張峰水庫大壩滲透參數反演計算

賈慧鵬

（山西張峰水庫建設管理局，山西晉城 048215）

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張峰水庫大壩滲透參數反演計算

賈慧鵬

（山西張峰水庫建設管理局，山西晉城 048215）

【摘 要】本文以壩體竣工時試驗和檢測得出的土性參數為初始值，以安全監測得出的現狀滲流場為標準，通過有限元數值分析方法反演得出符合工程實際的壩體和壩基滲流計算參數。該參數用于預測高水位下壩體滲流變化情況，分析壩體在高水位下的滲透安全和滲流變化規律。

【關鍵詞】張峰水庫大壩；滲透參數；反演計算

1　工程概況

張峰水庫壩型為黏土斜心墻堆石壩，壩頂高程763. 8m，壩頂長627m，壩頂寬10m，最大壩高72. 2m，上游壩坡1∶1. 75，下游壩坡1∶1. 50；黏土防滲體頂部高程762. 8m，頂寬4m，高程752. 5m以上采用直心墻型式，以下為斜心墻，心墻上游邊坡1∶0. 75，下游邊坡1∶0. 25；上游堆石料與心墻之間設置一層反濾層和一層過渡層，心墻下游與堆石料之間設置兩層反濾層和一層過渡層。

2　計算模型

壩基巖分為強風化層、弱風化層和完整基巖，其中完整基巖又分為強透水層和中透水層兩種。壩體土體按照其填筑類型分為心墻、2A和2B反濾層、3A過渡層、3B過渡層、4A和4B壩殼料五種。

計算時，將帷幕灌漿層和固結灌漿層統一考慮，并考慮了心墻下混凝土墊板和灌漿廊道；將基巖中透水率小于1Lu的下限作為計算模型下邊界，以此作為不透水邊界，并保證模型上下高度大于2倍壩高，模型左右兩側邊界各取到壩趾與壩踵以外1倍壩高以外，這樣確定的壩體模型長為500m，高為154m。

計算中庫區和上游壩坡上實際上游水頭邊界，上游水頭按照計算類別分別取實際庫水位或者正常蓄水位等，下游水位按照原型觀測結果基本在698～700m之間變化，實際取值時在計算上游較低水位時取699m，庫水位較高時取700m。

為了計算方便，將底部高程620m作為計算模型的起始高程，也就是實際壩體620m高程為計算模型的0m高程，這樣模型計算得到的水頭高程與實際高程的換算關系為：

在壩體下游壩坡底部設定溢出邊界條件，迭代計算壩坡溢出點的位置。

計算中以壩體高程方向為y軸，其0點為620m高程；以從上游指向下游為x軸，其0點為壩體模型上游邊界點。得到的二維計算模型示例如圖1所示。

圖1　二維計算模型示例（0＋350斷面）

3　滲透參數反演計算

反演分析以0＋350斷面為主進行。該斷面處于壩體河床段，壩高最大，下游排水情況明確，并包含了幾乎所有的填筑土料層，較為適合進行分析計算。

圖2　庫水位為759m時壩體浸潤線變化過程

3. 1穩定與非穩定滲流場對比

用非穩定滲流計算方法，對壩體庫水位瞬間抬升到正常蓄水位759m，之后持續1個月后、4個月后和1年后、2年后的浸潤線進行了計算，用來對比非穩定滲流場向穩定滲流場轉化的過程。計算結果如圖2所示。從圖2中看出，壩體浸潤線在初期表現為心墻上游側和底面702m高程以下浸濕，浸濕范圍較小，浸潤線為一個凹面向上的勺形；隨著庫水位在759m上維持時間增加，心墻內浸濕范圍逐步增大，上游側浸濕范圍逐步向下游擴大，底部浸濕范圍逐步向上抬升，1年后，形成了幾乎垂直的浸潤線；2年后，浸潤線進一步移動和抬升，形成了穩定滲流浸潤面，該面為一個凹面向下的勺形，這時心墻下部基本處于浸濕飽和狀態，只有上部處于非飽和狀態。

