呂 輝，簡鴻福，戴 霖，冷美玲

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330000；2.江西省洪圖技術(shù)咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

1 概述

觀測資料分析和數(shù)值模擬計算是復(fù)核大壩滲流穩(wěn)定安全與否的常用手段[1- 2]。通過觀測資料分析，可以了解大壩在不同庫水位條件下的滲流性態(tài)，并對壩體防滲與排水設(shè)施的性狀進行初步判斷[3- 4]。數(shù)值模擬則可實現(xiàn)大壩在單一運行工況或多種聯(lián)合工況[5- 8]下的滲流穩(wěn)定模擬計算，是大壩安全復(fù)核的重要內(nèi)容。由于壩體各分區(qū)的材料參數(shù)的真實性對數(shù)值模擬計算的結(jié)果影響較大[9]，尤其是防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)往往受施工、壩體變形及運行期間發(fā)生問題的影響，與原設(shè)計值差異較大，容易造成模擬計算結(jié)果與實際不符。本文以某水庫為例，通過觀測資料分析并反演出符合實際情況的材料滲透系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進行正常運行和非正常運行工況下的滲流與穩(wěn)定計算，對大壩滲流安全和壩坡穩(wěn)定狀態(tài)進行評價，為水庫下一步開展大壩安全評價和除險加固提供依據(jù)。

2 工程概況

某水庫大壩為均質(zhì)土壩，沿壩軸線設(shè)混凝土防滲心墻進行防滲，壩頂設(shè)混凝土路面，上游壩坡采用拋填塊石護坡和混凝土預(yù)制塊護坡，下游壩坡為草皮護坡，壩腳設(shè)排水棱體。壩頂高程89.80m，最大壩高39.2m，壩頂長455.0m、寬5.5m；混凝土防滲墻厚0.8m，頂高程87.0m，底部深入基巖不小于1.5m。上游壩坡在高程81.60m設(shè)一寬2.0m的馬道，高程70.90m設(shè)一寬4.0m的馬道，高程70.90m以上采用混凝土預(yù)制塊護坡，坡比自上而下分別為1∶2.70、1∶3.00，高程70.90m以下采用拋填塊石護坡，坡比為1∶4.50；下游壩坡為草皮護坡，在高程80.50、71.00m分別設(shè)2.0m寬的馬道，自上而下坡比依次為：1∶2.50、1∶2.85、1∶3.00。壩腳設(shè)排水棱體，頂高程61.30m，頂寬2.5m，內(nèi)坡1∶1.00，外坡1∶1.50。

大壩滲流觀測在壩體樁號0+135、0+250、0+330三個斷面布置了測壓管，每排4根，共設(shè)置了12個測點，分別位于上游壩坡高程88.40m和下游壩坡高程88.20、80.60、71.10m處。

水庫在運行過程中，大壩右壩肩擋土墻存在1處滲水逸出點群，當庫水位上升至74.5m時開始滲水，且滲水量隨庫水位上升而增大。經(jīng)開挖檢查，大壩排水棱體僅表層約25cm厚有較大塊石堆砌，挖開表層塊石后，為1層厚度約30cm的黏土層，黏土以內(nèi)棱體內(nèi)無大塊石堆填，僅由風(fēng)化料和黏土混合在一起，風(fēng)化料粒徑細小，未見反濾層。

3 觀測資料分析

根據(jù)歷年觀測資料分析及大壩運行情況，壩體0+330斷面混凝土防滲墻后浸潤線下降緩慢，浸潤線出逸點位置偏高，因此選擇該斷面為主要分析對象。圖1表示2010年9月9日—2017年12月31日期間，大壩0+330斷面處的測壓管管水位與庫水位變化過程線，圖2表示最高庫水位83.74m與歷年平均庫水位74.39m工況下的大壩測壓管水位位置圖。由圖1可知，該斷面測壓管管水位與庫水位具有較好的相關(guān)性，但相對庫水位存在一定的滯后性；圖2中，DU9與DU10管水位平均水頭差為8.21m，消殺位勢42%，防滲墻仍具有一定的防滲效果。測壓管DU11、DU12管水位下降較慢，表明下游排水棱體存在淤堵，與實際檢查情況一致。

圖1 壩體0+330斷面測壓管管水位變化過程線

圖2 壩體0+330觀測橫斷面測壓管水位位置圖(單位：m)

4 計算模型與參數(shù)反演

4.1 計算模型

為分析水庫大壩滲流穩(wěn)定情況，選取大壩樁號0+330斷面為計算模型進行分析，如圖3所示。大壩各分區(qū)材料參數(shù)見表1。根據(jù)施工資料記載，防滲墻采用了沖擊鉆造墻、人工挖孔樁回填等施工工藝，在灌注過程中多次出現(xiàn)塌孔；排水棱體為土和風(fēng)化石料的混合體，且運行時間近50年，淤堵非常嚴重。因此，在選擇材料參數(shù)時需重點考慮防滲墻與排水棱體的滲透系數(shù)。

圖3 計算模型及材料分區(qū)

表1 大壩各分區(qū)的材料參數(shù)統(tǒng)計表

因2015年7月10日—9月1日庫水位基本穩(wěn)定在79.00m左右，所以選取2015年9月1日庫水位79.13m為模型上游邊界，下游水位55.00m為模型下游邊界，大壩基礎(chǔ)按不透水邊界考慮。

