劉思若，郭博文，楊文潤(rùn)

(1.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)有限公司，北京 100097；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003；4.河北省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050000）

滲流安全復(fù)核是大壩安全鑒定工作的重要組成部分,對(duì)于土石壩工程尤為重要。土石壩是一種廣泛使用的壩型,在已知的所有壩型中,土石壩的數(shù)量最多。其出現(xiàn)滲流問(wèn)題一方面會(huì)減少水庫(kù)蓄水量,降低水庫(kù)效益；另一方面,滲流對(duì)土石壩的穩(wěn)定性具有重要影響,可能導(dǎo)致壩體潰決,對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者廣泛采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)土石壩滲流安全進(jìn)行分析,且取得了一些成果［1-7］。筆者根據(jù)多年從事水庫(kù)大壩安全鑒定的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),針對(duì)小型土石壩,大多數(shù)學(xué)者僅采用初步設(shè)計(jì)參數(shù)或上次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行滲流安全復(fù)核,所得結(jié)果基本與初設(shè)結(jié)果或除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)結(jié)果一致,進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果評(píng)定滲流安全為A級(jí)或B 級(jí)。事實(shí)上,土石壩經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,壩體相關(guān)材料參數(shù)發(fā)生了變化,且壩體防滲設(shè)施存在失效風(fēng)險(xiǎn),仍依照初步設(shè)計(jì)報(bào)告中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行滲流安全復(fù)核所得結(jié)果并不準(zhǔn)確。

針對(duì)目前有限元數(shù)值模擬方法在土石壩滲流安全復(fù)核中存在的參數(shù)選取局限性問(wèn)題,本文擬以黃河流域某小型水庫(kù)為例,采用有限元數(shù)值模擬方法結(jié)合地質(zhì)勘探結(jié)果對(duì)該水庫(kù)滲流安全進(jìn)行分析評(píng)價(jià),以期為后續(xù)安全鑒定工作提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

黃河流域某水庫(kù)庫(kù)容為117.4 萬(wàn)m3,屬小(1)型水庫(kù),工程等別為Ⅳ等,水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a 一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a 一遇,主要建筑物有主壩、泄洪排沙洞等。其大壩為均質(zhì)土壩,頂寬5.0 m,上游壩坡為1 ∶3,下游壩坡為1 ∶2.5,壩頂長(zhǎng)143 m,最大壩高13.0 m,上游在除險(xiǎn)加固過(guò)程中采用土工膜進(jìn)行防滲處理,下游采用混凝土網(wǎng)格填碎石護(hù)坡,壩下游設(shè)貼坡排水體,0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1 所示。目前,該水庫(kù)自上次除險(xiǎn)加固起至今已運(yùn)行10 a,根據(jù)《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》(水建管〔2003〕271 號(hào)),有必要對(duì)其進(jìn)行安全鑒定。

圖1 大壩0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面(高程單位:m；尺寸單位:mm)

2 滲流安全復(fù)核初判

在有限元數(shù)值模擬中,考慮到水流的連續(xù)條件,滲流區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的水頭函數(shù)需要滿足式(1)及相應(yīng)的初始和邊界條件:

式中:kx、ky、kz分別為坐標(biāo)系x、y、z向滲透系數(shù)；h為任一點(diǎn)水頭。

水頭邊界條件:

流量邊界條件:

式中:kn為法向滲透系數(shù)；n為法向坐標(biāo)；q()為流量函數(shù)。

滲流場(chǎng)的邊界一般分為兩類,第一類邊界Γ1 為已知水頭值的邊界,第二類邊界Γ2 為已知或計(jì)算出流量值的邊界。不透水邊界為第二類邊界的特例,即

求解上述問(wèn)題的有限元方程為

式中:K為滲透矩陣；F為邊界已知流量矩陣。

基于上述理論,采用有限元數(shù)值模擬技術(shù),結(jié)合0＋100標(biāo)準(zhǔn)斷面幾何信息,建立大壩的有限元計(jì)算模型(如圖2 所示)。模型共有單元7 749 個(gè),節(jié)點(diǎn)7 935個(gè)。

圖2 大壩0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面有限元計(jì)算模型

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 189—2013)等相關(guān)規(guī)范,結(jié)合該水庫(kù)大壩的具體情況,確定以下4 種計(jì)算工況:工況1,正常蓄水位1 117.00 m＋下游無(wú)水；工況2,設(shè)計(jì)洪水位1 117.38 m＋下游無(wú)水；工況3,校核洪水位1 119.60 m＋下游無(wú)水；工況4,水位從校核洪水位降至死水位1 112.00 m＋下游無(wú)水。

依據(jù)規(guī)范,對(duì)壩基和壩體滲流出逸點(diǎn)和下游壩體的滲透坡降進(jìn)行分析計(jì)算。壩體及壩基材料的滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩體及壩基材料的滲透系數(shù)

工況1～4 大壩0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面最大滲透坡降發(fā)生在下游壩坡,分別為0.095、0.119、0.127、0.121,允許滲透坡降均為0.453。

