高 杰， 談葉飛， 張 凱， 張建飛

(1.陜西省水資源與河庫調(diào)度管理中心，西安 718900；2.水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；3.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；4.李家梁水庫管理處，榆林 719000)

水庫大壩是水利工程中最為常見的工程形式，是保障水庫安全運(yùn)行的重要設(shè)施[1-3]。根據(jù)筑壩材料的不同，大壩的性質(zhì)也存在顯著差異。在中國(guó)西北地區(qū)，由于戈壁沙漠等地質(zhì)環(huán)境的存在，許多水庫因地制宜，采用當(dāng)?shù)厣白舆M(jìn)行筑壩。由于砂體本身的滲透性較大，壩體松軟，在工程運(yùn)行中更容易出現(xiàn)滲透破壞等現(xiàn)象[4]，嚴(yán)重影響水庫大壩的安全運(yùn)行，因此有必要對(duì)此類砂壩的滲漏情況進(jìn)行典型計(jì)算分析，為類似工程提供安全依據(jù)[5-8]。李家梁水庫位于陜西省榆林市西北40 km處的孟家灣鄉(xiāng)曹家梁村，工程建在無定河流域榆溪河右岸一級(jí)支流的圪求河下游河段，距離榆林市區(qū)僅40 km，總庫容2 340×104m3，是一座以工農(nóng)業(yè)供水為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(圖1)。大壩壩型為土工膜防滲均質(zhì)砂壩，最大壩高25 m，壩頂高程1 170.00 m，防浪墻頂高程1 171.20 m，壩頂寬8.0 m，壩頂長(zhǎng)874 m，原上、下游壩坡坡比自上而下為1∶3.00和1∶3.50，上游高程1 158.00 m、下游高程1 160.00 m變坡處各設(shè)置一條寬3.0 m馬道。復(fù)合土工膜鋪設(shè)在上游壩坡，上覆厚10 cm現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，壩前及兩岸也鋪設(shè)復(fù)合土工膜，向上游延伸100 m，下游壩坡采用植物護(hù)坡。李家梁水庫自2006年蓄水運(yùn)行以來，壩后出現(xiàn)多處不同程度的集中滲流問題(圖2)。雖然期間進(jìn)行過工程處理，但目前壩后排水溝內(nèi)，特別是在左岸(樁號(hào)0+331)處仍可見明顯的集中滲漏現(xiàn)象，一旦水位上升，仍然有砂冒現(xiàn)象，逐漸掏空壩體及壩基，破壞大壩結(jié)構(gòu)，水庫一旦出現(xiàn)問題，將嚴(yán)重影響下游榆林市人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。此砂壩的結(jié)構(gòu)及布置形式在當(dāng)?shù)厣皦沃芯哂写硇?，許多類似砂壩也都存在相似的滲流破壞現(xiàn)象，因此，急需對(duì)李家梁大壩滲流安全進(jìn)行全面分析，為大壩除險(xiǎn)加固提供技術(shù)支撐[9-11]，所得成果也將對(duì)其他類似大壩的安全運(yùn)行提供參考。

圖1 李家梁水庫大壩全景

圖2 壩腳集中滲漏點(diǎn)

1 工程地質(zhì)條件

大壩為均質(zhì)砂壩，壩基處理時(shí)，僅清除雜草和表面松土，壩基第四系松散積砂類土厚度大于70 m，下部為不連續(xù)砂壤土層。

2 壩體填筑及滲流監(jiān)測(cè)

大壩采用兩岸風(fēng)積沙丘或沙梁以水力沖填形式筑壩，壩基處理時(shí)清除了雜草和表面松土。上游壩坡采用土工膜防滲，混凝土護(hù)坡，厚度10 cm，下游壩坡采用植物護(hù)坡。壩體填筑料為兩岸風(fēng)積砂土，要求清除料場(chǎng)開挖區(qū)內(nèi)的樹木、灌木、農(nóng)作物、雜草、垃圾及地表上的其他堆積物。料場(chǎng)開挖后的邊坡坡度不陡于1∶1.50。填筑料控制干密度為1.58 g/cm3，含水率為8%。經(jīng)檢測(cè)壩填土和壩基土力學(xué)指標(biāo)見表1。

為降低壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線，減小滲漏破壞，對(duì)壩體反濾進(jìn)行了重建，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

