韓蕊勤

(東莞市水務(wù)工程建設(shè)運(yùn)營(yíng)中心,廣東 東莞 523073)

0 引 言

漿砌石重力壩是我國(guó)水庫(kù)中的常見(jiàn)壩體,主要由石料和混凝±漿體砌成。 壩體的迎水側(cè)一般設(shè)有混凝±防滲層,防滲帷幕則設(shè)置于岸坡,兩者與壩基的排水系統(tǒng)一起,可以起到減小壩基揚(yáng)壓力的作用[1]。 受各種各樣因素的影響,漿砌石壩體因滲漏而發(fā)生形變的事故時(shí)有發(fā)生,且其復(fù)雜的壩體結(jié)構(gòu)和地基環(huán)境增加了滲漏原因診斷的難度[2-4]。 目前,對(duì)混凝±重力壩的滲漏研究已取得豐富成果,其中主要針對(duì)滲漏的普遍規(guī)律和對(duì)具體工程的防滲方案進(jìn)行研究,也有部分研究通過(guò)建立統(tǒng)計(jì)模型分析滲漏的影響因子。

本文以流溪河大壩為例,對(duì)漿砌石重力壩的滲透規(guī)律進(jìn)行分析,并對(duì)其防滲帷幕進(jìn)行數(shù)值模擬研究,為重力壩的安全監(jiān)測(cè)工作提供新方案。

1 漿砌石重力壩滲透規(guī)律探究及防滲帷幕數(shù)值模擬

1.1 水庫(kù)壩基的滲流量計(jì)算與監(jiān)測(cè)

壩基揚(yáng)壓力是重力壩設(shè)計(jì)的重要荷載,對(duì)壩體形體和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有較大影響,在重力壩的滲透破壞失事原因中所占比例較大。 在其他條件不變的情況下,通常認(rèn)為其主要受庫(kù)水位、溫度、降雨量和時(shí)效等多種因素的影響[5]。 本次研究將依據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè),建立揚(yáng)壓力的統(tǒng)計(jì)分析模型并進(jìn)行回歸分析,得到各因素的影響系數(shù),分析它們對(duì)揚(yáng)壓力的影響力大小。

涉及兩個(gè)以上(含本數(shù))的自變量回歸分析是多元回歸[6]。 本次研究納入了影響壩基揚(yáng)壓力因素的其中4 個(gè),因此采用多元線性回歸分析方法。對(duì)于水位因素,因?yàn)橄掠嗡蛔兓^小,故不予考慮。 所以,本次研究只對(duì)水庫(kù)上游的水位進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)日與前一個(gè)月內(nèi)的水位變動(dòng);溫度分量的因子則使用周期函數(shù);降雨會(huì)直接導(dǎo)致水位升高,增加揚(yáng)壓力,但這個(gè)變化過(guò)程具有滯后性,因此監(jiān)測(cè)日前一個(gè)月內(nèi)的降雨量都要納入統(tǒng)計(jì)范圍之內(nèi)。 最后,得到的統(tǒng)計(jì)模型表達(dá)式為：

式中：Ph、Pt、Pr、Pθ分別為水位、溫度、降雨和時(shí)效分量;hum為隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化的平均水深;x0為常數(shù)項(xiàng);t為累計(jì)天數(shù);y為溫度因子的回歸系數(shù);cm為降雨量系數(shù);pm為平均降雨量;T為模型初次觀測(cè)日到監(jiān)測(cè)日的累計(jì)天數(shù)除以100 的天數(shù);d為時(shí)效系數(shù)。

該模型選取庫(kù)水位變幅及水頭較大的4 個(gè)揚(yáng)壓力孔數(shù)據(jù)作為輸入,采用SPSS 進(jìn)行分析。但揚(yáng)壓力僅表示一個(gè)點(diǎn)的壓力,只有與滲漏量綜合考量,才能綜合評(píng)價(jià)滲流場(chǎng)的性態(tài)。 所以,依據(jù)量水堰對(duì)壩基的滲漏量進(jìn)行監(jiān)測(cè),以每月3 次的頻率進(jìn)行人工觀測(cè)并記錄觀測(cè)結(jié)果,使用滲漏儀采集每日的滲流量數(shù)據(jù),然后進(jìn)行滲流場(chǎng)的模擬計(jì)算,得出壩體的滲流量大小,即壩體因滲漏導(dǎo)致的水量損失。 同時(shí),監(jiān)測(cè)壩體因滲漏產(chǎn)生的變形損壞分布,當(dāng)監(jiān)測(cè)到坡降值較大、可能超出壩體的允許水力梯度閾值的局部滲透時(shí),可以對(duì)堤壩出現(xiàn)病險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)、基部深坑等事故進(jìn)行預(yù)測(cè)。計(jì)算的主要方法為有限差分法和有限單元法,其中有限單元法憑借數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,在工程滲流計(jì)算領(lǐng)域顯示出更大優(yōu)勢(shì),因此本次研究采用有限單元法進(jìn)行滲流數(shù)值計(jì)算。

