李國釗

(陽山縣曹田坑水庫管理所，廣東 清遠(yuǎn) 513139)

大壩安全評價(jià)是一個(gè)多層次、多指標(biāo)的遞階分析課題[1]，滲流安全評價(jià)是工程安全評價(jià)的重要組成。大壩滲流安全評價(jià)指標(biāo)也是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，不同大壩其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及壩體構(gòu)成材料的不同，必然導(dǎo)致評價(jià)指標(biāo)有所不同。曹田坑水庫采用有限元對不利水位組合工況進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場防滲反濾設(shè)施和監(jiān)測資料情況予以評價(jià)，評價(jià)結(jié)果客觀可信。

1 工程概況

1.1 水庫概況

曹田坑水庫在陽山縣西北部，水庫壩址地處陽山縣嶺背鎮(zhèn)戶稠村，所在河流為連江支流嶺背河上游分支黃坌河的支溝，水庫總集水面積約53.93 km2。工程于1958年12月動(dòng)工興建，1962年12月主體工程基本完工。樞紐工程主要由均質(zhì)土壩、溢洪道(原為泄洪洞)、輸水隧洞、壩后電站及灌區(qū)等建筑物組成，曹田坑水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水庫，已歷經(jīng)多次除險(xiǎn)加固。

1.2 防滲設(shè)施評價(jià)

1.2.1 上游護(hù)坡

大壩迎水坡為混凝土護(hù)坡，坡面結(jié)構(gòu)整體上較完好，坡面較為平整，未見下沉、淘空、錯(cuò)動(dòng)、沉陷、剝蝕現(xiàn)象，但局部有細(xì)微裂縫且長有雜草，在庫水位驟降時(shí)，水流會(huì)帶走壩坡面土粒，造成壩坡面土粒被淘刷流失破壞。上游混凝土護(hù)坡雖設(shè)置排水孔，但部分已堵塞，庫水位驟降時(shí)不利于壩體排水，對上游壩坡穩(wěn)定不利。

1.2.2 防滲與反濾排水設(shè)施

大壩為均質(zhì)土壩，由于大壩施工過程中的質(zhì)量較差，在運(yùn)行期間出現(xiàn)多次險(xiǎn)情。除險(xiǎn)加固采用壩體劈裂灌漿+壩基帷幕灌漿的防滲處理措施。劈裂灌漿采用單排孔，孔距4 m，壩基采用雙排帷幕灌漿，孔距為2 m，帷幕灌漿(上游側(cè)一排)二序孔與劈裂灌漿同孔，灌漿自下而上進(jìn)行。根據(jù)本次工程地質(zhì)勘察結(jié)果，壩體壩頂鉆孔填土現(xiàn)場原位注水試驗(yàn)滲透系數(shù)一般為6.96×10-6～8.36×10-5cm/s，主要呈弱～微透水性，表明灌漿防滲效果較好。

大壩的反濾排水設(shè)施為褥墊式排水+排水棱體，為上次除險(xiǎn)加固時(shí)重建。通過對加固后壩體測壓管歷史觀測資料的統(tǒng)計(jì)分析，各測壓管地下水位基本與水庫水位呈正相關(guān)性，水庫水位高時(shí)，測壓管水位高，水庫水位低時(shí)，測壓管水位低。另外在同一庫水位時(shí)，同一列測壓管水位按照從庫區(qū)到壩后的方向遞減，直到進(jìn)入壩后坡坡腳排水體，反映了壩體起到了很好的前堵后疏作用，浸潤線與下游水面相銜接，未逸出壩體，滿足滲透穩(wěn)定要求。

2 滲流安全評價(jià)

2.1 有限元計(jì)算

選取壩體中間壩高最大斷面為本次計(jì)算的典型斷面進(jìn)行安全評價(jià)，計(jì)算斷面如圖1所示。滲流分析采用有限元方法，有限元方法是依據(jù)非飽和土理論、根據(jù)基本的滲流理論――達(dá)西定律等，采用有限元方法分析穩(wěn)定流及非穩(wěn)定流中多種邊界條件、多種材料的堤壩或土體的滲流分析。

