，對(duì)大壩安全運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

1 計(jì)算原則

當(dāng)水庫水位下降時(shí)，壩體空隙中所含的水分，一部分會(huì)從上游坡面逸出，導(dǎo)致壩體中的浸潤(rùn)線逐漸下降，但其下降速度滯后于庫水位下降速度，從而形成非恒定滲流。此時(shí)大壩上游坡受到滲流作用力，穩(wěn)定性減弱。尤其當(dāng)水庫水位驟降時(shí)，滲流作用力變大，再加上孔隙壓力的影響，就有可能導(dǎo)致上游坡失穩(wěn)，發(fā)生坍塌，因而在重要的工程設(shè)計(jì)中，需要對(duì)非穩(wěn)定滲流期大壩上游坡的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

目前為止嚴(yán)格求解非穩(wěn)定滲流期大壩浸潤(rùn)線尚無具體方法，故常采用近似的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行處理[8]。對(duì)均質(zhì)土壩，通常將k/μv(k為滲流系數(shù)，μ為土的排水系數(shù)，v為庫水位下落速度)作為判別浸潤(rùn)線滯后于庫水位下降的一個(gè)判別指標(biāo)，當(dāng)0.120～100時(shí)，浸潤(rùn)線與庫水位接近同步下降，可不考慮庫水位下降時(shí)對(duì)壩坡穩(wěn)定的不利影響。

2 基于解析法的浸潤(rùn)線位置確定

2.1 初始滲流參數(shù)的確定

非穩(wěn)定滲流在進(jìn)行大壩滲流計(jì)算時(shí)，初始條件會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重大的影響，因此如果沒有較為統(tǒng)一、合理的初始條件，非穩(wěn)定滲流的計(jì)算結(jié)果就難以具有合理性、比較性和實(shí)用性[9]。當(dāng)均質(zhì)土壩(設(shè)排水棱體)位于不透水地基上，初始時(shí)(t=0)可近似認(rèn)為恒定滲流浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)在下游水位與棱體內(nèi)坡的交點(diǎn)處。浸潤(rùn)線方程為：

圖1 大壩滲流計(jì)算參數(shù)示意圖

表1 土類系數(shù)表

(1)

l=d-m1H

(2)

(3)

其中：

(4)

(5)

式中，h0—初始時(shí)的浸潤(rùn)線高度。

各參數(shù)l，H1，H2，d，m1，l1，Δl如圖1所示。

初始時(shí)的單寬滲流量為：

(6)

當(dāng)水庫水深由初始時(shí)的H1以速度v(作常數(shù)考慮)下降到時(shí)刻為t的h1時(shí)，浸潤(rùn)線在上游坡的出滲高度hB由下式計(jì)算：

(7)

其中：

(8)

lt=l+m1(H-h1-hB)

(9)

p(n)為函數(shù)，可查水力計(jì)算手冊(cè)確定。其中：

(10)

式中，k—壩身滲流系數(shù)；μ—壩身排水系數(shù)，μ=αp；p—土的孔隙率；α—系數(shù)，可由表1確定。

式(7)中，F(xiàn)(λτ，n)為函數(shù)，可查水力計(jì)算手冊(cè)確定。

λτ由式(11)計(jì)算：

(11)

2.2 出滲高度的計(jì)算

采用試算法確定hB值，然后用此hB值分別由式(8)～(11)及查水力計(jì)算手冊(cè)可求出H0，lt，n，λτ，p(n)及F(λτ，n)值，當(dāng)庫水位降至水深h1時(shí)根據(jù)下式計(jì)算浸潤(rùn)線：

(12)

y=x+m1(H-h1-hB)

(13)

式中，F(xiàn)(λ，n)—查水力計(jì)算手冊(cè)確定。

其中：

(14)

由上可見，根據(jù)已知的k,μ，h1，t值并結(jié)合2.1節(jié)已求出的各個(gè)參數(shù)值，給定不同的x值，便可相繼由式(13)可求得不同的y值，代入式(14)可得相應(yīng)的λ值，查水力計(jì)算手冊(cè)可得相應(yīng)F(λτ，n)值，從而可根據(jù)式(12)便可求得水庫水位降落后壩體內(nèi)不同水平位置處浸潤(rùn)線的高度，即為所求浸潤(rùn)線。

3 工程實(shí)例驗(yàn)證

某水庫為均質(zhì)土壩，壩基不透水，壩高25m，上游坡坡比1∶3.0，下游坡坡比1∶2.0，下游坡設(shè)置排水棱體，庫水位在4d時(shí)間內(nèi)自H1=22m以速度3m/d下降至h1=10m，下游水位H2=4m保持不變，壩體滲流系數(shù)為2.2m/d，壩身排水系數(shù)μ=1，利用解析法計(jì)算大壩在初始水位及水位降落后的浸潤(rùn)線，計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

表2 初始浸潤(rùn)線

水位降落初始浸潤(rùn)線及降落后浸潤(rùn)線如圖2所示。

4 結(jié)論

合理確定土壩浸潤(rùn)線的位置，對(duì)壩體斷面設(shè)計(jì)及滲流計(jì)算有重要影響。水庫水位降落時(shí)壩體內(nèi)滲流情況復(fù)雜，解析法可準(zhǔn)確確定大壩在非穩(wěn)定滲流期的浸潤(rùn)線，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

圖2 非穩(wěn)定滲流期水庫浸潤(rùn)線