岳壁水庫大壩滲流及穩(wěn)定分析

朱厚斌

(臨汾市水利勘測設(shè)計院，山西 臨汾 041000)

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岳壁水庫大壩滲流及穩(wěn)定分析

朱厚斌

(臨汾市水利勘測設(shè)計院，山西 臨汾 041000)

水庫大壩壩體壩基內(nèi)部滲流的發(fā)生及性能等都與混凝土屬性有關(guān)，岳壁水庫大壩受到許多外界因素的綜合影響，因而內(nèi)部滲流穩(wěn)定情況異常復(fù)雜，筆者在結(jié)合勢流原理與相關(guān)方程模型的基礎(chǔ)上對岳壁水庫大壩滲流及穩(wěn)定情況進(jìn)行綜合分析。利用勢流原理及柯西黎曼方程進(jìn)行了大壩壩基耦合模型的構(gòu)建，并進(jìn)行了滲流穩(wěn)定計算與分析，提出了針對性和適用性較強(qiáng)的兩個加固設(shè)計方案。

岳壁水庫；大壩滲流；穩(wěn)定性；穩(wěn)定系數(shù)；加固設(shè)計

1 工程概況

岳壁水庫位于臨汾市堯都區(qū)大陽鎮(zhèn)岳壁村東南澇河一級支流內(nèi)鼻河下游溝內(nèi)，是一座以灌溉為主兼有防洪、養(yǎng)殖的小型水庫，原設(shè)計水庫總庫容106萬m3，本次設(shè)計及大壩安全鑒定時對水庫庫容進(jìn)行復(fù)核和洪水調(diào)節(jié)計算，水庫總庫容為64萬m3。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管組成。該水庫建成于1978年。大壩壩體為均質(zhì)土壩，最大壩高20m，壩頂高程為590.0m，壩頂長160m，壩頂寬5m。溢洪道位于大壩左岸，矩形斷面，進(jìn)口底高程588m，進(jìn)口寬度約2m，全部為土基且未按原設(shè)計開挖，無襯砌及消能設(shè)施。岳壁水庫位于臨汾市堯都區(qū)大陽鎮(zhèn)岳壁村東南，澇河一級支流內(nèi)鼻河下游，屬黃河流域汾河水系。壩址以上控制流域面積8.9km2，流域長度7.0km，主河道縱坡13.2‰。本流域地下水的主要補(bǔ)給來源是大氣降水。地下水類型為松散巖層孔隙水和碎屑巖類裂隙水；地下水由東向西逕流，最終進(jìn)入汾河。

本水庫工程在設(shè)計正常高水位585m時，壩體、左、右壩肩的滲透均處于穩(wěn)定性狀態(tài)；壩基在未考慮壩前淤積的情況下實際水力比降略小于允許水力比降，滲透處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；在考慮壩前淤積的情況下滲透處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。左壩肩下游壩坡存在著滲漏問題，為使大壩正常運(yùn)行，建議采取防滲處理。

2 水庫大壩滲流穩(wěn)定分析

由于水庫大壩壩體內(nèi)部裂縫與孔隙十分復(fù)雜，且一旦發(fā)生滲流將直接引發(fā)大壩沖蝕侵害及滑坡破壞，以往理論大多利用勢流原理的柯西黎曼方程，構(gòu)建水庫大壩壩體流固耦合模型，并進(jìn)一步確定大壩滲流的穩(wěn)定安全系數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)，并為大壩出險加固設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。計算大壩滲流穩(wěn)定的流體力學(xué)法準(zhǔn)確度較高，而且可以求出大壩任何滲流點(diǎn)的系列參數(shù)(滲流水頭、流體壓力、坡降、滲流量等)，相反水力學(xué)法計算過程較為簡便、且只能計算出特定截面既定滲流點(diǎn)的系列參數(shù)，誤差較大[1]。結(jié)合勢流原理及其中的柯西黎曼方程來看，大壩滲流過程中的流函數(shù)與滲流點(diǎn)系列參數(shù)存在偏導(dǎo)的函數(shù)關(guān)系，且滲流勢函數(shù)與流函數(shù)之間呈共軛關(guān)系，通過求解便可求得流網(wǎng)的實際值，進(jìn)而可以通過比較流網(wǎng)值與預(yù)測值而得到滲流量、流體壓力、坡降、孔隙壓力等具體值。結(jié)合達(dá)西定律的相關(guān)原理與規(guī)定，水庫大壩范圍內(nèi)所可能發(fā)生的滲流流速的二維取值在三維立體坐標(biāo)軸上所反映的具體量很容易得出，將這三個反應(yīng)各自方向的滲流流速的三維向量分別帶入滲流方程，便可將水庫大壩滲流浸潤線的函數(shù)表達(dá)式寫出。

浸潤線的計算公式為：

(1)

其中q為水庫大壩滲流量，計算公式如下：

(2)

(3)

式中：k為水庫大壩滲流系數(shù)，cm/s，本工程取k=2.2×10-5cm/s；H1、H2分別為大壩壩址上下游水深，m；h0為滲流水深，m；L′為大壩壩址垂直坡面與上游坡腳處的水平距離，m。將岳壁水庫大壩滲流數(shù)據(jù)代入式(1)-(3)，計算結(jié)果見表1。