圖1 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算斷面圖

2.1.1 計(jì)算工況

本次堤身滲流穩(wěn)定使用AutoBank進(jìn)行分析計(jì)算，滲流計(jì)算考慮以下6種最不利水位組合：

(1)穩(wěn)定滲流期

工況一：上游正常蓄水位與下游無水；

工況二：上游設(shè)計(jì)洪水位與下游無水；

工況三：1/3 壩高水位(最不利水位85.94 m)與下游無水；

工況四：上游校核洪水位與下游無水。

(2)庫水位降落期

工況五：上游校核洪水位降落至正常水位；

工況六：上游正常水位降落至死水位；

2.1.2 結(jié)算結(jié)果

大壩各計(jì)算工況的滲流成果見圖2～圖7所示，下游壩坡的滲透比降成果見圖8～圖11所示。

根據(jù)選取的計(jì)算斷面，按照各土層材料滲透系數(shù)，計(jì)算得到各穩(wěn)定滲流工況下壩體與壩基的滲流量。根據(jù)規(guī)范，對于均質(zhì)土壩其防滲土料的滲透系數(shù)不大于1×10-4cm/s，為分析曹田坑水庫滲流量是否位于合理范圍內(nèi)，將壩體滲透系數(shù)取規(guī)范要求上限值，計(jì)算得到規(guī)范上限滲流量，兩組滲流量計(jì)算值見表1。

圖4 工況三：最不利水位水頭等值線圖 圖5 工況四：校核洪水位水頭等值線圖

圖6 工況五：浸潤線變化過程圖 圖7 工況六：浸潤線變化過程圖

圖8 正常蓄水位下游坡腳滲透比降圖 圖9 設(shè)計(jì)洪水位下游坡腳滲透比降圖

圖10 最不利水位下游坡腳滲透比降圖 圖11 校核洪水位下游坡腳滲透比降圖

表1 單寬滲流量計(jì)算成果表

由表1可見，各工況下計(jì)算得到的滲流量均小于規(guī)范上限滲流量，曹田坑水庫壩體滲流量在正常范圍。

根據(jù)計(jì)算成果，提取水庫各穩(wěn)定滲流情況下，下游壩坡腳的滲透比降，成果見表2所示。

由表2可見，大壩在正常水位以上各水位穩(wěn)定滲流期，下游滲流出逸點(diǎn)位置均在下游壩坡坡腳排水棱體處，出逸點(diǎn)的滲透比降介于0.554～0.679，小于碎石層臨界水力比降，浸潤線與排水棱體的交匯處壩體內(nèi)的滲透比降介于0.227～0.413，小于壩體填土的滲透允許比降值。壩體滲透變形滿足要求。

表2 各工況滲透比降成果表

2.2 監(jiān)測資料評價(jià)

根據(jù)曹田坑水庫2016-2019年的測壓管監(jiān)測記錄資料，曹田坑水庫測壓管監(jiān)測頻率不能達(dá)到規(guī)范要求?？紤]到觀測數(shù)據(jù)能直接反映大壩滲流狀態(tài)，基于收集到的所有實(shí)測的測壓管資料進(jìn)行壩體滲流觀測分析。

通過對主壩測壓管歷史觀測資料的統(tǒng)計(jì)分析，各測壓管地下水位基本與水庫水位呈正相關(guān)性，主壩測壓管典型觀測斷面圖見圖12，計(jì)算浸潤線與實(shí)測浸潤線對比見圖13。水庫水位高時(shí)，測壓管水位高，水庫水位低時(shí)，測壓管水位低。另外在同一庫水位時(shí)，同一列測壓管水位按照從庫區(qū)到壩后的方向遞減，直到進(jìn)入壩后坡坡腳排水體，反映了壩體起到了很好的前堵后疏作用，浸潤線與下游水面相銜接，滿足滲透穩(wěn)定要求。

圖12 測壓管觀測斷面圖 圖13 計(jì)算浸潤線與實(shí)測浸潤線對比

3 結(jié)語

曹田坑水庫防滲和反濾排水設(shè)施較為完善，通過監(jiān)測資料分析和計(jì)算分析，壩體浸潤線及滲流量變化規(guī)律基本正常。大壩在正常水位以上各水位穩(wěn)定滲流期，下游滲流出逸點(diǎn)位置均在下游壩坡坡腳排水棱體處，出逸點(diǎn)的滲透比降介于0.554～0.679，小于碎石層臨界水力比降，浸潤線與排水棱體的交匯處壩體內(nèi)的滲透比降介于0.227～0.413，小于壩體填土的滲透允許比降值。壩體滲透變形滿足要求，綜上曹田坑壩體滲透安全評價(jià)等級(jí)為B級(jí)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，溢洪道未見明顯滲水現(xiàn)象，因此，判斷溢洪道滲流基本安全。泄水建筑物溢洪道滲流安全評價(jià)等級(jí)為B級(jí)。經(jīng)現(xiàn)場勘查，豎井及工作橋外觀正常，進(jìn)水口和平放管未見滲水現(xiàn)象，啟閉機(jī)和閘門能正常運(yùn)作，未見漏水現(xiàn)象。因此，判斷放水建筑物滲流基本安全。輸水建筑物涵管滲流安全評價(jià)等級(jí)為B級(jí)。計(jì)算結(jié)果和實(shí)測相符性較好，兩種方法互為驗(yàn)證，評價(jià)結(jié)果是客觀可信的。