李保民

（費縣應急保障服務中心，山東 臨沂 273400）

0 概述

土石壩水庫是水利工程中一種重要的水工建筑物，對防洪蓄水工程起著重要的作用。然而，土石壩在運營期間，由于施工和土體材料原因壩體會發(fā)生滲流現(xiàn)象，而過大的滲流會引發(fā)土石壩內(nèi)部發(fā)生破壞，增加潰壩風險，因此，對土石壩運營期的滲流情況進行研究具有重要意義。吳云星 等[2]引入LM 算法優(yōu)化標準BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的權(quán)值和閾值,提高BP 神經(jīng)網(wǎng)絡對土石壩滲流壓力的預測效果；安元 等[3]采用有限元分析方法,結(jié)合某一工程實例建立有限元滲流場計算模型,對正常蓄水情況下滲流場進行數(shù)值模擬；賀玉珍[4]對沖抓回填的施工過程進行了介紹,通過ANSYS 對沖抓回填加固后大壩滲流情況進行模擬；鄒韜[5]以我國西南某水庫的土石壩為例,采用Geostudio 軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W 模塊對土石壩進行滲流穩(wěn)定分析；虎珀等[6]基于有限元原理以及滲流場與溫度場在各種方面的相似性，將ANSYS 軟件中的熱分析模塊運用于土石壩滲流場的計算中;繆新穎 等[7]將主成分分析方法、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡協(xié)同應用于水庫大壩滲流預測；趙普 等[8]針對土石壩滲流壓力存在滯后于庫水位的特點，引入具有延時輸入特性的帶外源輸入的非線性自回歸神經(jīng)網(wǎng)絡NARX 實現(xiàn)土石壩滲壓的有效預測。

本文以山東某土石壩為例，采用GeoStudio 軟件中SEEP/W 大壩進行滲流分析，探討了不同水位下，大壩的孔隙水壓力和滲流等特征，同時對大壩加固提出了建議，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本次研究的大壩位2004 年對水庫進行了除險加固，主要除險加固項目有：①大壩加固工程；②溢洪道加固工程;③輸水涵管加固工程等。大壩長1 034 m，放水洞為鋼筋砼矩形箱涵1.2 m×1.5 m，溢洪道新建3 孔泄洪閘，寬24.0 m。目前鋪設了防汛道路，新建大壩照明，雨情自動測報系統(tǒng)、放水洞閘門電動啟閉機和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有效的提高了管理單位的現(xiàn)代化管理水平。電站裝機容量為34 MW,多年平均發(fā)電量12 560×124 kW·h，。90%保證出力4 300 kW,多年平均水頭6.63 m。根據(jù)GB 5021-2014《防洪標準》、加權(quán)平均水頭6.00 m，工程于2015 年通過下閘蓄水驗收，2019 年12 月通過竣工驗收。現(xiàn)場安全檢查經(jīng)現(xiàn)場檢查,水庫各水工建筑物基本完整。本次現(xiàn)場檢查沒有發(fā)現(xiàn)土壩壩體、壩肩有明顯位移、沉陷情況，壩坡穩(wěn)定。

下游壩坡未見明顯變形，無塌坑、沖溝、牛皮脹等不良現(xiàn)象，草皮能完全覆蓋，但夾雜雜草。大壩下游壩肩、壩腳設有排水溝，下游壩腳設有排水棱體，排水棱體完整且有效，但排水棱體及壩腳排水溝內(nèi)側(cè)有砂漿勾縫，不利于排出壩體滲水。現(xiàn)場檢查溢洪道整體外觀良好，主體砼結(jié)構(gòu)表面基本平整，無剝蝕、沖刷現(xiàn)象，未見沉降、傾斜等變形異常，但進口右側(cè)擋墻局部有裂縫；泄槽底板有三道較明顯的橫縫；左岸山體常年有股清水流出，滲漏量較大，初步分析是由于舊涵管封堵不嚴所致；出口沒有防護，有明顯的沖刷坑?？傮w上大壩穩(wěn)定性需要進一步建模分析評價。

2 滲流控制方程

本研究采用geo-studio 軟件對大壩穩(wěn)定性進行分析，主要使用SEEP/W 和SLOPE/W 模塊。此次滲流分析主要探索雨水條件下，地下水在邊坡中的流動方式。SEEP/W 滲流分析模塊中利用Richards 方程進行二維瞬態(tài)滲流分析，控制方程如下：

式中，kx和ky表示x 方向和y 方向的滲透系數(shù)；H為水頭或總水頭：q為施加的邊界流量；γw為水的單位重量；t為時間；mw為體積含水量曲線的斜率。

3 數(shù)值模型建立

本次研究的大壩是工程之一的一個土壩，長407 m，高8 m，上側(cè)坡度為3∶1，壩后坡度為2.5∶1，其端部向上傾斜，直到與黏土芯的端部相交，并且泥芯的側(cè)面被一層2.5 m 的過濾層包圍。壩頭底板有一層厚度為3 m 的黏土，頂部為一層厚度為2 m 的過濾層，與從泥漿正面傾斜的過濾層相連。泥漿背面的過濾層，其延伸至大壩后端末端，厚度為2 m，一層過濾層延伸2 m 厚，以保護大壩背面的溝渠。大壩的前表面覆蓋著厚度為1 m、長、寬尺寸為0.4 m 的石料（拋石），并在其下方設置一層30 cm厚的過濾層。背坡上覆蓋著一層厚0.5 m、長、寬尺寸不小于30 cm的石層，以保護其免受降雨和侵蝕因素的影響。圖1 為大壩橫截面。