表1 岳壁水庫大壩浸潤線計算成果

3 滲流穩(wěn)定系數(shù)的確定

水庫大壩內(nèi)部存在各種形式滲流的情況下，各種滲流形式都會對壩體靜水壓力產(chǎn)生或多或少的不利影響，從而導(dǎo)致壩體土體中的含水量和含水率大大提升，而抗剪強(qiáng)度與抗剪能力減低，容易發(fā)生滑坡、失穩(wěn)、變形等病害。可以通過計算孔隙水壓力進(jìn)而確定滲流總應(yīng)力及其中所包含的有效應(yīng)力進(jìn)行大壩滲流穩(wěn)定的相關(guān)分析及參數(shù)的確定，其中真正引起大壩滲流和壩體變形的是有效應(yīng)力，為此，在計算和確定大壩孔隙壓力的滲流影響時，只需要計算自由基面及其以下高程的靜水壓力即可。常用的計算方法有替代容重法和比少普法[2]。

替代容重法由最早的瑞典法演變而來，如今已經(jīng)廣泛運(yùn)用于國內(nèi)外大中型水庫大壩壩體與壩基的滲流穩(wěn)定分析方面，其主要利用浮容重代替自由基面以下的飽和容重，由于自由基面以下孔隙水壓力值較小，一般忽略不計，該方法也只能用于平緩(或小坡度)的大壩，鑒于本工程實際情況，該方法較為適合，其滲流穩(wěn)定系數(shù)的計算為：

(4)

式中：Mc為壩體加固土條對圓心力矩，kN·m，取Mc=1.0kN·m；b為壩體加固土條寬，m；c、φ為土條容重及應(yīng)力指標(biāo)，kg/m3；μ為自由基面以下(上)的設(shè)計高程，m；R為圓弧半徑，m；W為土條重量，kg；V為垂直向慣性力大小，kN。計算結(jié)果見表2。

表2 岳壁水庫大壩滲流穩(wěn)定復(fù)核成果表

由表2計算結(jié)果可知，岳壁水庫大壩滲流穩(wěn)定系數(shù)k的取值始終>1(除下游壩段正常蓄水位+地震蓄水位工況下k<1外)，大壩滲流穩(wěn)定且運(yùn)行安全可靠。

為便于進(jìn)行可視化處理，運(yùn)用ANSYS有限元軟件首先構(gòu)建針對岳壁水庫大壩壩體的數(shù)學(xué)模型，并將大壩模型的平面如圖1所示。：

圖1 岳壁水庫大壩平面圖

通過所選用的滲流模型可以推測，瞬間出現(xiàn)的壩體與壩基穩(wěn)定性擾動所引發(fā)的滲流歷時較長，一般都會持續(xù)十幾小時甚至幾十小時。為了應(yīng)對這種主要由于滲流所引發(fā)的水庫大壩病害的發(fā)生并在發(fā)生后控制其損害的嚴(yán)重程度，可以利用ANSYS模型工具先確定大壩的初始數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步得到大壩水位高程升高后的各種應(yīng)力分布形態(tài)，在其中的豎向應(yīng)力中，隨著水位高程的提升，豎向應(yīng)力中的靜水壓力呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，并且最終中間低兩頭高的情勢分布，這充分表明水位高程的變化對大壩壩體和壩基穩(wěn)定性能有直接影響[3]。

4 加固設(shè)計

針對岳壁水庫大壩滲流特征及穩(wěn)定分析的基本情況，現(xiàn)提出兩種針對性和適用性較強(qiáng)的加固方案。

4.1 套孔沖抓回填防滲設(shè)計

在進(jìn)行套孔沖抓回填設(shè)計時，必須充分利用沖抓鉆頭的沖力進(jìn)行滲漏部位鉆進(jìn)，選擇黏性較大的土體進(jìn)行回填，隨后做夯實處理即可成為連續(xù)防滲墻，該設(shè)計所需設(shè)備儀器較為簡單、操作過程無特別的技術(shù)要求，經(jīng)過試用防滲效果較好，經(jīng)過黏土回填夯實后可以大大降低滲透系數(shù)，提高防滲效果。

4.2 深層攪拌防滲設(shè)計

深層攪拌防滲設(shè)計主要利用攪拌機(jī)等類似機(jī)械設(shè)備將符合配比要求的混凝土等填筑材料輸送到地下滲漏部位，并在地下使之與沙土和黏土充分拌和，待其硬化便形成防滲層，該技術(shù)所構(gòu)筑的防滲層厚度較大、且完全按照配合比進(jìn)行拌和，硬度符合要求，施工期短而成本較低。

5 結(jié) 論

岳壁水庫大壩運(yùn)行受到許多外界因素的綜合影響，壩體及壩基內(nèi)部孔隙狀況異常復(fù)雜，在確定滲流點(diǎn)水流流速方面確實存在困難，筆者利用勢流原理及柯西黎曼方程進(jìn)行了大壩壩基耦合模型的構(gòu)建，并進(jìn)行了滲流穩(wěn)定計算與分析，并提出了針對性和適用性較強(qiáng)的兩個加固設(shè)計方案。

[1]羅澤旻.桎木水庫大壩滲流與穩(wěn)定分析[J].湖南水利水電，2016(05)：12-15.

[2]于濤.探討關(guān)于水庫壩體加固施工中穩(wěn)定滲流的分析[J].工程技術(shù)：全文版，2015(12)：93.

[3]袁昊天，袁春光.非均質(zhì)土石壩穩(wěn)定—非穩(wěn)定滲流有限元分析[J].工程技術(shù)：文摘版，2015(10)：269.

1007-7596(2017)04-0042-02

2017-03-14

朱厚斌(1972- ) ，男，江蘇濱海人，工程師。

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