房清清

（費(fèi)縣水利工程保障中心，山東 臨沂 273400）

0 概述

堆石壩的穩(wěn)定性是根據(jù)其邊坡穩(wěn)定性、滲流穩(wěn)定性或地震穩(wěn)定性來(lái)綜合分析評(píng)估的。尤其是堆石壩的抗?jié)B穩(wěn)定性，是判斷其是否安全、是否發(fā)生大量滲漏、漏水中是否包含土壤顆粒的關(guān)鍵因素，通常在壩體下游安裝滲漏測(cè)量裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，在實(shí)際大壩運(yùn)行管理時(shí)，由于受到降雨、地下水或周圍山區(qū)的影響，對(duì)大壩滲流的監(jiān)測(cè)并不準(zhǔn)確。目前國(guó)內(nèi)外常采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行研究分析[1-4]。鄒韜 等[5]以我國(guó)西南某水庫(kù)的土石壩為例,采用Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊和SLOPE/W模塊對(duì)土石壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析；劉雷 等[6]利用COMSOL 軟件,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)大壩壩體填筑料物理力學(xué)特性,模擬壩體背水坡填筑粘土進(jìn)行拼寬放坡除險(xiǎn)加固方案,探究正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位3 種不同工況下壩體滲透特性,得出拼寬放坡措施提高了壩體防滲性能，寸銀川 等[2]以德黨河水庫(kù)壩為研究對(duì)象，建立了三維有限元模型進(jìn)行滲流分析；馬小甜[8]以鐵斯巴汗水庫(kù)為研究對(duì)象,通過(guò)計(jì)算分析水庫(kù)滲流及大壩穩(wěn)定性情況。本文為評(píng)估大壩在各水位條件下的滲流量，先使用PLAXIS 3D 對(duì)大壩進(jìn)行了建模分析，之后在相同條件下，使用SEEP/W 2D 和3D 分析對(duì)邊坡進(jìn)行滲流分析，然后將2D 分析結(jié)果值與3D 分析結(jié)果值進(jìn)行比較。最后將2D 和3D 分析結(jié)果值與大壩的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，最后對(duì)大壩防滲加固提出建議。研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

1 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

本次研究的大壩為堆石壩，大壩高73 m，長(zhǎng)51 m，總庫(kù)容5.95 億 m3，大壩的建設(shè)始于1984 年12 月，于1993 年12 月31 日完工。為了更好地進(jìn)行有限元數(shù)值分析，本研究將壩體和壩底均納入建模范圍，壩體截面形狀由5 個(gè)不同的材料區(qū)域組成，包括心墻、濾層、砂礫石層、巖石層、河流沉積層，如圖1 所示。表1 給出了三維滲流分析計(jì)算區(qū)域的相應(yīng)滲透系數(shù)。數(shù)值分析網(wǎng)格是采用精細(xì)劃分模式自動(dòng)生成的，由29 173 個(gè)單元和42 656 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。圖2 給出了應(yīng)用于數(shù)值分析的地層形狀和網(wǎng)格形狀。為研究不同蓄水位下壩體滲流量的變化情況，本研究采用了3個(gè)水位階段：①正?？刂扑?63 m；②中間水位150 m；③上游水位為低水位137 m，下游水位為壩體底高105 m, 然后使用VG 模型，通過(guò)水頭差進(jìn)行滲流分析。除此之外，對(duì)于影響滲透量最快的心墻滲透系數(shù)，基于大壩安全診斷報(bào)告（2012年）的正常高水位, 通過(guò)應(yīng)用設(shè)計(jì)值和質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果值（實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)）進(jìn)行滲透分析, 并將每個(gè)分析結(jié)果值與2D 分析結(jié)果值進(jìn)行比較。表2 給出了應(yīng)用于心墻的滲透系數(shù)。本次數(shù)值分析的目標(biāo)范圍是沿X 軸482.6 m、沿Y 軸730 m 和沿Z 軸172 m，并考慮到大壩周圍邊坡的高度，僅允許沿X 軸方向有水流。用于數(shù)值模擬的程序是由荷蘭公司Plaxis 開發(fā)的Plaxis 3D，這是專門用于巖土工程的有限元分析程序，能夠?qū)Υ髩芜M(jìn)行準(zhǔn)確的三維滲流分析。

圖1 堆石壩尺寸

表1 不同區(qū)域滲透系數(shù)

圖2 數(shù)值分析的地層形狀和網(wǎng)格形狀

表2 心墻滲透系數(shù)

2 數(shù)值結(jié)果分析

大壩滲流量由各種環(huán)境因素決定，如水庫(kù)水位、降雨量、來(lái)自壩體周圍的邊坡流量等，本文模擬時(shí)先考慮了水庫(kù)水位的影響，圖3 給出了本次大壩模型的滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，其中蓄水水位分別為163 m、150 m 和137 m。由圖3 可知，對(duì)于距離壩踵0.87 m、1.04 m、1.28 m 和1.46 m 的孔，浸潤(rùn)線的高度分別為0.27 m、0.24 m、0.193 m 和0.175 m，此外一些滲流場(chǎng)還存在于大壩模型的下游面，并在距壩踵1.41～1.48 m 的距離內(nèi)流出。該浸潤(rùn)線與下游邊坡相交，存在潛在的管涌破壞，將影響大壩的穩(wěn)定性。模型總滲流為6.388 9×10-7m3/s（2.3 L/h），滲流量為1.277×10-6L/s/m。此外，為對(duì)比二維與三維數(shù)值分析的不同，通過(guò)水頭差對(duì)穩(wěn)態(tài)進(jìn)行分析。二維和三維分析均采用相同的巖心滲透系數(shù)。在2D 分析的情況下，本研究將其乘以沿壩軸線515 m 的長(zhǎng)度，以獲得滲流量。然后給出了70%的滲流量，其結(jié)果反映了壩體的形狀?？紤]到壩體底部地形的形狀，大多數(shù)二維數(shù)值分析結(jié)果僅反映了70%，高于考慮100%底部地形的三維分析結(jié)果，因此即使相同的分析模型，2D 和3D 相比，大多數(shù)二維數(shù)值分析結(jié)果值高于三維數(shù)值分析結(jié)果值。