圖1 大壩橫截面（比例尺1∶400）

圖2 為本次建立的數(shù)值模型，模型根據(jù)實際大壩模型建立，主要利用SEEP/W 軟件，分析不同條件下正常水位和最大水位非均質(zhì)土壩的壩段的滲流量。所有邊界的單元數(shù)為2 275，節(jié)點數(shù)2 154，首先假設壩頂蓄水位是邊坡左邊界的臨界情況，恒定總水頭邊界或者空庫，下游側(cè)的水頭為（0 m）,然后進行穩(wěn)態(tài)滲流分析。

圖2 數(shù)值模型

表1 數(shù)值計算參數(shù)

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 正常水位滲流分析

圖3 給出了正常水位下的總水頭模型。正常水位標高20.6 m，虛線為穿過大壩的浸潤線，通過大壩、心墻和濾層末端。圖4 為正常水位下壩體孔隙水壓力分布圖。由圖可知，在穩(wěn)態(tài)條件下，浸潤線穿過下游斜坡處的壩體，不與下游面相交，因此不會導致下游邊坡軟化或坍塌，從而導致后續(xù)破壞。此外，最大孔隙水壓力絕對值位于下游頂部。浸潤線的壓力值始終為零，浸潤線區(qū)域下方壓力的正值完全飽和，浸潤線上部區(qū)域為負壓，不飽和。圖5 給出了距壩基不同距離處的水力梯度值。由圖可知，水力梯度的最大值出現(xiàn)在反濾層處，數(shù)值大于1。

圖3 正常水位下的總水頭模型

圖4 壩體孔隙水壓力分布

圖5 壩體水位梯度

4.2 最大水位滲流分析

圖6 和圖7 分別給出了最大水位下的孔隙水壓力和水力梯度值。其中分析孔隙水壓力是由于壩體內(nèi)部可能會出現(xiàn)較高的孔隙水壓力，這對大壩的穩(wěn)定性和安全性將產(chǎn)生重要影響。而分析水力梯度的意義是滲透系數(shù)、潛蝕破壞等都與水力梯度有著十分密切的關(guān)聯(lián)。由圖可知，最大出口水力梯度i為0.3，因此大壩安全系數(shù)等于1/0.3，即3.33。因此，在穩(wěn)定狀態(tài)下大壩不會發(fā)生滲流破壞。此外，大壩心墻在正常和最大水位的滲流速度分別為1.5×10-4m/d 和1.47×10-4m/d，同樣表明大壩不會發(fā)生滲透破壞。

圖6 最大水位下的孔隙水壓力

圖7 最大水位下的水力梯度

5 大壩加固建議

通過以上數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，雖然邊坡趨于穩(wěn)定，但滲流分析得出在正常水位下水力梯度偏大，因此有必要進行事先的加固措施?，F(xiàn)階段水利工程針對壩體防滲和加固通常會采取以下幾種常用手段：高壓噴射注漿法作為一種簡便易操作的技術(shù)可以對涵蓋整個操作工藝環(huán)節(jié)進行整體性規(guī)劃，并且能夠確保漿液固結(jié)體可以持續(xù)性的維持高強度?；谏鲜鰞蓚€優(yōu)勢使得在堤壩壩基的覆蓋層、接觸帶場景等應用領(lǐng)域經(jīng)?？梢钥吹礁邏簢娚渥{法的應用案例。另外，高壓噴射方式會對形成的固體形態(tài)產(chǎn)生直接影響，一般情況下的堆石體情況等復雜環(huán)境下常常采用防滲墻的結(jié)構(gòu)。高壓噴射通常情況下是采用單管噴射的基本方式，但是，有的復雜應用場景下需要選擇雙管噴射、甚至是三管噴射的方式；垂直鋪塑防滲技術(shù)具有操作簡便以及施工成本低等優(yōu)點而常用于低水頭堤壩處進行防滲作業(yè)。因此，本文根據(jù)大壩實際情況，建議采用垂直鋪塑防滲技術(shù)就能夠?qū)Υ髩螡B流破壞起到預防作用，在經(jīng)濟和安全上達到平衡。

6 結(jié)論

本文以山東某土石壩為例，采用GeoStudio 軟件中SEEP/W 大壩進行滲流分析，探討了不同水位下，大壩的孔隙水壓力和滲流等特征，同時對大壩加固提出了建議。研究成果表明，大壩浸潤線的壓力值始終為零，浸潤線區(qū)域下方壓力的正值完全飽和，浸潤線上部區(qū)域為負壓，不飽和。此外，最大水位下大壩最大出口水力梯度i 為0.3，因此大壩安全系數(shù)等于1/0.3，即3.33。因此，在穩(wěn)定狀態(tài)下大壩不會發(fā)生滲流破壞。此外，大壩心墻在正常和最大水位的滲流速度分別為1.5×10-4m/d 和1.47×10-4m/d，同樣表明大壩不會發(fā)生滲透破壞。最后，根據(jù)大壩實際情況，建議采用垂直鋪塑防滲技術(shù)能夠?qū)Υ髩螡B流破壞起到預防作用，在經(jīng)濟和安全上達到平衡。