不考慮滲透系數(shù)的時(shí)間性變化,對(duì)飽和穩(wěn)定壩基基質(zhì)的滲流進(jìn)行求解。 首先計(jì)算泛函Ц(h) ,計(jì)算公式如下：

式中：h為總水頭;?為滲流的實(shí)際閾值;kij為以張量形式表示的系數(shù)矩陣中第i行第j列的滲透系數(shù);d為流量增量;s為邊界面。

然后進(jìn)行等效結(jié)點(diǎn)虛流量法的有限元-迭代格式求解,以計(jì)算滲流場(chǎng)的水頭分布和滲流量,公式如下：

式中：[I] 為計(jì)算域中的總傳導(dǎo)矩陣; {h} 為未知的結(jié)點(diǎn)水頭; {Q} 為總等效結(jié)點(diǎn)的流量矩陣;為已知的結(jié)點(diǎn)水頭對(duì)未知水頭在虛域中的等效流量矩陣;{ΔQ} 為作用于滲流虛區(qū)虛單元的結(jié)點(diǎn)虛流量矩陣。

1.2 防滲帷幕數(shù)值模擬

壩基的防滲帷幕是揚(yáng)壓力和滲漏量變動(dòng)的重要因素,當(dāng)其產(chǎn)生缺陷時(shí),會(huì)對(duì)滲漏量的增大有直接作用。 本次研究采用滲流有限元數(shù)值法,對(duì)其深度及滲透系數(shù)的敏感性進(jìn)行分析,研究在深度和滲透系數(shù)變動(dòng)的條件下帷幕對(duì)揚(yáng)壓力與滲漏造成的影響。

首先依據(jù)溪流河水庫(kù)工程的勘察報(bào)告,選取計(jì)算參數(shù)。 該工程位于我國(guó)廣東省廣州市從化區(qū)良口鎮(zhèn),主壩為混凝±材質(zhì),壩頂高程240m,壩頂寬2m,壩頂長(zhǎng)255.5m,最大壩高78m;副壩為均質(zhì)±壩,壩頂高程241.7m,壩長(zhǎng)220m,壩頂寬4m,壩基寬210m;設(shè)計(jì)水頭98m。 按百年一遇洪水設(shè)計(jì),千年一遇洪水校核,正常蓄水位235m,庫(kù)容3.25×108m3;設(shè)計(jì)水位236. 5m,庫(kù)容3. 47×108m3;校核最高水位238.3m,庫(kù)容3.76×108m3;死水位213m,歷史記錄的最高水位236.81m。

選取的帷幕寬度為4.5m,壩體、防滲墻、砼墊層、壩基、壩坡基巖和防滲灌漿帷幕的滲透系數(shù)分別為1.21×10-4、5.1×10-7、1. 13×10-6、1. 99×10-5、1.0×10-7和1.53×10-7cm/s,見(jiàn)表1。

表1 滲透系數(shù)參數(shù)選取

然后給定邊界條件,設(shè)定重力壩上下游的垂直剖面和基礎(chǔ)底面均為不透水面;上游水位和下游河床水位線以下的表面為已知水頭邊界;下游水位線以上的壩體表面為可能滲流逸出面。 正常蓄水時(shí),下游無(wú)水,上游水位約為201.01m。 根據(jù)規(guī)范,對(duì)工況進(jìn)行計(jì)算。 防滲帷幕深度的取值范圍一般為水頭的0.5～0.7 倍,工程的工況正常時(shí),上游水頭約為65.3m,帷幕深度取值范圍0～50m,每隔10m 為一個(gè)工況,分析帷幕的不同深度對(duì)壩基揚(yáng)壓力和滲漏造成的影響。

