關(guān)萬(wàn)彬

(哈爾濱市阿城區(qū)牌路大街西泉眼水庫(kù)管護(hù)中心，黑龍江 阿城 150300)

1 研究背景

水庫(kù)工程是一個(gè)區(qū)域內(nèi)起到河流水資源的調(diào)節(jié)和人們正常生產(chǎn)生活用水的重要保證，滿足該區(qū)域中人們的用水需求，對(duì)水旱災(zāi)害防御、供水保障和農(nóng)業(yè)灌溉等至關(guān)重要，是水利工作中重要的組成部分。然而隨著水庫(kù)大壩運(yùn)行期限不斷的延長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到一定年限之后，大壩或多或少都存在著不同程度的隱患問題，影響了效益的有效發(fā)揮，有的甚至對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了威脅。國(guó)內(nèi)外很多失事的水庫(kù)數(shù)據(jù)表明，許多病險(xiǎn)水庫(kù)失事的原因都是大壩的滲透破壞，滲透破壞最終導(dǎo)致水庫(kù)工程潰壩等嚴(yán)重的事故更是層出不窮。比如在1964年巴爾德溫山壩就是因?yàn)殇伾w和基礎(chǔ)接觸面發(fā)生了滲透破壞而造成事故；1976年美國(guó)提頓壩由于滲透破壞而發(fā)生潰壩；1974年中國(guó)河南甘澗水庫(kù)由于壩體出現(xiàn)滲漏造成了垮壩[1]等等?？梢姡瑢?duì)土石壩的滲流分析顯得十分必要，通過研究和分析成果，推出切實(shí)可行的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案，為工程設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)支持和依據(jù)[2]。

2 計(jì)算理論

對(duì)于穩(wěn)定滲流，符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場(chǎng)，水頭勢(shì)函數(shù)滿足微分方程：

(1)

式中：φ=φ(x,y)為待求水頭勢(shì)函數(shù)；x，y為平面坐標(biāo)；Kx，Ky為x，y軸方向的滲透系數(shù)。

水頭φ還必須滿足一定的邊界條件，經(jīng)常出現(xiàn)以下幾種邊界條件：

1) 在上游邊界上水頭已知

φ=φn

(2)

2) 在逸出邊界水頭和位置高程相等

φ=z

(3)

3) 在某邊界上滲流量q已知

(4)

式中：lx，ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

將滲流場(chǎng)用有限元離散，假定單元滲流場(chǎng)的水頭函數(shù)勢(shì)φ為多項(xiàng)式，由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式，可導(dǎo)得出線性方程組：

[H]{φ}={F}

(5)

式中：[H]為滲透矩陣；{φ}為滲流場(chǎng)水頭；{F}為節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解以上方程組可以得到節(jié)點(diǎn)水頭，據(jù)此求得單元的水力坡降，流速等物理量。求解滲流場(chǎng)的關(guān)鍵是確定浸潤(rùn)線位置，Auto-bank7.7采用節(jié)點(diǎn)流量平衡法通過迭代計(jì)算自動(dòng)確定浸潤(rùn)線位置和滲流量[3]。

3 大壩滲流實(shí)例分析

3.1 工程實(shí)例

西泉眼水庫(kù)位于哈爾濱市東南部尚志市、五常市、哈市阿城區(qū)交界處的平山鎮(zhèn)，阿什河中上游西泉眼村附近，距哈爾濱市中心93km。西泉眼水庫(kù)是一座以農(nóng)田灌溉和防洪除澇為主，兼顧水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市備用水源等綜合利用的大(2)型水庫(kù)，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物為2級(jí)，按100a一遇洪水設(shè)計(jì)，10000a一遇洪水校核[4]。

壩頂寬8.0m，壩頂高程為215.10m，壩頂長(zhǎng)度為400.56m。壩頂設(shè)鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程為216.30m，防浪墻底與黏土心墻及防滲墻頂相接，黏土心墻頂高程為213.10m。上游205.10m馬道以上壩坡為1∶2.25，設(shè)混凝土板護(hù)坡，護(hù)坡厚25cm，下設(shè)砂礫石墊層，205.10m馬道以下壩坡為1∶3.0，采用堆石護(hù)坡。下游在205.10m設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬2.0m，壩坡均為1∶2.0，設(shè)碎石護(hù)坡，護(hù)坡厚為20cm。在194.00m設(shè)棱體排水，頂寬為3.0m，外坡坡比為1∶2.0，坡腳處設(shè)排水溝，排水溝底寬為1.0m，邊坡為1∶1.5。西泉眼水庫(kù)于1996年建成蓄水，2007年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。

