張向勇

(韶關(guān)市華源水電建設(shè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512000)

水庫除險(xiǎn)加固中滲流安全評價(jià)是非常重要的內(nèi)容。在壩與水庫失事的事故統(tǒng)計(jì)中，約有1/4是由于滲流問題引起的，異常滲流可能導(dǎo)致流土、接觸流土、管涌、沖刷、接觸沖刷等破壞。因此，深入研究大壩滲流問題，控制滲流是非常重要的。

1 工程概況

始興縣位于廣東北部，南嶺山脈南麓，居北江上游、湞江中游地帶，地跨E113°54′-E114°22′，N24°31′-N25°60′。流田水庫位于始興縣沈所鎮(zhèn)境內(nèi)，坐落該鎮(zhèn)南方村委會，位于南方村委會上南坑村西南約1.20 km處。水庫總庫容為142.74×104m3，灌溉面積200 hm2以上，保護(hù)人口2 000人，是以灌溉為主，兼顧防洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖的小(Ⅰ)型水庫，設(shè)定IV級的工程等別。其中,永久性水工建筑物為4級，包括大壩、輸水隧洞和溢洪道等。

2 評價(jià)依據(jù)

2.1 工程等級及洪水標(biāo)準(zhǔn)

流田水庫集雨面積為6.00 km2，總庫容為142.74×104m3，灌溉面積200 hm2以上，保護(hù)人口2 000人。根據(jù)水利部《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2017)的有關(guān)規(guī)定，流田水庫為IV級工程等別，庫型為小(Ⅰ)型，主要永久性建筑物評定為4級，次要永久性建筑物評定為5級。

根據(jù)國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2017)的有關(guān)規(guī)定，Ⅳ等工程水庫大壩(土石壩，壩高>15 m)必須根據(jù)30～50年一遇的洪水設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，而校核標(biāo)準(zhǔn)是300～1 000年。因此，本文除險(xiǎn)加固評價(jià)洪水標(biāo)準(zhǔn)仍采用50年一遇洪水設(shè)計(jì)、500年一遇洪水校核；永久性泄水建筑物消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，滿足規(guī)范要求[1]。

2.2 地 震

流田水庫地區(qū)的地震基本烈度無論歷史還是近代都不超過Ⅵ度，主要以間歇性抬升主導(dǎo)新構(gòu)造運(yùn)動，該地區(qū)呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的新構(gòu)造活動。地震在工程區(qū)內(nèi)的動峰值加速度為0.05 g，地震譜特征表現(xiàn)在動加速度的周期為0.35 s，地震對應(yīng)的烈度基本屬于Ⅵ度，場區(qū)總體上屬于構(gòu)造穩(wěn)定性較好的地區(qū)[2]。

2.3 水文特征參數(shù)

流田水庫除險(xiǎn)加固工程特征參數(shù)見表1，本次滲流安全穩(wěn)定分析計(jì)算采用表1中水位。

表1 工程特性表

3 現(xiàn)場滲透監(jiān)測

2008-2020年對大壩進(jìn)行監(jiān)測，流田水庫大壩滲流壓力監(jiān)測設(shè)備共設(shè)有4排16支，并進(jìn)行測壓管高程校核，現(xiàn)狀水庫共設(shè)置有4排監(jiān)測橫斷面，每個(gè)監(jiān)測橫斷面間距47.70 m。共設(shè)置4條監(jiān)測線；滲壓觀測仍采用電測水位計(jì)進(jìn)行人工測量。每次水平測讀2次，其讀數(shù)差不大于1 cm，滲透監(jiān)測基本滿足《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 551-2012)要求。

2020年，工程地質(zhì)勘察工作為收集本地區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料和以上歷史勘察成果，進(jìn)行實(shí)地工程地質(zhì)調(diào)查。野外勘察工作以庫區(qū)地質(zhì)測繪和現(xiàn)場取樣為主，輔以地表調(diào)查，工作重點(diǎn)為對可能出現(xiàn)影響水庫安全運(yùn)行的工程缺陷和病險(xiǎn)進(jìn)行排查。通過滲透監(jiān)測數(shù)據(jù)整編圖表內(nèi)容與計(jì)算值和預(yù)測值進(jìn)行對比，大壩實(shí)測的浸潤線與預(yù)測值、計(jì)算值偏差較小，總體誤差在可接受范圍內(nèi)，因此滲透監(jiān)測數(shù)據(jù)是可靠的[3]。