圖3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3 實(shí)測(cè)滲流量

為了驗(yàn)證分析數(shù)值分析結(jié)果的正確性，將大壩上測(cè)量的數(shù)據(jù)和過(guò)去3 年（2011 年11 月至2014 年10 月）的實(shí)際降雨量用日期標(biāo)記，然后獲得如圖4 所示的結(jié)果。圖4 表明，實(shí)際滲透量不僅受到壩體水位的嚴(yán)重影響，還受到降雨的嚴(yán)重影響。本研究分析了低水位下的滲漏量測(cè)量結(jié)果，但異常測(cè)量值表明設(shè)計(jì)滲漏量超過(guò)290 L/min。圖5 給出了過(guò)去3 年中不同水位下的滲漏量，通過(guò)最接近測(cè)量值的設(shè)計(jì)滲透系數(shù)獲得的2D 和3D 分析結(jié)果?？梢钥闯?，數(shù)值分析結(jié)果值與測(cè)量值之間存在巨大差異的原因是滲流量不僅受到水庫(kù)水位的影響，而且還受到降雨、地下水等的影響。將滲漏量數(shù)值分析結(jié)果值進(jìn)行比較，11 月至2 月這4 個(gè)月屬于干旱期，發(fā)現(xiàn)滲漏量受水庫(kù)水位影響最大。因此，大多數(shù)測(cè)量值都包含在2D 數(shù)值分析結(jié)果中，降雨量也包含在所有第4 個(gè)月的數(shù)據(jù)中。此外根據(jù)水位對(duì)11 月至2 月4 個(gè)月期間的具體測(cè)量值數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并與數(shù)值分析結(jié)果值進(jìn)行比較?？梢钥闯?，3D 分析結(jié)果與測(cè)量值非常接近。僅使用低水位和降雨量作為變量很難評(píng)估大壩的實(shí)際滲漏量，也就是說(shuō)，如果在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，至少在干旱期對(duì)應(yīng)的季節(jié)內(nèi)，實(shí)際測(cè)量值繼續(xù)高于3D 分析值的滲流量。

圖4 實(shí)際測(cè)量水位與降雨量

圖5 數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)比較

4 防滲加固措施

現(xiàn)今鞏固和加強(qiáng)防滲墻主要有以下幾種技術(shù)。高壓噴射注漿法能夠簡(jiǎn)單、便捷地規(guī)劃整個(gè)操作工藝，同時(shí)還能夠保證漿液固結(jié)體的長(zhǎng)時(shí)間使用與高強(qiáng)度。正因?yàn)橐陨蟽?yōu)點(diǎn)，高壓噴射注漿法常在堤壩壩基的覆蓋層和一些接觸帶等地方被廣泛應(yīng)用。不同的固體形態(tài)取決于不同的高壓噴射方式。通常而言，防滲墻主要應(yīng)用于堆石體情況復(fù)雜的部位。雙管噴射、單管噴射以及三管噴射是當(dāng)下常見的高壓噴射方式；垂直鋪塑防滲技術(shù)也具備簡(jiǎn)單、便捷的特點(diǎn)，同時(shí)還能夠降低施工成本。因此，這種防滲墻處理技術(shù)在低水頭堤壩處廣泛應(yīng)用。

另一方面反濾溝導(dǎo)滲技術(shù)、透水壓滲平臺(tái)技術(shù)、臨水截滲技術(shù)是水平防滲加固技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的3 種形式。第1 種技術(shù)主要應(yīng)用于堤壩的背水坡大面積滲水，且無(wú)法在臨水側(cè)進(jìn)行有效截流的情況。由于該種技術(shù)僅能維護(hù)坡面的穩(wěn)定性，因此，在應(yīng)用之前需對(duì)堤壩的情況進(jìn)行綜合分析。透水壓滲平臺(tái)技術(shù)也要求事先分析，但其特點(diǎn)是防滲效果更好，同時(shí)也帶來(lái)了施工量大、施工難度大等困難。除此之外，臨水截滲技術(shù)能夠有效且持續(xù)性地控制堤壩滲漏流量，因此，常常被用于提升堤壩的防滲效果。

5 結(jié)論

本文為評(píng)估大壩在各水位條件下的滲流量，先使用PLAXIS 3D 對(duì)大壩進(jìn)行了建模分析，之后在相同條件下，使用SEEP/W 2D 和3D 分析對(duì)邊坡進(jìn)行滲流分析，然后將2D 分析結(jié)果值與3D 分析結(jié)果值進(jìn)行比較。最后將2D 和3D 分析結(jié)果值與大壩的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，得出蓄水水位分別為163 m、150 m 和137 m 時(shí)，對(duì)于距離壩踵0.87 m、1.04 m、1.28 m 和1.46 m的孔，浸潤(rùn)線的高度分別為0.27 m、0.24 m、0.193 m 和0.175 m，一些滲流場(chǎng)還存在于大壩模型的下游面，并在距壩踵1.41～1.48 m 的距離內(nèi)流出。此外，通過(guò)與實(shí)測(cè)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，測(cè)量值和數(shù)值分析值之間存在很大差異，是因?yàn)闈B流量不僅受水庫(kù)水位的影響，還受各種自然活動(dòng)（如降雨、地下水等）的影響。