從上面的分析看出，壩體浸潤鋒面變化的過程實際上主要是心墻內部浸潤線變化的過程，其他部位變化較小，也反映出心墻在整個壩體防滲中的重要地位。壩體心墻浸潤線變化是從上游側向下游側和從底部向上抬升的變化過程，開始時的浸潤線為下凹形，最后逐漸變化為上凸形。這些規律可以為下一步反演分析提供基礎依據。

3. 2滲透參數反演分析

圖3　蓄水過程線

以0＋350斷面為例進行分析原型觀測數據發現，實際庫水位變化過程是一個逐漸上升的過程，在這一過程中，測定的壩體浸潤線實際上是壩體在不同水位下非穩定滲流形成的過程，應采用非穩定滲流計算方法才能準確反映實際情況，因此反演的方法為非穩定滲流計算方法。

將模型上游水位邊界條件按照實際庫水位上升過程線（見圖3）設置成為水位隨時間變化的量，下游水位從698m到700m逐步抬升，計算壩體在不同時刻的浸潤線變化，并將其與原型監測測定的不同時刻的壩體浸潤線進行對比，若計算結果不同，根據實際情況調整計算參數，再進行計算，反復多次，直到計算壩體浸潤線與原型觀測浸潤線基本一致為止，這時使用的計算參數就是符合實際的參數值，也就是反演得到的滲流計算參數值。通過這個過程就實現了參數的反演。

多次計算最后得到的壩體不同時刻的計算結果見圖4。

圖4　0＋350斷面不同時刻壩體浸潤線

將圖4與滲壓計資料分析報告推測的壩體各個時刻浸潤線進行對比發現，兩者基本規律一致，數值相差不大。另外將計算得出的測點p-3-3-3點的滲透水頭變化過程與計算得出的值進行對比，如圖5所示，從圖5中看出兩者基本規律一致，數值有所差別，最大差值在3m左右，差別是在時間上有所滯后。另外反復計算表明：無論如何改變計算參數，在壩體下游，4A和3B區域底部浸潤線都不會高于704m，而實際觀測出該處滲透水頭可以達到713. 59m（2011年12月31日，P-3-4-7）和709. 88m（2010年3月4日，P-3-3-6），可能因為該處為非飽和滲流補給區，局部滲透水壓造成測點水壓的變化，也可能與這兩個測點精度不好有關。總體看來反演計算結果與實測值的發展規律與趨勢一致，因此反演結果基本可以反映實際壩體滲流變化過程。

圖5　0＋350斷面測點p-3-3-3計算與觀測水頭變化對比情況

因此認為反演結果可信，由此得出的壩體滲透計算參數見右表。其中，壩體滲透系數與初始值一致，壩基巖體計算滲透系數有所增大，其他變化較小，壩體滲透系數與吸力的關系曲線基本相同。用以上反演得到的滲透計算參數就可以分析壩體滲透場，判別其滲透穩定性。

反演得到的各區域滲透系數對比表

4　結 語

以庫水位在較高情況下實際觀測得到的滲流場為標準進行參數反演，得出符合工程實際的壩體和壩基滲流計算參數；再以低庫水位下滲流場觀測結果為標準，用反演得到的計算參數進行滲流數值計算，驗證反演參數的合理性；為下一步分析預測在正常高水位下壩體的滲流場及其滲透穩定性變化規律等奠定了堅實基礎。■

Inversion calculation of dam seePage Parameter in Zhangfeng Reservoir

JIA Huipeng
（Shanxi Zhangfeng Reservoir Vonstruction Administration，Jincheng 048215，Vhina）

Abstract：Soil property parameters obtained from test and inspection during dam body completion are adopted as initial value. Current seepage field obtained from safety monitoring is adopted as standard. The dam body and dam foundation seepage calculation parameter in line with project practice are obtained through the inversion of finite element numerical analysis method. The parameter is used for predicting dam body seepage change position under the high water level. Seepage safety and seepage change rule of dam body under the high water level are analyzed.

Key Words：Zhangfeng Reservoir dam；seepage parameter；inversion calculation

DOI：10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.01.018

中圖分類號：TV139. 1

文獻標識碼：B

文章編號：1673-8241（2016）02-0062-05