現(xiàn)場檢查時(shí)，庫區(qū)處于低水位狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)大壩有滲漏現(xiàn)象，兩岸壩肩及壩基均沒有滲漏情況。本文主要對大壩進(jìn)行滲流安全評價(jià)分析，加固后大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果一致。

4 滲流安全評價(jià)

4.1 評價(jià)方法

流田庫區(qū)為地形封閉的盆地，四周都是中度和低度高的山巒，未見大斷裂的區(qū)域發(fā)育，基巖裂縫性成為地下水運(yùn)動通道的主要特征，并呈現(xiàn)偏高的地下水位，本文僅對主壩作滲流安全分析。滲流安全評價(jià)主要方法：根據(jù)現(xiàn)場檢查、運(yùn)行管理資料、勘察報(bào)告分析，復(fù)核大壩安全運(yùn)行現(xiàn)狀；依據(jù)滲流復(fù)核成果、滲流監(jiān)測資料進(jìn)行綜合分析，評價(jià)大壩滲流安全性[4]。

4.2 計(jì)算斷面選取

結(jié)合《2020年流田水庫大壩安全鑒定項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察報(bào)告》的地質(zhì)資料與實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，上游為壩軸線以上50 m，下游從壩腳線向下100 m，大壩兩端距壩50 m。流田水庫大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算選取大壩加固后實(shí)測最大斷面(圖1)，按規(guī)范要求分別對加固后的大壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析評價(jià)。

圖1 水庫壩體計(jì)算斷面

5 滲流計(jì)算分析

5.1 計(jì)算方法

大壩計(jì)算參數(shù)、填料性質(zhì)、布置等依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查收集資料、鉆探試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，作滲流計(jì)算分析時(shí)，選取大壩加固后實(shí)測最大斷面進(jìn)行計(jì)算分析。

5.1.1 計(jì)算參數(shù)選定

根據(jù)水庫特征水位情況，計(jì)算剖面主要的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 大壩物理力學(xué)參數(shù)

5.1.2 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)的規(guī)則，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中該水庫可能發(fā)生的不良狀況，模擬以下工況的計(jì)算：

常規(guī)的應(yīng)用條件下，計(jì)算下游無水的穩(wěn)定滲流：

工況1：置于280.90 m的正常蓄水位情況下。

工況2：置于282.83 m的洪水位情況下。

特殊應(yīng)用條件Ⅰ：

在校核洪水位下，由于洪水歷時(shí)很短，不足以形成穩(wěn)定滲流，即在校核洪水位下形成穩(wěn)定滲流的可能性不大，因此僅考慮水庫水位的非常降落情況。

工況3：從校核洪水位(283.29 m)降落至正常蓄水位(280.90 m)時(shí)的非穩(wěn)定滲流。

工況4：從正常蓄水位(280.90 m)降至死水位(262.75 m)時(shí)的非穩(wěn)定滲流。

5.2 計(jì)算原理

根據(jù)流田水庫大壩運(yùn)行管理及工程實(shí)際情況，擬采用有限元法進(jìn)行大壩滲流計(jì)算分析，其基本原理如下：

對符合達(dá)西定律的二向滲流，在各向異性的情況下，假定選擇的坐標(biāo)系與其滲透的主方向一致，且土體為不可壓縮時(shí)，水頭函數(shù)滿足下述微分方程：

(1)

式中：θ=θ(x,y)為待計(jì)算的水頭勢函數(shù)；x、y為平面坐標(biāo)；Kx、Ky分別為X、Y軸方向滲透系數(shù)。

水頭θ要與特定的邊界條件相符合，邊界條件表現(xiàn)在下列幾種情況：

1) 已經(jīng)確定在上游邊界上水頭：

θ=θn

(2)

2) 與位置高程等同的逸出邊界水頭：

θ=z

(3)

3) 已經(jīng)確定的某邊界上滲流量q：

(4)

其中：lx、ly為邊界表面向外法線在X、Y方向的余弦。

將滲流場用有限元離散，假定單元滲流場的水頭函數(shù)勢θ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)出線性方程組：

[H]{θ}={F}

(5)

式中：[H]為滲透矩陣；{θ}為滲流場水頭；{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。求解滲流場的關(guān)鍵是確定浸潤線位置，Autobank采用節(jié)點(diǎn)流量平衡法通過迭代計(jì)算自動確定浸潤線位置和滲流量[5]。

5.3 計(jì)算及結(jié)論分析

5.3.1 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究有限公司開發(fā)的“理正滲流分析軟件”進(jìn)行壩坡滲流有限元法分析計(jì)算。經(jīng)計(jì)算結(jié)果如下：