計(jì)算采用的模型根據(jù)溪流河水庫(kù)附近的地質(zhì)特征,并考量滲流場(chǎng)的研究要求進(jìn)行構(gòu)建,帷幕深度有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 帷幕深度有限元模型

該模型橫截面大小為300m×180m,其網(wǎng)格共有6 040 個(gè)單元、6 240 個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)壩區(qū)的微風(fēng)化花崗巖層和壩體的防滲帷幕、壩基排水管、廊道、砼墊層、防滲墻和漿砌石體進(jìn)行模擬,包括的壩岸范圍大致為壩高的兩倍。 至防滲帷幕底部的深度約為136m,以此作為基礎(chǔ)深度,將對(duì)計(jì)算域滲流場(chǎng)的可能影響范圍涵蓋在內(nèi),采用Geo-Studio有限元軟件的SEEP 模塊,針對(duì)防滲帷幕深度與滲透系數(shù)對(duì)壩基防滲的相關(guān)性進(jìn)行二維有限元數(shù)值模擬。

2 漿砌石重力壩滲透規(guī)律及其防滲帷幕數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 水庫(kù)壩基的滲流量計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

庫(kù)水位、溫度、降雨量和時(shí)效等各分量的回歸分析結(jié)果見(jiàn)圖2。 由圖2 可知,庫(kù)水位和溫度與預(yù)期的累計(jì)概率較為接近,離散程度較小,擬合的程度較高,與揚(yáng)壓水頭的相關(guān)性比其他兩個(gè)因子更大。 而降雨量和時(shí)效的預(yù)期概率與實(shí)際概率的結(jié)果偏差較大,離散程度也更大,與揚(yáng)壓力變化的相關(guān)性較低。

圖2 各分量回歸分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)回歸系數(shù)及上游庫(kù)水位、溫度、降雨、時(shí)效等各分量進(jìn)行分離,分析各影響因子對(duì)揚(yáng)壓力的影響。 模型的回歸分析結(jié)果見(jiàn)表2。 回歸方程復(fù)相關(guān)系數(shù)基本大于0.8,其顯著性水平較高,回歸方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差為0.103～0.727,表明本次研究建立的揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型具有較高的統(tǒng)計(jì)精度。

表2 各揚(yáng)壓力孔的庫(kù)水位、溫度、降雨、時(shí)效分量所占比例

由表2 可知,庫(kù)水位占比最高,實(shí)效占比最低。 監(jiān)測(cè)日前上游平均水位的回歸系數(shù)最大,實(shí)效系數(shù)最小,相比上游庫(kù)水位,揚(yáng)壓水位的變動(dòng)有滯后期。 上游庫(kù)水位分量影響占比平均約為62.43%,可見(jiàn)庫(kù)水位因素對(duì)揚(yáng)壓力的影響力為四者之最;溫度分量影響占比平均約為16.24%,對(duì)揚(yáng)壓力的影響力僅次于庫(kù)水位;降雨分量所占比例約為11.1%,對(duì)揚(yáng)壓力的影響力相對(duì)較小;時(shí)效分量的影響力最小,僅占11.64%。 研究表明,壩基各孔所受揚(yáng)壓力的起伏與帷幕防滲效應(yīng)的變動(dòng)、揚(yáng)壓力孔周圍的排水量大小、巖層性質(zhì)、壩體的裂隙等因素造成的時(shí)效變化具有一定相關(guān)性。

滲漏量和庫(kù)水位的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 庫(kù)水位和滲漏量監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖3 可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲漏量和庫(kù)水位均以年為周期,呈現(xiàn)明顯的周期性變化規(guī)律,且隨庫(kù)水位的升降,滲漏也會(huì)發(fā)生增減。 可以看出,每年的夏秋季節(jié)水位較高,此時(shí)滲漏量也相對(duì)較大;每年冬春季時(shí)水位較低,此時(shí)滲漏量也相應(yīng)減小,表明水位變化是影響滲漏量大小的主要原因。 滲流量與庫(kù)水位的曲線波動(dòng)均較大,滲漏量隨著水位的升高而增加,水位越高,滲漏的水量越多。 經(jīng)計(jì)算可得,壩體的每日滲漏量與其水位的相關(guān)性系數(shù)約為0.921,壩基每日的滲漏量與其水位的相關(guān)系數(shù)約為0.965,表明壩體和壩基的滲漏與庫(kù)水位的漲落有較大關(guān)系。 還可以看出,當(dāng)高程在150～200m 范圍時(shí),曲線會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)。 當(dāng)庫(kù)水位高程低于這個(gè)范圍時(shí),大壩的滲漏量較少,幾近于無(wú);當(dāng)庫(kù)水位高程高于這個(gè)區(qū)間時(shí),滲漏量發(fā)生明顯的增加,表明該高程區(qū)間內(nèi)可能存在滲水裂隙。

