基于二維穩(wěn)定滲流有限元的病險大壩滲流分析

郭友剛，石強(qiáng)

（湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司，武漢430062）

基于二維穩(wěn)定滲流有限元的病險大壩滲流分析

郭友剛，石強(qiáng)

（湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司，武漢430062）

針對古城水庫大壩出現(xiàn)的滲漏問題，在充分核實(shí)和精確計算的基礎(chǔ)上，采用二維穩(wěn)定滲流有限元計算方法，進(jìn)行了滲流分析,對不同工況進(jìn)行了計算，研究了滲流對壩體產(chǎn)生的影響及危害性，以期為同行提供借鑒。

有限元；水利大壩；滲流；質(zhì)量控制

1 引言

本文研究對象古城水庫大壩壩中部河槽處分布第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)粘土，承載力低，壓縮性高，易引起壓縮沉降，造成壩體開裂及滲漏。老河床部位滲漏、散浸現(xiàn)象較為嚴(yán)重，原始地面處理不徹底，接合面及軟夾層透水形成。并且由于壩體與壩基間的接合面含有較多腐殖土及較多粉質(zhì)，局部含少量礫砂，施工時清基不徹底，腐殖土孔隙度大，土質(zhì)疏松，中等透水性，易形成滲漏；壩基土局部中等透水性，長期位于高水位情況下，易形成滲漏。

2 古城水庫概況

古城水庫最大壩高21.5m，壩頂長度1070m，壩頂高程155.50m。主壩壩頂局部沉陷不均，壩頂高程達(dá)不到原設(shè)計壩頂高程，一般在0.1～0.3m之間，最大處達(dá)到0.39m。

古城水庫建成后，經(jīng)過多年的運(yùn)行使用，發(fā)現(xiàn)大壩存在很多問題，大壩下游坡滲水嚴(yán)重，由于大壩施工質(zhì)量差，壩坡面多處沉陷不均，坡面混凝土塊塌陷嚴(yán)重，損壞面積達(dá)13928m2，損壞率達(dá)61.0%。

通過地質(zhì)分析，造成壩基滲漏的主要原因包括：（1）壩體與壩基間的接合面含有較多腐殖土及較多粉質(zhì)，局部含少量礫砂，施工時清基不徹底，腐殖土孔隙度大，土質(zhì)疏松，中等透水性，易形成滲漏；（2）壩基第②層土局部中等透水性，長期位于高水位情況下，易形成滲漏。

據(jù)此對大壩填筑質(zhì)量進(jìn)行評價：大壩壩體填筑質(zhì)量不合格。

大壩下游坡面排水溝損壞嚴(yán)重，壩下貼坡式反濾排水原設(shè)計長200m，未按設(shè)計要求興建，實(shí)際只建了40m，且已堵塞失效。由于水庫確權(quán)劃界工作沒有到位，大壩外坡禁腳內(nèi)農(nóng)民進(jìn)行耕作的現(xiàn)象十分普遍，給大壩造成了一定的安全隱患。據(jù)此，對上游護(hù)坡及下游壩腳質(zhì)量評價為不合格[1]。

3 計算古城水庫大壩滲流

在對古城大壩滲流進(jìn)行計算時，可以使用二維穩(wěn)定滲流有限元計算方法，依據(jù)各向同性來對土層滲透性進(jìn)行分析。在對斷面進(jìn)行計算時，分別對河床的最大斷面（0+350m）及岸坡壩斷面（0+485m）進(jìn)行計算。計算工況按初步設(shè)計的調(diào)洪計算結(jié)果，在選擇上游水位時，分別選取了正常蓄水位、設(shè)計洪水位以及校對洪水位，其高度為153m、154m和155m。在選擇下游水位時，河床壩段和岸坡壩段均為136m。

由以上試驗可得出如下結(jié)論：大壩各土層的滲透系數(shù)及允許滲透坡降取值見表1，根據(jù)滲流計算成果[2，3]，見表2。

表1 各土層滲透系數(shù)及允許滲透坡降表

表2 二維滲流計算成果表

4 古城水庫大壩抗滑計算

根據(jù)滲流計算成果，古城水庫大壩抗滑穩(wěn)定計算取河床段最大斷面0+350m和岸坡壩段0+485m來進(jìn)行計算。依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2001）中的有關(guān)規(guī)定，水庫所在位置的地震動參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為0.05g，地震烈度保持在Ⅵ度以上，在進(jìn)行復(fù)核計算時，地震荷載的作用不進(jìn)行詳細(xì)考慮[4,5]。

依據(jù)水庫的實(shí)際情況和《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)的要求，在對工況進(jìn)行計算時，主要分為以下2種情況：（1）正常工況。在正常蓄水位的情況下，滲流情況比較穩(wěn)定，此時下游壩坡也比較穩(wěn)定；在設(shè)計洪水位的情況下，滲流情況比較穩(wěn)定，此時下游壩坡也比較穩(wěn)定；正常蓄水位下降到死水位時，上游壩坡會出現(xiàn)比較穩(wěn)定的情況。（2）非正常工況。在校對洪水位的情況下，滲流情況比較穩(wěn)定，此時下游壩坡也比較穩(wěn)定；當(dāng)校對洪水位下降到正常蓄水位時，上游壩坡會出現(xiàn)比較穩(wěn)定的情況。使用有效應(yīng)力法進(jìn)行計算，地質(zhì)資料的有關(guān)參數(shù)構(gòu)成了計算參數(shù)，依據(jù)已有經(jīng)驗來進(jìn)行校對，具體情況見表3。

