楊 敏

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江西 南昌 330029)

0 引言

我國(guó)是世界上水庫(kù)數(shù)目最多的國(guó)家，擁有各類大壩十余萬(wàn)座，這些水庫(kù)為抗擊洪水災(zāi)害和新中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了重要保障[1]。但大部分水庫(kù)大壩建于20世紀(jì)60～70年代，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行早期修建的水庫(kù)逐步暴露出各類安全問(wèn)題，給水利工程的安全運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)[2-3]。土石壩作為在我國(guó)廣泛應(yīng)用的壩型，占已建大壩總數(shù)的90%以上，具有工程造價(jià)低、筑壩材料簡(jiǎn)單、對(duì)工程地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。土石壩存在的主要問(wèn)題之一是滲漏問(wèn)題，土石壩的滲漏會(huì)影響大壩的安全運(yùn)行和水庫(kù)綜合效益的發(fā)揮，探索土石壩滲漏問(wèn)題發(fā)生的原因已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[6-8]。本文針對(duì)某土石壩出現(xiàn)的滲漏問(wèn)題，采用有限元仿真方法進(jìn)行大壩滲流和結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)，并探討大壩出現(xiàn)滲漏問(wèn)題的原因。

1 工程概況

某水庫(kù)建于20世紀(jì)60年代，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的中型水利工程。樞紐工程主要由大壩、溢洪道、泄洪輸水隧洞等組成。壩址以上控制流域面積55.2 km2，總庫(kù)容5079萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積6.0×104畝，實(shí)際灌溉面積4.0×104畝。大壩為均質(zhì)土壩，設(shè)混凝土心墻，心墻位于壩軸線上游側(cè)，心墻寬度60 cm，底部伸入基巖以下0.5 m，壩頂高程79.46 m，壩頂長(zhǎng)446.0 m，寬6.0 m，最大壩高36.0 m。大壩上游為混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，坡度自上而下分別為1∶3.23、1∶4.14；下游為草皮護(hù)坡，坡度自上而下分別為1∶2.52、1∶2.67。大壩典型斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 大壩典型斷面圖

壩址區(qū)出露地層較簡(jiǎn)單，除第四系覆蓋層外，下伏基巖為燕山期花崗巖。壩基覆蓋層組成巖性主要有殘坡積含礫粘土層、壤土及砂卵石層。殘坡積含礫粘土為紅黃色，土質(zhì)稍密，粘性中，可塑，可揉成條，礫石成份主要為風(fēng)化的石英砂，主要分布于兩岸壩肩；壤土為灰色、灰黑色，土層較軟，粘性中～差，局部含有較多的粉細(xì)砂及少量草根，主要分布于河流兩岸的臺(tái)地中；砂卵石層為黃色，主要由中粗砂、卵石及少量黃泥組成，分選性及磨圓度較差，主要分布于河床及兩岸臺(tái)地中。壩基花崗巖發(fā)育有強(qiáng)、弱、微風(fēng)化巖體。強(qiáng)風(fēng)化帶巖體，巖石為灰黃色，節(jié)理裂隙發(fā)育且裂隙中多充填有泥質(zhì)，巖芯破碎，為碎塊狀，一般厚度為1.40 m～9.80 m；弱風(fēng)化帶巖體，巖石為青灰或麻灰色，巖石較硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂面為黃色及鐵褐色，一般厚度為1.40 m～6.80 m；微風(fēng)化巖體為青灰色，巖石較堅(jiān)硬，完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，且多閉合。

水庫(kù)從大壩中部至右側(cè)下游坡高程約53.00 m至排水棱體頂部范圍內(nèi)，存在大面積濕潤(rùn)區(qū)及多處滲水點(diǎn)，濕潤(rùn)區(qū)及滲水點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2、圖3。

2 仿真分析

為探索工程下游壩坡出現(xiàn)大面積濕潤(rùn)區(qū)及多處滲水點(diǎn)的原因，本節(jié)采用GeoStudio軟件建立有限元分析模型，模擬大壩現(xiàn)狀工程性態(tài)。根據(jù)壩體、壩基地質(zhì)情況，同時(shí)考慮滲流觀測(cè)設(shè)施的埋設(shè)情況，選取最大壩高斷面進(jìn)行分析，該斷面位于老河床附近(樁號(hào)0+196)，壩高最大，壩后設(shè)有排水棱體，并以此斷面代表大壩的實(shí)際滲流運(yùn)行狀況。通過(guò)查閱工程設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)的施工資料，初步判斷可能的原因有：大壩排水棱體處施工時(shí)，在壩腳土體與反濾料之間鋪設(shè)一道土工布，經(jīng)多年運(yùn)行，大壩反濾排水棱體與其下部砂卵石層堵塞，排水不暢，導(dǎo)致壩體浸潤(rùn)線升高；大壩混凝土防滲心墻已失效及壩體材料防滲性能差。

圖2 大壩下游坡濕潤(rùn)區(qū)

圖3 大壩下游坡滲水點(diǎn)