防滲土工膜完好時(shí)工況1～4 大壩0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面浸潤(rùn)線見(jiàn)圖3?？梢钥闯?在上游土工膜完好的情況下,壩體防滲效果明顯,壩體滲透坡降均小于相應(yīng)土層的允許滲透坡降,且出逸點(diǎn)高程低于下游貼坡排水體頂部高程,不存在發(fā)生滲透破壞的可能。

圖3 防滲土工膜完好時(shí)大壩0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面浸潤(rùn)線

然而,在現(xiàn)場(chǎng)檢查過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)大壩下游壩坡存在異常滲流現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探,當(dāng)庫(kù)水位為1 116.56 m時(shí),滲水部位的最高點(diǎn)距離排水棱體頂約8.50 m,此時(shí)濕潤(rùn)土壤頂部位置與庫(kù)水位之間的高差為3.46 m,與貼坡排水體頂部高程之間的高差為3.10 m。另外,下游左側(cè)排水溝內(nèi)有匯集水流,下游貼坡排水體完好,貼坡排水體后積水較多。

3 地質(zhì)勘探甄別

由于該水庫(kù)未設(shè)置量水堰和測(cè)壓管,且無(wú)沉降觀測(cè)設(shè)施,因此無(wú)法準(zhǔn)確獲取滲漏量、滲壓分布情況和大壩變形情況。為了摸清壩體滲流規(guī)律,在壩體上選取典型斷面進(jìn)行鉆孔勘探。以斷面3—3 和斷面4—4 為例,地質(zhì)勘探結(jié)果見(jiàn)圖4。需要指出的是,結(jié)合除險(xiǎn)加固竣工圖及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果可知,鉆孔ZK21-4 和ZK21-6位置已偏離上游防滲土工膜,鉆探過(guò)程未破壞上游防滲土工膜。由本次地質(zhì)勘探結(jié)果可知,壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線(圖4 中綠色線條)均偏高,可判斷上游防滲土工膜失效。

圖4 典型斷面地質(zhì)勘探結(jié)果

4 滲流安全復(fù)核終判

在圖2 有限元模型基礎(chǔ)上,假定上游土工膜失效,結(jié)合地質(zhì)勘探得到的材料滲透系數(shù)(見(jiàn)表2),對(duì)大壩0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面重新進(jìn)行滲流計(jì)算。需要指出的是,該水庫(kù)距離上次除險(xiǎn)加固已逾10 a,本次地質(zhì)勘探得到的壩體粉土和壩體填土滲透系數(shù)較上次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)結(jié)果偏小,為安全起見(jiàn),重新進(jìn)行滲流計(jì)算時(shí)壩體粉土和壩體填土滲透系數(shù)仍采用上次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 地質(zhì)勘探得到的材料滲透系數(shù)

土工膜失效時(shí)大壩0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面浸潤(rùn)線見(jiàn)圖5。防滲土工膜失效時(shí)工況1～4 大壩0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面最大滲透坡降發(fā)生在下游壩坡,分別為0.293、0.331、0.474和0.446(允許滲透坡降仍為0.453)?？梢钥闯?工況1 滲流浸潤(rùn)線與現(xiàn)場(chǎng)查勘結(jié)果和地質(zhì)勘探結(jié)果基本類似,這也在一定程度上證明了關(guān)于該水庫(kù)防滲土工膜失效、無(wú)法有效防滲的判斷。工況3 下游壩坡最大滲透坡降已大于允許滲透坡降,下游壩坡滲流出逸點(diǎn)高程遠(yuǎn)高于貼坡排水體頂部高程,不滿足《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258—2017)［8］要求,存在安全隱患。

圖5 防滲土工膜失效時(shí)大壩0＋100 標(biāo)準(zhǔn)斷面浸潤(rùn)線

綜上所述,土石壩滲流安全不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,其滲流安全等級(jí)評(píng)定為C 級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前有限元數(shù)值模擬方法在土石壩滲流穩(wěn)定復(fù)核中存在的局限性,提出了一種有限元數(shù)值模擬和地質(zhì)勘探結(jié)果相結(jié)合的分析方法。以黃河流域某小型水庫(kù)為例,采用該方法對(duì)其進(jìn)行了滲流安全復(fù)核分析及安全性評(píng)價(jià),具體結(jié)果如下:

(1)依據(jù)設(shè)計(jì)資料,有限元數(shù)值模擬結(jié)果顯示該水庫(kù)滲流安全滿足要求,但現(xiàn)場(chǎng)勘探表明,水庫(kù)存在異常滲流現(xiàn)象。通過(guò)分析不同斷面地質(zhì)勘探結(jié)果可知,壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線均偏高,可判斷上游防滲土工膜失效。

(2)防滲土工膜失效情況下,校核水位工況下游壩坡最大滲透坡降已大于允許滲透坡降,且下游壩坡滲流出逸點(diǎn)高程遠(yuǎn)高于貼坡排水體頂部高程；根據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》,大壩滲流安全不滿足規(guī)范要求,滲流安全等級(jí)評(píng)定為C 級(jí)。

(3)有限元數(shù)值模擬和地質(zhì)勘探結(jié)果相結(jié)合的分析方法能有效彌補(bǔ)單純采用有限元數(shù)值模擬的不足,可為同類土石壩滲流安全復(fù)核提供依據(jù)和參考。