4.2 參數(shù)反演計算與分析

Frelund和Rahardjo研究[10- 11]指出，與飽和土體中滲流一樣，非飽和土中滲流也符合達西定律和連續(xù)性方程。只是在非飽和土中滲透系數(shù)不再是常數(shù)，而是隨基質(zhì)吸力變化的函數(shù)，土中體積含水率隨時間變化而改變。將達西定律導(dǎo)入滲流連續(xù)性方程，可得到非飽和土的滲流控制方程為：

(1)

式中，kx、ky—x、y方向的滲透系數(shù)，cm/s；γw—水的重度，N/m3；θw—體積含水率，%；t—時間，s。

因此，本次反演計算基于以上數(shù)學(xué)模型，結(jié)合觀測資料分析結(jié)論，選擇防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)作為變量，采用有限元計算軟件Geostudio中的Seep模塊對模型在某時段穩(wěn)定庫水位情況下的滲流過程進行反演計算，將計算獲得的浸潤線與該時段對應(yīng)的測壓管水位進行對比直至達到相對吻合狀態(tài)，最后確定現(xiàn)狀混凝土防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)。以實測測壓管水位為參照依據(jù)，經(jīng)反復(fù)試算確定混凝土防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)，結(jié)果見表1—2。由表1—2可知，當防滲墻和排水棱體滲透系數(shù)分別采用5.0×10-7、5.0×10-5cm/s時，實測測壓管水位數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)的差值絕對值占上、下游水頭差的百分比為1.45%～4.19%，差值百分比在10%以內(nèi)，說明二者浸潤線趨勢基本一致，而采用原設(shè)計參數(shù)進行計算得到的結(jié)果與實際相差較大，如圖4所示，表明防滲墻和排水棱體的滲透系數(shù)反演計算結(jié)果與實際情況基本吻合，所建數(shù)學(xué)模型與大壩運行狀況相符，選取調(diào)整后的參數(shù)進行計算基本合理。由圖4中反演計算值與原設(shè)計值的對比分析可知，防滲墻與排水棱體的滲透系數(shù)與原設(shè)計值的差值達到1個量級及以上。

表2 0+330斷面測壓實測管水位與反演計算水位對比分析表

圖4 大壩穩(wěn)定滲流反演計算結(jié)果與測壓管水位對比圖(單位：m)

5 滲流與穩(wěn)定計算

5.1 滲流計算

采用GeoStudio軟件中的Seep模塊對大壩穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)2種情形下滲流過程進行模擬計算。本次滲流計算工況見表3，其中工況4考慮了庫水位以最快速度下降的情況，并假設(shè)庫水位降落過程中無降雨的影響，不考慮來水。

表3 滲流計算工況

根據(jù)毛昶熙主編的《滲流計算分析與控制》，壩坡的臨界滲透坡降可按下式計算：

(2)

工況1—4滲流計算結(jié)果分別如圖5—8所示。

圖5 工況1滲流計算結(jié)果圖(單位：m)

圖6 工況2滲流計算結(jié)果(單位：m)

圖7 工況3滲流計算結(jié)果圖(單位：m)

圖8 工況4滲流計算結(jié)果圖(單位：m)

大壩穩(wěn)定滲流計算值及滲流量見表4，從表4中的結(jié)果可以看出，大壩0+330斷面防滲墻能消減水頭作用明顯，該斷面混凝土防滲墻體滲透坡降為13.40～16.90，小于80；下游壩坡出逸坡降為0.48～0.56，小于臨界滲透坡降，在滲流出逸點直接發(fā)生滲透破壞的可能性不大。但由于下游排水棱體的淤堵，在校核洪水位下，下游壩坡出逸點位置較高，從排水棱體頂以上2.2m處壩坡出逸，降低下游坡的抗剪強度，不利于壩體穩(wěn)定。

表4 大壩穩(wěn)定滲流計算值及滲流量表

5.2 壩坡穩(wěn)定計算

由于該水庫庫區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，可不進行大壩抗震穩(wěn)定計算。壩坡抗滑穩(wěn)定計算在滲流計算結(jié)果的基礎(chǔ)上進行。本次壩坡穩(wěn)定計算采用了GeoStudio軟件中的Slope模塊，使用簡化畢肖普法算出圓弧滑裂面的安全系數(shù)，并找出相應(yīng)于簡化畢肖普法的最小安全系數(shù)。由表5可知，大壩0+330斷面在穩(wěn)態(tài)滲流(工況1—4)情況下，下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均不滿足SL 274—2020要求；在瞬態(tài)滲流(工況4)情況下，上游坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為2.022(有效應(yīng)力法)，滿足SL 274—2020要求。

表5 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果表

6 結(jié)論

(1)基于觀測資料反演的土石壩滲流穩(wěn)定計算結(jié)果與實際運行情況一致，即防滲墻仍具有一定的防滲效果，但下游排水棱體存在淤堵，表明利用觀測資料反演獲取大壩各區(qū)的材料參數(shù)，可以更真實地模擬分析大壩的滲流穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)計算結(jié)果表明，下游壩坡浸潤線出逸點位置較高，抗剪強度降低，存在滲流安全隱患，且大壩下游壩坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果不滿足規(guī)范要求。為保障大壩安全運行，應(yīng)盡快組織該水庫的安全評價工作，為下一步除險加固提供依據(jù)。