潘福堅(jiān)

(佛山市高明區(qū)荷城街道水利所，廣東 佛山 528500)

0 引 言

水庫(kù)大壩是一種常見的水利工程建筑物，起到的作用主要是調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)水流，如雨季攔截山洪、旱季蓄水儲(chǔ)存。我國(guó)現(xiàn)存的水庫(kù)中有很多存在著年久失修，工程老化的問題，其中最顯著也最頻繁出現(xiàn)的問題就是水庫(kù)大壩滲流與穩(wěn)定的問題，這些存在著問題的病險(xiǎn)水庫(kù)不但不能發(fā)揮原有的發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)的作用，還可能對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。郭家朋以龍井水庫(kù)大壩為例，運(yùn)用有限單元法對(duì)黏土心墻壩的滲流進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)運(yùn)用瑞典圓弧滑動(dòng)法和簡(jiǎn)化Bishop法對(duì)黏土心墻壩的壩體穩(wěn)定進(jìn)行分析計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行了滲流安全評(píng)價(jià)和穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)[1]。胡強(qiáng)根據(jù)湖南省仙嶺水庫(kù)的地質(zhì)勘探資料，利用有限元進(jìn)行計(jì)算分析，分析了大壩存在的滲漏和滲透變形問題，并提出了除險(xiǎn)加固的措施[2]。趙曉西根據(jù)基本方程及定解條件的比較分析，將 ANSYS 軟件的溫度場(chǎng)分析功能應(yīng)用于滲流場(chǎng)的分析，利用 APDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了滲流參數(shù)化建模，采用死活單元技術(shù)，解決了黃壁莊水庫(kù)土壩滲流穩(wěn)定問題，為今后該大壩的工程管理及安全提供了理論依據(jù)[3]。馮霄采用GeoStudio軟件的滲流分析模塊SEEP/W和壩坡穩(wěn)定分析模塊SLOPE/W，對(duì)某水庫(kù)土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行滲流穩(wěn)定復(fù)核，得到大壩上、下游壩坡在不同工況條件下的最小安全系數(shù)[4]。胡祖鋒通過對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中的大壩加固設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，以大壩地質(zhì)條件比較復(fù)雜的最大壩高斷面進(jìn)行滲流計(jì)算，并對(duì)壩坡抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，為其他土壩的滲流及穩(wěn)定安全分析提供了可借鑒的資料[5]。閆澎旺針對(duì)白石水庫(kù)土壩的復(fù)雜滲流條件編制了有限元程序，在計(jì)算中提出了棄單元法算法，用有限元方法對(duì)滲流量進(jìn)行了計(jì)算，分析了實(shí)測(cè)水位和理論計(jì)算水位有較大差別的原因并提出相應(yīng)的滲流穩(wěn)定措施[6]。劉曉麗以某煤礦分布式地下水庫(kù)建設(shè)為例，根據(jù)礦井開采區(qū)的地質(zhì)資料，建立分布式地下水庫(kù)的地下水?dāng)?shù)值模擬模型，預(yù)測(cè)礦區(qū)的涌水量，結(jié)果與實(shí)測(cè)基本一致[7]。盛金保根據(jù)安徽沙河集水庫(kù)近年來的滲流原始資料，對(duì)大壩滲流現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在目前限制水位運(yùn)行條件下，大壩滲流狀態(tài)基本上是安全的，但也存在一些滲漏隱患，建議采取必要的工程措施消除上述對(duì)滲流安全不利的因素，同時(shí)應(yīng)改造、完善大壩滲流安全監(jiān)測(cè)設(shè)施[8]。李志鋒通過滲流有限元計(jì)算分析，評(píng)價(jià)了眠羊地水庫(kù)大壩的滲流安全情況，發(fā)現(xiàn)：大壩壩基滲流出口的滲透穩(wěn)定性不安全，壩體存在較嚴(yán)重的滲流隱患，滲流安全性為C級(jí)[9]。趙鑫為研究壩體加固對(duì)滲透水壓的影響，采用有限元法對(duì)除險(xiǎn)加固前、后的壩體進(jìn)行滲透坡降、單寬滲流量、準(zhǔn)流網(wǎng)等計(jì)算，分析3種工況下的滲流過程，為土石壩的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供參考[10]。文章所做的計(jì)算分析主要有水庫(kù)大壩滲流與穩(wěn)定兩個(gè)方面，還對(duì)水庫(kù)大壩的安全性做出了評(píng)價(jià)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