前期埋設(shè)的21支滲壓計(jì)均損壞無法觀測(cè)，管理單位于2015年11月補(bǔ)埋了9支，大壩最大斷面三支，編號(hào)P1～P3；左岸繞壩滲漏監(jiān)測(cè)三支，編號(hào)P10、P14和P15；右岸繞壩滲漏監(jiān)測(cè)三支，編號(hào)P17、P19和P21。滲壓計(jì)觀測(cè)至今，頻次為1次/月[8]。壩體滲壓汁埋設(shè)位置如圖4所示。

表1 壩基土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值

圖3 壩體下游反濾體結(jié)構(gòu)圖

圖4 壩體滲壓計(jì)埋設(shè)位置

3 滲流安全分析

3.1 相關(guān)性及斷面浸潤(rùn)線分析

將現(xiàn)有的9個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)與庫水位變化進(jìn)行相關(guān)性擬合可知，結(jié)果如圖5所示，測(cè)點(diǎn)水頭變化與庫水位有著較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)基本都在0.8以上，觀測(cè)數(shù)據(jù)能反映出左右岸均存在一定程度的繞滲。

選取0+300斷面(P1、P2和P3組成的斷面)作為典型斷面，選用典型日(2017年10月3日)的庫水位(1 164.5 m)及滲壓計(jì)測(cè)值繪制壩體浸潤(rùn)線，并計(jì)算位勢(shì)。典型斷面浸潤(rùn)線如圖6所示，葉300斷面位勢(shì)見表2。

位勢(shì)計(jì)算公式為

(1)

圖6 P1、P2和P3斷面典型日浸潤(rùn)線

式(1)中：αi為第i個(gè)滲壓計(jì)的位勢(shì)，%；H1為庫水位，m；H2為下游水位，m；Hi為第i個(gè)滲壓計(jì)實(shí)測(cè)水位，m。

由圖6和表2可知：

(1)浸潤(rùn)線經(jīng)過壩前防滲土工膜后明顯降低，自上游向下游各支滲壓計(jì)位勢(shì)降幅依次為68.7%、76.4%和87.2%，水頭削減明顯，表明目前壩體土工膜防滲性能較好，大壩壩體浸潤(rùn)線分布規(guī)律符合一般土工膜防滲砂壩規(guī)律。

(2)排水體附近浸潤(rùn)線明顯降低，排水效果明顯。

表2 0+300斷面位勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

3.2 滲流有限元反演

結(jié)合監(jiān)測(cè)資料成果，建立了符合工程實(shí)際運(yùn)行條件的有限元模型，對(duì)大壩各特征水位下滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。

3.2.1 計(jì)算斷面

選擇最大斷面作為滲流有限元分析典型斷面，典型斷面材料分區(qū)如圖7所示。壩基底部存在滲透系數(shù)相對(duì)較小的壤土夾層，但由于其在壩址部位埋深較深(高程約1 106 m)且分布不連續(xù)，從偏安全角度考慮，將壩基作為均一材料，并根據(jù)實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線資料進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，使其更接近實(shí)際情況。根據(jù)運(yùn)行表現(xiàn)情況，以排水渠底板高程作為下游邊界，上游面及壩前100 m范圍內(nèi)的復(fù)合土工膜作為不透水邊界進(jìn)行有限元模擬。

圖7 有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格

3.2.2 初始滲透系數(shù)及調(diào)參

前期勘察和后期壩后滲漏處理階段所得材料分區(qū)滲透系數(shù)差別較大，考慮到后期滲漏處理時(shí)，大壩已經(jīng)建成運(yùn)行多年，對(duì)壩體壩基再次進(jìn)行勘察采樣將破壞其完整性，對(duì)安全產(chǎn)生不利影響，因此后期采樣選擇了壩下游鄰近地段，但其采樣點(diǎn)附近壩體和壩基已出現(xiàn)滲透破壞，且勘察取樣深度小于3 m，其結(jié)果無法正確反映材料的真實(shí)特征。因此，本次計(jì)算采用前期勘察階段的材料系數(shù)作為初始參數(shù)，詳見表3。

考慮到大壩運(yùn)行中的自然沉降壓縮以及壩基中含有較小滲透系數(shù)的壤土夾層等因素，經(jīng)多次模擬計(jì)算逼近，調(diào)整后的材料參數(shù)見表4。

利用庫水位1 164.50 m和1 164.00 m時(shí)，0+300斷面的觀測(cè)水位作為目標(biāo)值進(jìn)行了對(duì)比和調(diào)參計(jì)算，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果及對(duì)比見表5。