3.2 計(jì)算方法

文章采用了二維有限元的方法對(duì)土壩進(jìn)行了滲流分析[5]，其中，有限元方法計(jì)算中的多種的計(jì)算數(shù)據(jù)都是通過單元頂點(diǎn)來進(jìn)行傳遞的[6]，因此單元之間要點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)、線對(duì)應(yīng)線，并且要求同一條土層線上所劃分的單元的數(shù)量是相同的。文章應(yīng)用了Auto-bank7.7軟件對(duì)不同計(jì)算工況下的土壩結(jié)構(gòu)的滲流進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬分析[7]。

3.3 計(jì)算斷面及計(jì)算參數(shù)

本次滲流計(jì)算斷面選取接近最大壩高斷面0+285進(jìn)行有限元計(jì)算分析，西泉眼水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)是在土壩上沿現(xiàn)有礫質(zhì)土心墻軸線從心墻頂?shù)交A(chǔ)上修建一道塑性混凝土防滲墻，塑性混凝土墻穿透該層達(dá)到基巖，基巖表層破碎厚度約5m，采用帷幕灌漿防滲，本次分別計(jì)算除險(xiǎn)加固前后，校核水位、設(shè)計(jì)水位及正常蓄水下的土壩滲流狀態(tài)，壩體、壩基滲透系數(shù)表，見表1。除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前土壩斷面材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格劃分，見圖1；增加防滲墻設(shè)計(jì)后的土壩斷面材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格劃分，見圖2。

表1 壩體、壩基滲透系數(shù)表

圖1 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前土壩斷面材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格劃分

圖2 增加防滲墻設(shè)計(jì)后的土壩斷面材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格劃分

3.4 計(jì)算成果

利用 Auto-bank 7.7滲流有限元軟件對(duì)土壩進(jìn)行滲流數(shù)值計(jì)算。通過計(jì)算可以得到壩體在滲流過程中的浸潤(rùn)線、流速、水頭、水壓及水力坡降等結(jié)果，本次進(jìn)行了多種工況下的滲流分析并舉例列出校核水位下的計(jì)算結(jié)果，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前土壩滲流有限元分析結(jié)果，見圖3；增加防滲墻設(shè)計(jì)后的土壩滲流有限元分析結(jié)果，見圖4。

圖3 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前土壩滲流有限元分析結(jié)果

圖4 增加防滲墻設(shè)計(jì)后的土壩滲流有限元分析結(jié)果

3.5 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前后土壩的滲流分析比較

通過對(duì)西泉眼水庫(kù)土壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前后滲流形態(tài)的分析，研究除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)后壩體的滲流狀態(tài)，通過上圖計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，防滲墻設(shè)計(jì)能夠使土壩的浸潤(rùn)線明顯降低，改善土壩滲流狀態(tài)，具體分析比較成果如下。除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前后土壩的滲流分析結(jié)果比較表，見表2。

表2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前后土壩的滲流分析結(jié)果比較表

通過Auto-bank7.7有限元分析的滲流計(jì)算結(jié)果可以看出，在土壩心墻軸線增設(shè)防滲墻設(shè)計(jì)能夠顯著的減少土壩的滲流量，這是避免壩體出現(xiàn)滲透破壞的切實(shí)有效的處理措施。除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前后土壩的滲流分析結(jié)果對(duì)比圖，見圖5。

圖5 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)前后土壩的滲流分析結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié) 論

1)通過對(duì)土壩除險(xiǎn)加固前后壩體的滲流性態(tài)分析可知，在土壩心墻軸線增設(shè)防滲墻能夠顯著提升壩體的防滲效果，明顯的降低了土壩斷面的浸潤(rùn)線、減少了土壩的滲流量，是處理存在滲流破壞隱患的病險(xiǎn)壩段有效措施。

2)采用二維有限元法對(duì)土壩滲流分析，利用Auto-bank7.7對(duì)土壩斷面進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，能夠準(zhǔn)確且直觀的獲取斷面浸潤(rùn)線的位置及滲流形態(tài)，取得土壩滲流量、流速、水頭、水壓及水力坡降等結(jié)果，為大壩安全評(píng)價(jià)及水利工程設(shè)計(jì)提供判斷和設(shè)計(jì)依據(jù)。