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

Geo-Studio軟件是由美國(guó)GEO-SLOPE公司研發(fā)的巖土工程仿真分析軟件，具有強(qiáng)大的仿真分析功能，目前已廣泛應(yīng)用于巖土工程、水利工程及環(huán)境工程等領(lǐng)域[9]。該軟件由邊坡穩(wěn)定性分析模塊(SLOPE/W)，應(yīng)力變形有限元分析模塊(SIGMA/W)和地下水滲流分析模塊(SEEP/W)等八個(gè)子模塊構(gòu)成，各子模塊之間互相兼容，方便用戶同時(shí)對(duì)研究問(wèn)題進(jìn)行穩(wěn)定、滲流、應(yīng)力變形等仿真分析。本次土石壩滲流有限元分析采用Seep/w子模塊進(jìn)行，該模塊分為穩(wěn)態(tài)滲流和瞬態(tài)滲流兩種分析方法，此次分析選用穩(wěn)態(tài)滲流分析方法。

按以下步驟建立有限元分析模型：①選擇SEEP/W模塊啟動(dòng)軟件，設(shè)置工作區(qū)域的尺寸，根據(jù)大壩的實(shí)際大小尺寸，設(shè)置260 m×200 m的工作區(qū)，單位設(shè)置成以mm計(jì)，比例設(shè)為1∶1200；②設(shè)置坐標(biāo)軸和繪制模型，X軸方向設(shè)為距離，最大值300 m，增量為1 m，Y軸方向設(shè)為高程，最大值235 m，增量為1 m，按照選取的模型斷面圖在工作區(qū)繪制模型；③設(shè)置材料參數(shù)，滲透系數(shù)材料分析模型選擇僅飽和，具體滲透系數(shù)取值根據(jù)不同工況條件見(jiàn)表1，按分區(qū)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行賦值；④網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置，在繪圖工具里選擇網(wǎng)格劃分，模型的邊界條件設(shè)為壓力水頭或總水頭，對(duì)以下工況組合進(jìn)行有限元仿真計(jì)算：①上游水位68.53 m(現(xiàn)場(chǎng)查勘當(dāng)日庫(kù)水位)與下游相應(yīng)的最低水位47.00 m，反濾排水棱體與其下部砂卵石層未淤堵，防滲墻正常；②上游水位68.53 m與下游相應(yīng)的最低水位47.00 m，反濾排水棱體與其下部砂卵石層均淤堵，防滲墻正常；③上游水位68.53 m與下游相應(yīng)的最低水位47.00 m，反濾排水棱體與其下部砂卵石層未淤堵，防滲墻失效及壩體材料防滲性能差。土石壩滲流分析模型見(jiàn)圖4。

表1 大壩各分區(qū)的滲透系數(shù)取值表

圖4 有限元模型

2.2 仿真結(jié)果分析

當(dāng)排水棱體與其下部砂卵石層正常，且防滲墻正常時(shí)，壩體浸潤(rùn)線在排水棱體內(nèi)出逸，見(jiàn)圖5；當(dāng)排水棱體與其下部砂卵石層均淤堵時(shí)，且防滲墻正常時(shí)，壩體浸潤(rùn)線在排水棱體之上出逸，出逸點(diǎn)高程53.12 m(對(duì)應(yīng)上游水位68.53 m)，與現(xiàn)狀大壩下游干濕分界線高程較接近，見(jiàn)圖6；當(dāng)排水棱體與其下部砂卵石層正常，但防滲墻失效時(shí)，壩體浸潤(rùn)線在排水棱體之上出逸，出逸點(diǎn)高程53.60 m(對(duì)應(yīng)上游水位68.53 m)，亦與現(xiàn)狀大壩下游干濕分界線高程較接近，見(jiàn)圖7。因此，通過(guò)有限元法驗(yàn)證對(duì)大壩下游出現(xiàn)滲漏問(wèn)題的判斷，大壩反濾排水棱體與其下部砂卵石層堵塞，或大壩混凝土防滲心墻已失效及壩體材料防滲性能差是工程出現(xiàn)滲漏問(wèn)題的主要原因。

圖5 庫(kù)水位68.53 m下穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖(未淤堵，防滲墻正常)

圖6 庫(kù)水位68.53 m下穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖(淤堵，防滲墻正常)

圖7 庫(kù)水位68.53 m下穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖(未淤堵，防滲墻失效)

3 結(jié)論

本文根據(jù)某土石壩下游壩坡出現(xiàn)大面積濕潤(rùn)區(qū)情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘、設(shè)計(jì)和施工資料建立有限元仿真模型，將仿真分析結(jié)果與工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了有限元仿真分析方法的可靠性。

由有限元計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)排水棱體與其下部砂卵石層均淤堵時(shí)，且防滲墻正常時(shí)，壩體浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高程53.12 m，當(dāng)排水棱體與其下部砂卵石層正常，但防滲墻失效及壩體防滲性能差時(shí)，壩體浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高程53.60 m，兩種情況下均與現(xiàn)狀大壩下游干濕分界線高程較接近。因此，大壩反濾排水棱體與其下部砂卵石層堵塞，或大壩混凝土防滲心墻已失效及壩體材料防滲性能差是工程出現(xiàn)滲漏問(wèn)題的主要原因。