表3 大壩穩(wěn)定分析計算的有關(guān)參數(shù)

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274－2001)的規(guī)定，對3級建筑物，也要使用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法，參考的依據(jù)為安全系數(shù)的最小值。在對體壩和厚壩計算抗滑穩(wěn)定性時，最佳的辦法就是使用簡化畢肖普法，此次計算過程中，對瑞典圓弧法和簡化畢肖普法在計算抗滑穩(wěn)定性的情況進(jìn)行了認(rèn)真的對比。最終選擇使用的計算程序為巖土工程邊坡穩(wěn)定的計算程序，它是由北京理正軟件研究所研制的。

在水庫水位降落期，采用瑞典圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定分析時，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可以分別采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法公式進(jìn)行計算。

用總應(yīng)力分析，計算較簡單，無需考慮孔隙壓力，分析的可靠性在很大程度上取決于試驗條件模擬現(xiàn)場的實(shí)際情況。用有效應(yīng)力分析，其抗剪強(qiáng)度一般對試驗條件不很敏感，變化較小，分析的可靠性主要取決于對剪切面上孔隙壓力反映的真實(shí)程度。

在穩(wěn)定滲流期里，依據(jù)滲流分析計算壩體內(nèi)的滲流壓力，壩體中的孔縫水壓力u的計算公式如下：

式中，γW為水容重；h為滲透壓力水頭。

壓縮性比較大的填土中出現(xiàn)水位下降的情況以后，會有附加孔縫壓力出現(xiàn)，在確定孔縫水壓力時會比較困難。在計算時，采取了取近似值的方法，對降落時出現(xiàn)的孔縫壓力消散的情況沒有進(jìn)行考慮，孔縫水壓力系數(shù)不用太精確，可以按照以下公式進(jìn)行計算：

式中，h1為填土高度；h為水頭損失值。

5 計算結(jié)果分析

通過滲流計算可知，大壩滲流量大，其原因是壩基、壩體防滲性能較差。壩體為黏土，允許滲透坡降值為0.40，壩基（Q4al）允許滲透坡降值為0.45。計算成果表明,壩體出口滲透坡降最大為1.62，壩體與壩基接觸面滲透坡降最大為0.46，均大于允許滲透坡降，不滿足要求，壩體容易發(fā)生滲透破壞。從滲流計算結(jié)果可以看出，滲流逸出點(diǎn)高程在139.88～151.98m之間，逸出點(diǎn)過高。加之在水庫的實(shí)際運(yùn)行中,觀測到當(dāng)水庫蓄至正常蓄水位附近時，大壩在下游第二級坡多處發(fā)生散浸和明流現(xiàn)象，理論計算和實(shí)際運(yùn)行情況均說明壩體和壩基在滲流方面不滿足要求，故需要對壩體和壩基進(jìn)行防滲處理。

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274—2001）的有關(guān)規(guī)定，對3級壩體進(jìn)行穩(wěn)定分析時，可以使用瑞典圓弧法。在正常運(yùn)用的情況下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的最小值一定要大于1.2；在非正常運(yùn)用的情況下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的最小值一定要大于1.1。使用簡化畢肖普法后，在正常運(yùn)用的情況下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的最小值一定要大于1.3；在非正常運(yùn)用的情況下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的最小值一定要大于1.2。

6 結(jié)語

本文采用二維穩(wěn)定滲流有限元方法對古城水庫大壩的進(jìn)行滲流及抗滑分析，分別進(jìn)行了不同工況的計算，最后得到了大量的結(jié)果及圖表。研究表明，水庫大壩填筑過程中的清底工作十分重要，其滲透及滲透穩(wěn)定性直接關(guān)系到大壩的穩(wěn)定性。

【1】齊曉華,李曉麗,張波.基于有限元法的大壩滲流分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012（3）:211-215.

【2】龔雪,方朝陽.漕河水庫大壩滲流分析及加固設(shè)計方案探討[J].水電能源科學(xué),2009(4):58-60+53.

【3】路陽,方朝陽.葉家圈水庫大壩滲流分析[J].人民黃河,2010（8）:136+ 139.

【4】仇建春,蔡婷婷,蔣瑋,等.大壩滲流統(tǒng)計模型在棉花灘水電站右岸繞壩滲流分析中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué),2013（5）:49-51.

【5】王智陽,趙婷,崔曉波.故縣水庫大壩滲流分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2012（5）:132-136.

Two Dimensional Nonlinear Finite Element Analysis on the Dam Seepage of Gucheng Reservoir

GUOYou-gang，SHIQiang
(HubeiDayuWaterResourcesandHydropowerConstructionCo.Ltd.，Wuhan 430062,China)

Applying the finiteelement,combining theactualcircumstanceof theGuChengReservoirDma,thePaperspeciallyanalyzed the influenceoftheseepgae to thedam.Otherw ise,theharm fulnessoftheseepageto thedam,theresultof thecirculationandanalysisof thispaper notonlyhavethereferenceeffectto theotherreservoirsthatneed tobestrengthened,butalsoaccumulateexperienceforthedangerousreservoir treatmenttechnology research.

finiteelement；hydroelectricdam；seepage；qualitycontrol

TV640.31

A

1007-9467（2016）08-0140-02

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.038

2016-03-02

郭友剛（1977～），男，湖北武漢人，高級工程師，從事水利工程施工及管理研究，（電子信箱）543800337@qq.com。