徐 銘，張 宇，趙 敬，盧 斌，鞏 炎，鄭福杰，謝興華

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.岳西縣水利局，安徽 岳西 246600)

1 工程概況

云峰水庫(kù)所處區(qū)域主要分布地層為五臺(tái)～呂梁期混合花崗巖(Mγ1- 22)和近代人工填土層(Qs)。五臺(tái)～呂梁期混合花崗巖(Mγ1- 22)表層一般呈全風(fēng)化狀態(tài)；近代人工填土層(Qs)主要分布于水庫(kù)大壩壩身，填土成份主要以灰、黃色中粗砂為主，土體一般呈松散狀態(tài)。水庫(kù)地處大別山高山區(qū)，庫(kù)周山峰高程均在1000.00m以上，地勢(shì)起伏，大壩壩頂高程1016.30m左右，壩后地面高程999.00m左右。工程區(qū)域內(nèi)地下水類型為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于全風(fēng)化花崗巖、人工填土中。工程區(qū)地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，以地表蒸發(fā)、向水庫(kù)及壩后排泄為主要排泄方式；裂隙水分布于強(qiáng)～弱基巖裂隙中，主要受庫(kù)水及大氣降水補(bǔ)給，以地表蒸發(fā)和向壩后排泄為主要排泄方式。

水庫(kù)工程等別為Ⅴ等小(2)型工程，主要建筑物5級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。水庫(kù)工程由大壩、溢洪道和放水隧洞組成：①大壩為粘土心墻壩，壩頂高程為1016.30m，壩頂寬3m，壩長(zhǎng)80m，最大壩高15.3m，大壩迎水坡坡比為1∶2.8、背水坡坡比為1∶2.3。②溢洪道位于大壩右岸，依低洼山體開(kāi)挖而成，為開(kāi)敞式溢洪道，總長(zhǎng)92m，進(jìn)口底高程1013.30m，底寬2m。溢洪道建于強(qiáng)風(fēng)化基巖上，進(jìn)口段底板、邊墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，陡坡段底板、邊墻為混凝土澆筑，消力池為漿砌石，結(jié)構(gòu)基本完整。③放水隧洞位于大壩右端山體內(nèi)，為1.6m×1.8m城門洞型，洞底高程1003.00m，全長(zhǎng)77m，隧洞用C20鋼筋混凝土進(jìn)行全洞襯砌，襯砌厚度25cm。放水隧洞進(jìn)口采用封閉的岸塔式結(jié)構(gòu)，進(jìn)口底高程1003.00m，由喇叭口，閘槽段、啟閉平臺(tái)及便橋等部分組成。自進(jìn)口開(kāi)始內(nèi)套鋼管，鋼管進(jìn)口段設(shè)4m長(zhǎng)混凝土堵頭，出口閘閥控制放水。

2 水庫(kù)大壩防滲控制措施

大壩為粘土心墻壩，上游齒墻深入全風(fēng)化層1.5m，壩體采用土工膜防滲體系，壩肩及壩基采用帷幕灌漿防滲。由于云峰水庫(kù)壩基下存在強(qiáng)透水的風(fēng)化層，為延長(zhǎng)地下水滲流路徑，防止壩基發(fā)生滲透破壞，在上游壩腳處設(shè)置截水槽，灌漿孔布置在截水槽下，并向左岸山體延伸40m，右岸山體延伸30m(含溢洪道)，單排孔，孔間距2.0m，帷幕底至弱風(fēng)化層。施工前，根據(jù)試驗(yàn)確定壩基風(fēng)化層的可灌性，再確定帷幕底進(jìn)入弱風(fēng)化層的深度，并重新核定壩基帷幕灌漿的范圍及深度。灌漿方法采用自上而下分段孔內(nèi)循環(huán)法灌注，灌漿材料采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5級(jí)。

3 模型構(gòu)建

為了全面反映云峰水庫(kù)在運(yùn)行期間的運(yùn)行狀態(tài)，考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際工程情況，構(gòu)建二維有限元滲流計(jì)算模型。計(jì)算時(shí)選用Geostudio軟件中的seep模塊處理飽和非飽和土體滲流問(wèn)題，采用自動(dòng)剖分法進(jìn)行網(wǎng)格剖分，有限元模型采用三角形四邊形進(jìn)行離散。根據(jù)工程所在地區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，將典型斷面按照材料和滲透系數(shù)的不同進(jìn)行分區(qū)，分為地基、帷幕灌漿、復(fù)合土工膜、砂殼、大壩心墻等5種，將土體透水性均概化為非均質(zhì)各向同性，計(jì)算典型斷面滲流量及滲透坡降。壩體模型分區(qū)及滲流邊界示意圖如圖1所示。