2.2 防滲帷幕數(shù)值模擬與防滲處理結(jié)果分析

防滲帷幕取不同深度時(shí),經(jīng)計(jì)算得到水平距離上的揚(yáng)壓力分布情況見(jiàn)圖4。 隨著防滲帷幕深度的加深,壩基的揚(yáng)壓力不斷減小;當(dāng)帷幕深度設(shè)定為20m 之后,其深度的加深對(duì)揚(yáng)壓力的影響程度不斷衰弱,揚(yáng)壓力降低的幅度越來(lái)越不明顯。 研究表明,防滲帷幕深度設(shè)計(jì)為20m 較為合適,可以有效降低揚(yáng)壓力。

圖4 不同帷幕深度揚(yáng)壓力示意圖

帷幕深度取不同值時(shí),滲漏量的計(jì)算對(duì)比見(jiàn)圖5。 由圖5 可知,隨著帷幕深度加深,大壩每日的滲漏量隨之減小;當(dāng)設(shè)置深20m 的帷幕之后,帷幕深度的加深對(duì)滲漏的減緩作用不再明顯,表明帷幕深度取20m 基本能達(dá)到減少滲漏的作用。在計(jì)算過(guò)程中,Geo-Studio 對(duì)滲透系數(shù)的選取綜合考慮了地勘建議值,并結(jié)合水庫(kù)的設(shè)計(jì)數(shù)值,以及工程鉆孔的實(shí)際位置與模擬計(jì)算選取的斷面位置具有一定的差別,多種因素導(dǎo)致計(jì)算選取的參數(shù)與實(shí)際數(shù)值之間產(chǎn)生一定的誤差,使軟件計(jì)算的帷幕滲透系數(shù)比實(shí)際數(shù)值稍大,因此計(jì)算的逸出點(diǎn)高程及滲漏量呈現(xiàn)出比實(shí)測(cè)值稍大的結(jié)果。

圖5 不同帷幕深度的滲漏量及壩體浸潤(rùn)線測(cè)量結(jié)果

不同帷幕滲透系數(shù)下,滲漏量和揚(yáng)壓力折減系數(shù)的變化過(guò)程見(jiàn)圖6。 隨著滲透系數(shù)增加,滲漏量和揚(yáng)壓力的折減系數(shù)均會(huì)增加。 當(dāng)帷幕滲透系數(shù)小于4.0×10-7cm/s 時(shí),滲漏量急劇減少,表明帷幕的防滲作用較好。 此時(shí),也在帷幕后揚(yáng)壓力折減系數(shù)增加的臨界點(diǎn)附近,大于該值的帷幕對(duì)揚(yáng)壓力的減緩作用越來(lái)越小,不利于壩體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

圖6 不同帷幕深度的滲漏量及揚(yáng)壓力折減系數(shù)模擬結(jié)果

3 結(jié) 論

本文通過(guò)建立統(tǒng)計(jì)模型,對(duì)揚(yáng)壓力變化和滲漏量進(jìn)行計(jì)算和監(jiān)測(cè),并對(duì)滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算,分析了大壩的滲漏規(guī)律。 監(jiān)測(cè)和計(jì)算結(jié)果顯示,滲漏量的主要影響因素是庫(kù)水位,滲漏與庫(kù)水位的變化有強(qiáng)相關(guān)性,影響占比平均約為62.43%,對(duì)揚(yáng)壓力的影響力最大;其次是溫度,影響占比平均約為16.24%。 壩基滲漏的原因可能是兩岸壩肩高程150～200m 處存在裂隙。 對(duì)防滲帷幕數(shù)值模擬結(jié)果顯示,其防滲效果在深度取20m、滲透系數(shù)小于4.0×10-7cm/s 時(shí)最好。