加固后大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3及圖2，計(jì)算過程略。水庫在正常蓄水位(280.90 m)下運(yùn)行時(shí)，表3為計(jì)算穩(wěn)定滲流浸潤線結(jié)果，圖2為等勢線分布圖。

圖2 正常蓄水位下穩(wěn)定滲流等勢線分布圖

表3 正常蓄水位運(yùn)用形成穩(wěn)定滲流浸潤線計(jì)算結(jié)果

續(xù)表3

水庫在設(shè)計(jì)洪水位(282.83 m)下運(yùn)行時(shí)，形成穩(wěn)定滲流浸潤線計(jì)算結(jié)果見表4，等勢線分布見圖3。

表4 設(shè)計(jì)洪水位運(yùn)用形成穩(wěn)定滲流浸潤線計(jì)算結(jié)果

續(xù)表4

圖3 設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流等勢線分布圖

當(dāng)庫水位從校核洪水位降至正常蓄水位時(shí)，由于歷時(shí)較短(計(jì)算累計(jì)時(shí)間約2.5 d)，應(yīng)按庫水位下降過程計(jì)算自由面下降位置。經(jīng)計(jì)算，上游壩坡保持了約100%的水頭，對壩坡穩(wěn)定不利。但通過分析土壩壩坡穩(wěn)定性，目前上游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)的最小安全值為1.673，完全符合1.15的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，顯示壩坡的穩(wěn)定性良好。見圖4。

圖4 校核洪水位降至正常水位時(shí)的非穩(wěn)定滲流等勢線分布圖

當(dāng)庫水位從正常蓄水位降至死水位時(shí)，由于歷時(shí)較長(計(jì)算累計(jì)時(shí)間約10 d)，應(yīng)按庫水位下降過程計(jì)算自由面下降位置。經(jīng)計(jì)算，上游壩坡保持了約90%的水頭，對壩坡穩(wěn)定不利。但根據(jù)土壩壩坡穩(wěn)定分析，此時(shí)上游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.589，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的1.15的要求，表明壩坡是穩(wěn)定的。見圖5。

圖5 正常蓄水位降至死水位時(shí)的非穩(wěn)定滲流等勢線分布圖

5.3.2 加固后大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)論

未見有溢出坡面出現(xiàn)在穩(wěn)定滲流背水坡上，水力坡度均在坡降下限值的范圍內(nèi)，說明大壩在穩(wěn)定滲流期的安全性；在水位下降時(shí)期，不利于迎水坡滲流，通過計(jì)算和分析壩坡的穩(wěn)定性，上游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)在規(guī)范的最小系數(shù)之內(nèi)，顯示了壩坡的穩(wěn)定性。

6 流田水庫大壩滲流安全評價(jià)

大壩兩岸基巖裸露，為弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體透水率q值為3.99～4.5 Lu，相對不透水；分布在河床沖洪積層之下的碎石土，中密～密實(shí)，其滲透系數(shù)K值數(shù)量級為10-4，透水性中等。但根據(jù)運(yùn)行期大壩逐月滲漏量觀測數(shù)據(jù)顯示，每年壩體滲漏量基本是保持穩(wěn)定的，且壩體滲漏量沒有明顯的增加，因此壩體滲流還是安全的。據(jù)滲透穩(wěn)定分析計(jì)算成果來看，壩體段不會發(fā)生滲透破壞，與現(xiàn)場檢查結(jié)果一致，未發(fā)現(xiàn)大壩有滲漏現(xiàn)象。

7 結(jié) 論

通過綜合分析水庫主壩填料滲透特性、運(yùn)行過程中的滲流情況、滲流復(fù)核計(jì)算成果、現(xiàn)場檢查情況以及地質(zhì)勘察成果可知，該水庫大壩壩體填土滲透系數(shù)滿足規(guī)范要求，經(jīng)滲流分析，流田水庫大壩滲流穩(wěn)定安全，不會發(fā)生滲透破壞。從分析結(jié)果可見，壩體無滲流異常，不影響水庫大壩安全，同時(shí)結(jié)合《始興縣公益性小型水庫大壩安全評價(jià)項(xiàng)目沈所鎮(zhèn)流田水庫大壩安全評價(jià)報(bào)告》中流田水庫滲流安全評價(jià)的評價(jià)結(jié)果，流田水庫滲流安全評價(jià)等級為B級。