3.1 計(jì)算模型

假設(shè)水體在土石壩內(nèi)流動(dòng)符合達(dá)西定律，忽略水的可壓縮性以及土體孔隙中氣體的影響，本文計(jì)算滲流模型選取符合達(dá)西定律的非均質(zhì)各向異性不可壓縮流體的二維空間穩(wěn)定滲流，其滲流域內(nèi)任一點(diǎn)水頭函數(shù)h應(yīng)滿足下述基本方程式：

(1)

式中，x、y—橫縱坐標(biāo)；kx、ky—x、y方向的水力傳導(dǎo)系數(shù)；h—待求水頭函數(shù)，h(x，y)。

與方程(1)式相對(duì)應(yīng)的定解條件為：

流量邊界以及飽和溢出面邊界：

(2)

水頭邊界：

h|Γ1=h1(x，y，z)

(3)

其中邊界面：

Γ=Γ1+Γ2+Γ3

(4)

式中，Г1—第一類邊界，如上、下游水位邊界，自由滲出段邊界等已知水頭邊界；Г2—不透水邊界和潛流邊界等第二類邊界，即已知流量邊界；Г3—自由面邊界，在其上q=0，自由面上任一點(diǎn)需滿足h=z。

3.2 計(jì)算工況

為全面反映云峰水庫(kù)大壩在正常運(yùn)行條件及非正常運(yùn)行條件下大壩滲流狀態(tài)，根據(jù)導(dǎo)則的有關(guān)規(guī)定，計(jì)算工況采用正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位3種工況進(jìn)行計(jì)算。云峰水庫(kù)正常蓄水位1013.30m，對(duì)應(yīng)下游水位999.00m；設(shè)計(jì)洪水位1014.24m，對(duì)應(yīng)下游水位999.00m；校核洪水位1014.98m，對(duì)應(yīng)下游水位999.00m，具體工況見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況表

3.3 材料分區(qū)與滲透系數(shù)計(jì)算參數(shù)

在云峰水庫(kù)灌漿帷幕中，通過(guò)壓力灌漿法采用自上而下分段灌漿方式進(jìn)行灌漿，灌漿帷幕底進(jìn)入弱風(fēng)化層。一般情況下，防滲帷幕的滲透系數(shù)可達(dá)到1.0×10-5cm/s，而且帷幕灌漿的滲透系數(shù)與灌漿工法以及地層巖性相關(guān)。因此，典型斷面帷幕灌漿區(qū)域的滲透系數(shù)定義為1.0×10-5cm/s，典型斷面的其他區(qū)域材料參數(shù)的選取，主要依據(jù)可研報(bào)告、初設(shè)報(bào)告、地質(zhì)勘察報(bào)告、工程類比以及GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》等。大壩有限元計(jì)算模型材料分區(qū)為地基土、灌漿帷幕、復(fù)合土工膜、砂殼、大壩心墻等5種。典型斷面的各材料分區(qū)滲透系數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 土石壩模型分區(qū)材料滲透系數(shù)

圖1 壩體模型分區(qū)及滲流邊界示意圖

3.4 計(jì)算斷面

考慮到大壩現(xiàn)狀，根據(jù)大壩運(yùn)行、觀測(cè)資料，在河床壩段選取具有代表性的典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算。針對(duì)土石壩斷面建立二維有限元網(wǎng)絡(luò)模型。模型范圍自壩踵起向上游延伸61.50m、自壩趾起向下游延伸40.50m、深度向下延伸68.50m。劃分的單位，采用四邊形和三角形網(wǎng)格，全局單元大概尺寸為1m。土石壩段共剖分9523個(gè)單元，共9685個(gè)節(jié)點(diǎn)，土石壩段有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