荷村水庫(kù)區(qū)地形起伏不大，沖溝較發(fā)育，地下水類型主要為第四系松散堆積物中的孔隙水和基巖裂隙水?？紫端饕x存于第四系松散堆積物中，含水量動(dòng)態(tài)變化明顯，主要受大氣降水補(bǔ)給，下滲補(bǔ)給裂隙含水巖組，或向附近溝谷排泄?；鶐r裂隙水主要賦存于巖體裂隙中，基本不含水，受裂隙發(fā)育程度和裂隙張開充填情況控制，由第四系孔隙水及大氣降水補(bǔ)給，向坡腳溝谷排泄。

水庫(kù)庫(kù)區(qū)屬剝蝕—侵蝕丘陵地貌。庫(kù)區(qū)內(nèi)的地層為第四系(Q4)松散堆積層、侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3sn)泥巖夾多層粉砂巖、砂巖與侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)粉砂巖、砂巖與泥巖互層。庫(kù)區(qū)及附近未見較大斷層及活動(dòng)性斷層分布，裂隙不發(fā)育。

庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，主要地下水類型為第四系松散層孔隙水與基巖裂隙水，受大氣降水與庫(kù)區(qū)水補(bǔ)給影響，在地形低洼處以泉或滴水方式溢出地表。庫(kù)區(qū)主要物理地質(zhì)現(xiàn)象表現(xiàn)為巖石的風(fēng)化、剝落、崩塌，地表覆蓋層的崩積物較薄，未發(fā)現(xiàn)其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。庫(kù)區(qū)地形封閉條件較好，不存在水庫(kù)滲漏問題。

壩址河谷形態(tài)呈淺寬型，兩岸地形不對(duì)稱，整體趨勢(shì)左岸緩右岸陡。整個(gè)壩基區(qū)以粉砂巖為主，在粉砂巖層中夾有厚0.2-0.5m的砂質(zhì)泥巖，大壩修建時(shí)以強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖作為基礎(chǔ)持力層。大壩壩基淺層巖體屬?gòu)?qiáng)-中等透水巖體。

本區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為間歇性緩慢抬升，第四系以來抬升幅度趨緩，差異運(yùn)動(dòng)減弱。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)劃定的工程區(qū)50a超越概率10%，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.35s，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。因此，工程區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

1.2 水庫(kù)概況

荷村水庫(kù)是一座以城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有農(nóng)村人畜飲水等綜合利用功能的中型水庫(kù)。水庫(kù)水位387.06m，壩長(zhǎng)281m，最大壩高為16.13m，總庫(kù)容1079.2萬(wàn)m3。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201—2014規(guī)定，定樞紐工程為Ⅲ等中型工程，攔河壩、溢洪道、取水口等主要建筑物為3級(jí)；次要、臨時(shí)建筑物級(jí)別為4級(jí)。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL 252-2017規(guī)定，建筑物級(jí)別及相應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 建筑物級(jí)別及洪水標(biāo)準(zhǔn)

2 水庫(kù)大壩滲流計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

取水庫(kù)大壩最大橫剖面，按照水力學(xué)達(dá)西定律進(jìn)行滲流分析，滲流分析采用河海大學(xué)和南京水準(zhǔn)科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的AUTOBANK6.1分析軟件，采用有限元法進(jìn)行滲流計(jì)算分析。

2.2 計(jì)算水位

特征水位包括死水位380.24m，正常水位386.46m，設(shè)計(jì)洪水位386.48m(P=2%)和校核洪水位387.06m(P=0.1%)。

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)原除險(xiǎn)加固地勘報(bào)告及工程經(jīng)驗(yàn)類比，水庫(kù)大壩滲流分析采用的滲透系數(shù)見表2。

表2 庫(kù)大壩筑壩材料滲透系數(shù)表

續(xù)表2 庫(kù)大壩筑壩材料滲透系數(shù)表

2.4 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)第8.1.2條之規(guī)定，進(jìn)行了以下4種水位組合成5種工況的滲流計(jì)算。

1)正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位。

2)設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)的水位。

3)校核洪水位與下游相應(yīng)的水位。

4)正常蓄水位降落至死水位(20d內(nèi)從386.46降至380.24m)。

5)校核洪水位降至死水位形成非穩(wěn)定滲流情況(20天內(nèi)從387.06降至380.24m)。

2.5 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)水庫(kù)大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算，滲透最大坡降計(jì)算見表3。

表3 水庫(kù)大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

由上表可知，水庫(kù)各種工況下壩體最大單寬滲流流量為1.97×10-5m3/d·m。

計(jì)算水庫(kù)總滲漏量公式為：

Q=Lqt

(1)

