土石壩滲透破壞影響因素分析

范偉，張宏博

（1.山東水總有限公司，山東濟南250014；2.山東大學土建與水利學院，山東濟南250061）

土石壩滲透破壞影響因素分析

范偉1，張宏博2

（1.山東水總有限公司，山東濟南250014；2.山東大學土建與水利學院，山東濟南250061）

依托臥虎山水庫工程實例，采用Galerkin有限元方法針對穩定與非穩定滲流兩種情況，分析了心墻滲透系數、上下游水位、心墻坡度、水位突變等各參數對土石壩滲透破壞的影響，建立了土石壩滲透坡降的功能函數，并確定了功能函數隨各參數的概率分布。

滲透破壞；滲透系數；水位；功能函數；概率分布

本文依托臥虎山水庫的工程實例，采用不變網格法中求解自由面滲流問題的截止負壓法進行滲流計算，直接以壓力場為未知函數，利用Galerkin有限元方法并結合固定網格迭代來確定自由面，詳細闡述了壩體滲透性能隨心墻滲透系數、上下游水位、不同壩體壤土、水位突變等參數的變化規律和概率分布。

1　臥虎山水庫滲透破壞分析

2　土石壩滲流穩定性分析

2.1計算模型的建立

根據調查分析，濟南周邊水庫多為中小型土石壩，主要為心墻壩及均質壩，壩高多在10～40 m。假定壩高40 m，建立心墻土石壩有限元力學模型。

2.2計算參數的選取及計算流程

根據濟南市臥虎山水庫地質勘查報告，確定土石壩滲流計算物理力學參數如表1所示。

表1　土石壩滲流計算物理力學參數表

根據濟南市臥虎山水庫地質勘查報告及臥虎山水庫運營資料統計，確定土石壩滲流計算物理力學參數如表2所示。

計算流程如下：首先采用理正巖土滲流計算模塊，分析心墻滲透坡降分布規律，確定最大滲透坡降；然后計算滲透坡降功能函數，擬合功能函數表達式；再采用概率論知識，擬定參數的概率密度函數，進行功能函數的概率求解。

表2　土石壩滲流計算工況參數表

2.3穩定滲流計算結果

因變異參數較多，以黏土心墻滲透系數變化為例進行說明。

1.開發利用檔案，給企業帶來明顯的經濟效益。徐州發電有限公司從1994年開始探討對4臺125MW和4臺200MW機組全面改造方案，公司綜合檔案科提供了汽輪機、發電機、鍋爐及其輔助設備總圖等大量有參考價值的科技檔案，利用科技檔案卷次共800余卷，從1997年至2001年，先后對8臺機組進行了現代化技術改造，改造后的機組各項經濟技術指標，達到了國內同類型機組的先進水平。通過技術改造，不僅延長了機組的壽命，使老機組煥發了青春，而且大大提高了機組安全可靠性、可控性、可調性和自動化水平，增強了企業實力，對于企業參與市場競爭，迎接新世紀挑戰，無疑具有重大的現實意義和深遠的歷史意義。

經計算，隨著心墻滲透系數的增大，浸潤線的位置逐漸降低。根據計算結果繪制心墻、壩前及壩后最大坡降功能函數值（J（X）=Jcr-J）與心墻滲透系數的關系曲線，如圖1所示。

圖1　不同心墻滲透系數時滲透功能函數變化規律

由圖1可知，隨著黏土心墻滲透系數的增大，壩前坡及心墻坡降變化幅度較小，壩后坡的坡降值變化最為明顯，更接近于臨界坡降值，表明壩后坡更容易發生滲透破壞。

同理，可得到心墻坡度、上、下游不同水位（如圖2所示）、壩體壤土滲透系數等不同條件下壩前（圖省略）、心墻及壩后最大坡降變化規律（圖省略）。

圖2　上、下游水位變化的影響

對比圖2上下游水位變化，上游水位增高，壩前坡、心墻及壩后坡坡降均明顯增大，破壞函數明顯呈降低趨勢，表明破壞概率增加幅度較大。而下游水位抬高，僅對壩后坡坡降略有影響。