4 滲流計(jì)算分析

4.1 滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)二維有限元滲流計(jì)算，得到各計(jì)算工況下穩(wěn)定滲流的滲流等水頭線。如圖3—5所示分別是正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位以及校核洪水位下壩體典型斷面內(nèi)滲流場(chǎng)分布。由圖3—5浸潤(rùn)線分布可知，在不同工況下典型斷面的滲流場(chǎng)等水頭線分布均勻，等水頭線走勢(shì)以及密度基本一致。浸潤(rùn)線在經(jīng)過(guò)土工膜后顯著降低，說(shuō)明土工膜防滲體系起到了主要的防滲功能，壩體內(nèi)浸潤(rùn)面位置不高，浸潤(rùn)線出心墻后進(jìn)一步降低，滲透水流主要集中在壩基附近，出口位于排水棱體底部，可見(jiàn)大壩心墻具有顯著的擋水作用。因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，水能在通過(guò)土工膜及心墻后大幅減小，壩體內(nèi)滲流自由面比較低，大部分屬于疏干區(qū)，土工膜及土石壩心墻形成了比較完善的聯(lián)合防滲體系。

4.2 滲透坡降及滲流量

壩體典型斷面在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位工況下，單寬壩段(含壩基)的壩基坡降及滲透流量[6]見(jiàn)表3。在進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)恰當(dāng)?shù)倪x取臨界坡降值以判斷壩體滲流穩(wěn)定。由于缺乏試驗(yàn)資料，根據(jù)云峰水庫(kù)地質(zhì)勘察資料，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算來(lái)確定一個(gè)合理的臨界水力坡降。臨界坡降計(jì)算的毛昶熙公式[7]為：

(5)

通過(guò)查閱云峰水庫(kù)地勘資料可知n=0.051、d5=0.002mm、d15=0.0052mm、d85=1.8mm。通過(guò)計(jì)算得到臨界坡降Jc=0.51。

圖2 云峰水庫(kù)大壩斷面模型網(wǎng)格剖分圖

圖3 土石壩段正常蓄水位滲流等水頭線圖

圖4 土石壩段設(shè)計(jì)洪水位滲流等水頭線圖

圖5 土石壩段校核洪水位滲流等水頭線圖

表3 各類無(wú)粘性土的破壞坡降和允許坡降

表3中，由于臨界坡降計(jì)算值Jc=0.51，屬于過(guò)渡性滲透破壞形式，安全系數(shù)取為1.5。因此，云峰水庫(kù)壩基允許滲透坡降為0.34。

滲流計(jì)算成果見(jiàn)表4，由表4可見(jiàn)：

表4 土石壩段滲流計(jì)算成果表

(1)各工況下在出逸高程處的壩基坡降都比較大，各個(gè)工況下的壩基滲透坡降均位于壩基允許滲透坡降范圍內(nèi)，基本滿足滲流穩(wěn)定要求。在設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位的工況下壩基坡降最大為0.34，恰好等于臨界水力坡降臨界最大值，在水庫(kù)水位過(guò)高的情況下可能引起壩基附近發(fā)生滲透破壞。針對(duì)這種情況要做好水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工作，應(yīng)采取延長(zhǎng)滲徑，減小壩基坡降的抗?jié)B措施，且在極端天氣下要加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)的監(jiān)測(cè)，防止?jié)B透坡降過(guò)大，發(fā)生滲透破壞。

(2)壩體單寬流量較大，壩體在土工膜、帷幕灌漿以及粘土心墻等聯(lián)合防滲體系下滲流量是比較小的，而壩基位于全風(fēng)化花崗巖以及人工填土的地層中，基巖的滲透系數(shù)比較大，具有較強(qiáng)的透水能力。

綜上所述，壩體典型斷面的滲漏量比較大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，下游壩腳存在滲漏，地表沼澤化。

5 結(jié)論

(1)大壩形成了相對(duì)完整的防滲體系，但是該體系分兩個(gè)階段建成，連接部位的密封情況不明。

(2)在不同工況下典型斷面的滲流場(chǎng)等水頭線分布均勻，等水頭線走勢(shì)以及密度基本一致。

(3)大壩滲流復(fù)核計(jì)算結(jié)果顯示基礎(chǔ)滲流量較大，浸潤(rùn)面位置不高，出滲點(diǎn)在排水棱體底部，未在壩坡出滲。出口坡降小于基巖強(qiáng)風(fēng)化層的抗?jié)B坡降，滲流基本穩(wěn)定。但要密切觀察下游出滲情況，特別是庫(kù)水位較高時(shí)，一旦出現(xiàn)流量增大或渾水出滲，應(yīng)立即采取措施處理，確保大壩安全。