表3 大壩材料分區(qū)滲透系數(shù)初始取值表

表4 大壩材料分區(qū)滲透系數(shù)調(diào)整取值表

表5 大壩滲流調(diào)參前后計(jì)算成果與觀測(cè)結(jié)果比較表

對(duì)比調(diào)參前后浸潤(rùn)線計(jì)算位置與實(shí)測(cè)位置，調(diào)整后的參數(shù)所得計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合更好，利用此套參數(shù)的計(jì)算結(jié)果比原參數(shù)更接近實(shí)際，因此利用此套參數(shù)對(duì)各工況進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。

3.3 特征水位下滲流場(chǎng)計(jì)算分析

3.3.1 計(jì)算工況

根據(jù)工程運(yùn)行的特征水位選取計(jì)算工況，開展穩(wěn)定滲流場(chǎng)計(jì)算，具體見表6。

表6 滲流場(chǎng)計(jì)算工況表

圖8 大壩典型斷面水頭等值線分布及坡腳處矢量圖

3.3.2 滲流有限元計(jì)算成果

(1)允許滲透坡降。根據(jù)勘察結(jié)果，從大壩破壞現(xiàn)狀及安全角度考慮，壩基土允許坡降為0.125，壩體土允許坡降為0.123。

(2)滲流有限元計(jì)算成果。大壩計(jì)算斷面各工況下水頭等值線如圖8所示，滲流要素統(tǒng)計(jì)成果見表7。

由圖8和表7可知：

(1)各計(jì)算工況下大壩浸潤(rùn)線分布符合一般規(guī)律，壩前防滲及排水效果明顯。

(2)各計(jì)算工況下排水渠底部滲透坡降在0.189～0.241，大于壩基土允許滲透坡降0.125。該處設(shè)有反濾，能在一定程度上提高允許坡降，但壩基在前期運(yùn)行中已受到滲透破壞，且由于受左岸繞滲影響會(huì)提高地下水流速，長(zhǎng)期運(yùn)行下，細(xì)顆粒仍會(huì)向渠底移動(dòng)形成挾砂出逸。

表7 壩腳渠底滲透坡降統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

通過對(duì)李家梁水庫砂壩的觀測(cè)資料分析，并利用二維有限元法對(duì)典型斷面開展各工況條件下的滲流計(jì)算，得到以下結(jié)論。

(1) 觀測(cè)資料分析表明，目前條件下大壩壩體防滲系統(tǒng)滿足運(yùn)行要求，但左岸地下水位高，繞滲情況較嚴(yán)重。大壩左壩肩及壩基多個(gè)深度范圍內(nèi)存在中砂夾層是造成壩后滲漏的主要原因，此外本工程屬水墜砂壩，水力沖填過程中是由左岸至右岸輸沙的，在輸沙過程中，粗顆粒先沉積在左岸，總體上左岸壩體滲透性大于右岸，也是造成左岸滲漏情況嚴(yán)重的原因之一。

(2) 各計(jì)算工況下排水渠底部滲透坡降在0.189～0.241，大于壩基土允許滲透坡降0.125。由于壩基在前期運(yùn)行時(shí)已受滲透破壞，而后期滲漏處理時(shí)并未對(duì)破壞的壩基內(nèi)部滲漏通道進(jìn)行修復(fù)，特別是在左岸，由于中砂夾層的存在，滲透性強(qiáng)、地下水位高、繞壩滲漏量大，當(dāng)庫水位進(jìn)一步抬升時(shí)，壩后涌水冒沙情況會(huì)加劇，出逸處的滲透坡降不滿足穩(wěn)定要求。

綜上所述，目前李家梁水庫大壩存在嚴(yán)重的滲流安全問題，需限制水位運(yùn)行，采取工程措施解決集中滲漏和滲透坡降過大問題，保障下游安全?？紤]到我國(guó)西北地區(qū)廣泛存在的防滲膜防滲的砂壩，其結(jié)構(gòu)和筑壩材料性質(zhì)類似，局部出現(xiàn)滲透坡降過大現(xiàn)象是導(dǎo)致壩體受損破壞的主要因素，利用現(xiàn)有觀測(cè)資料進(jìn)行滲流分析和計(jì)算，并根據(jù)結(jié)果綜合判斷壩體的滲流安全性是保障此類水庫大壩安全運(yùn)行的有效方式。