壩后坡壤土滲透系數增大，坡降破壞函數值增加，表明壩后坡滲透破壞概率減小；但心墻位置坡降破壞函數值降低，表明壩體內部承受滲透壓力更大，破壞概率增大。

心墻坡度對坡降的影響不顯著，所以在保證心墻施工和運營安全的情況下，心墻下部可適當縮減尺寸。

2.4非穩定滲流計算結果

考慮庫水位突升和突降，計算非穩定滲流條件下壩體滲透坡降變化。選取壩前、心墻和壩后滲透坡降最大值，繪制滲透破壞函數與水位突升和突降的關系曲線。

由關系曲線可知，壩后坡滲透破壞函數值最小，表明此處更易發生滲透破壞。隨著水位突降速率的增加，心墻的滲透破壞函數衰減趨勢相對較為明顯，表明水位突降對心墻的滲透穩定影響最大。水位快速上升對壩體滲透穩定影響更為顯著，特別是壩前和心墻滲透破壞函數明顯衰減，當水位上升速度超過1.0 m/d時，心墻滲透破壞功能函數衰減至0以下，表明心墻將發生滲透破壞。

3　壩體滲透破壞概率分布求解

根據相關文獻資料及臥虎山水庫地勘資料及運營資料，擬定變量數學期望值及方差。并根據前述確定的滲透破壞功能函數，確定滲透破壞分布函數的數學期望和方差，如表3所示。

根據上表中所確定的數學期望和方差，采用excel表格中的數學函數Normdist函數，繪制滲透破壞正態分布函數，并求解破

表3滲透破壞分布函數表

變量名稱變量分布函數滲透破壞功能函數因子滲透坡降破壞分布函數ab位置參數心墻滲透系數0.0055m/d5E－6－58.850.7390.4151.73E－02上游水位33m10.56－0.0211.1770.4844.66E－03庫水位上升速度0.75 m/d0.14－0.5880.7030.2624.84E－02

壞概率。基于上述分析，重點針對心墻滲透系數、上游水位和庫水位上升速度3種變量因素進行分析。

圖3　心墻滲透系數

由圖3可知，隨著心墻滲透系數增加，壩體滲透破壞概率逐漸增加，當心墻滲透系數增至0.01 m/d時，壩后坡滲透破壞概率接近100%。為了保證壩體安全，建議心墻滲透系數應不大于7E－06 cm/s。

隨著上游水位的不斷抬高，壩后坡的破壞概率迅速增加，當水位抬升至40 m（漫頂水位）時，壩后坡滲透破壞概率為100%。因此，為了保證壩體安全，庫水位建議控制在35 m以下。

水位上升速度越快，對心墻滲透穩定性影響越大。因此，為了保證心墻安全，水位上升速率應控制在1.0 m/d以內。

4　結語

1）心墻滲透系數大、上游水位高，土石壩更易發生滲透破壞，而心墻坡度對水力坡降影響不顯著。

2）從非穩定滲流功能函數中可以看出：水位突升突降對心墻穩定性影響較大。

3）土石壩滲透破壞功能函數與心墻滲透系數、上游水位、水位突升速度符合正態分布，為了保證壩體安全，建議心墻滲透系數應不大于7E－06 cm/s，庫水位控制在35 m以下，水位上升速率應控制在1.0 m/d以內。

［1］王棟，朱元甡．防洪系統風險分析的研究評述［J］．水文，2003，23（02）：15－20.

［2］朱元甡．上海防洪（潮）安全風險分析和管理［J］．水利學報，2002，（08）：21－28）.

（責任編輯遲明春）

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2016-05-15

范偉（1977—），男，高級工程師