式中：L為壩長(zhǎng)，單位：m；q為壩體最大單寬滲流流量，單位：m3/s；t為時(shí)間，s。

得出水庫(kù)年最大滲漏量為2.02m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水庫(kù)的總庫(kù)容1079.2萬(wàn)m3，說明水庫(kù)的防滲性能非常好，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著水庫(kù)水位的變化，校核洪水位工況下的單位滲流量與滲透最大坡降明顯大于其他兩個(gè)靜水位，而在后兩個(gè)伴隨有降落條件的工況下，水庫(kù)的滲透最大坡降明顯大于前3個(gè)靜水位的工況，表明動(dòng)水作用下較靜水作用更不利。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50287-2008推薦的判別公式，對(duì)壩體土的滲透變形形式進(jìn)行判別：

(2)

式中：PC為土的細(xì)粒顆粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)，%，本次計(jì)算取60%；n為土的孔隙率，根據(jù)地勘報(bào)告采用n=0.482。

可知本工程壩體只會(huì)發(fā)生流土破壞，其允許滲透坡降計(jì)算公式如下：

(3)

式中：△為土粒比重；△=2.70；n為土的孔隙率，n=0.482；KB為流土安全系數(shù)，此處采用1.5。

土粒密度及孔隙率通過類似工程類比得知，大壩允許滲透坡降[J]=0.587。水庫(kù)大壩最大滲透坡降J=0.385<[J]=0.646，所以水庫(kù)滿足滲透穩(wěn)定要求。

3 水庫(kù)大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001的規(guī)定，本工程應(yīng)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，計(jì)算程序采用河海大學(xué)和南京水準(zhǔn)科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的AUTOBANK6.1分析軟件，計(jì)算方法采用了瑞典圓弧法。

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)第8.1.2條之規(guī)定，水庫(kù)大壩邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算工況組合見表4。

表4 上、下游壩坡計(jì)算工況

續(xù)表4 上、下游壩坡計(jì)算工況

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

水庫(kù)大壩壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)第8.3.2條及8.3.10條規(guī)定及附錄D.1.2條規(guī)定：土體的抗剪強(qiáng)度計(jì)算穩(wěn)定滲流期時(shí)采用有效應(yīng)力法；計(jì)算庫(kù)水位降落期采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法，以較小的安全系數(shù)為準(zhǔn)。水庫(kù)壩坡穩(wěn)定計(jì)算方法選用瑞典圓弧法，計(jì)算成果見表5。

表5 水庫(kù)大壩上、下游壩坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過穩(wěn)定計(jì)算可知，水庫(kù)大壩擴(kuò)建后滿足規(guī)范要求的抗滑穩(wěn)定需求。水庫(kù)大壩上游壩坡在工況1、2、3三個(gè)靜水位條件下，用瑞典圓弧法計(jì)算出來的最小穩(wěn)定系數(shù)數(shù)值一致，均為1.956，而在工況4、5兩個(gè)動(dòng)水位條件下，最小穩(wěn)定系數(shù)明顯小于3個(gè)靜水位，將這兩個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比，可以看出，降落水位越大，計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)越小。工況3校核洪水位的計(jì)算最小穩(wěn)定系數(shù)比其他兩個(gè)靜水位略小。

4 結(jié) 論

1)經(jīng)過滲流計(jì)算，將本水庫(kù)大壩土粒密度及孔隙率與類似工程進(jìn)行類比得出，大壩允許滲透坡降[J]=0.587。水庫(kù)大壩最大滲透坡降J=0.385<[J]=0.646，所以水庫(kù)滿足滲透穩(wěn)定要求，而水庫(kù)一年的滲漏量遠(yuǎn)小于水庫(kù)庫(kù)容，說明水庫(kù)大壩的防滲性能非常好。

2)將不同靜水水位工況進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)校核洪水位工況下的單位滲流量與滲透最大坡降明顯大于其他兩個(gè)工況，后兩個(gè)動(dòng)水位工況下水庫(kù)的滲透最大坡降也明顯比前3個(gè)靜水位工況下的大，表明動(dòng)水作用下較靜水作用更不利。

3)通過穩(wěn)定計(jì)算可知，各個(gè)工況下計(jì)算得出的最小穩(wěn)定系數(shù)均比規(guī)范要求的大，所以水庫(kù)大壩滿足規(guī)范要求的抗滑穩(wěn)定需求。

4)水庫(kù)大壩上游壩坡在3個(gè)靜水位工況下最小穩(wěn)定系數(shù)數(shù)值一致，均為1.956，而在兩個(gè)動(dòng)水工況位下，最小穩(wěn)定系數(shù)明顯小于3個(gè)靜水位，將這兩個(gè)動(dòng)水位工況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)降落水位越大，計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)越小，但上游壩坡3個(gè)靜水位工況下計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)與下游壩坡相比較大，說明下游壩坡的安全穩(wěn)定情況更應(yīng)該得到重視。