前坪水庫大壩壩體及壩基滲透穩定研究

王春磊 寧保輝 朱翠民 魏珂 董振鋒 皇甫澤華

摘要：前坪水庫大壩為黏土心墻砂卵礫石壩，屬高壩，心墻土料與壩殼砂卵礫石料、堆石料滲透系數差別較大，壩基存在深厚透水性較強覆蓋層，因此研究其壩體、壩基滲透穩定性，分析易發生滲透破壞的部位及其特性十分必要。通過建立滲流場水文地質模型，采用二維數值模擬和三維有限元兩種分析方法分別進行了壩體、壩基平面和立體有限元滲流分析，通過定性分析與定量計算進行了壩體、壩基滲透穩定性評價和滲流量估算。計算結果表明：心墻出逸點處、防滲墻伸入心墻部分容易出現滲透破壞，均需采取相應保護措施;三維有限元計算是對二維數值計算的擴展和延伸，對于高壩、邊界條件復雜的大壩，更能模擬其實際滲流特性，以便有針對性地提出防治措施。

關鍵詞：心墻;二維數值模擬;三維有限元;滲透穩定性;前坪水庫

中圖分類號：TV641.1 文獻標志碼：A

1 工程概況

前坪水庫位于淮河流域沙穎河支流北汝河上游、河南省洛陽市汝陽縣縣城以西9km的前坪村，是以防洪為主，結合供水、灌溉，兼顧發電的大（2）型水庫，水庫總庫容5.84億m³，控制流域面積1325km²。前坪水庫設計洪水標準采用500a一遇，校核洪水標準采用5000a一遇。工程主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站等。主壩為黏土心墻砂卵礫石壩，壩頂高程423.5m，大壩建基面開挖至密實砂卵礫石層，最大壩高90.3m，壩頂寬10m、長818m。大壩與圍堰結合布置，上游壩坡坡比為1：2.0～1：2.5，下游壩坡坡比為1：2.0。壩體填筑材料分為壩殼砂卵礫石料、反濾料、心墻黏土料、溢洪道開挖利用料（粗堆石料）、泄洪洞開挖利用料（細堆石料）。黏土心墻頂寬4.0m，頂部高程為422.70m，河床段心墻上下游坡比為1：0.3，岸坡段心墻坡比為1：0.4。心墻上、下游側分別填筑兩層反濾料，總厚度上游側為4.0m，下游側為5.0m。下游353.0m高程以下壩殼填筑粗堆石料，粗堆石料與壩基砂卵石層設一層反濾料、一層細堆石過渡料，共厚2.0m。

壩基砂卵石層采用混凝土防滲墻截滲，防滲墻布置于黏土心墻軸線上游5m處，全長665.0m。墻頂高程341.1～363.9m，墻底高程315.8～355.25m，墻深11～29m。防滲墻深度穿過砂礫石層深入至基巖內不小于1m。防滲墻下部布置帷幕灌漿，帷幕頂為防滲墻底，帷幕底端進入相對不透水層5m，相對不透水層以3.0Lu控制，帷幕底高程260.5～365.Om，布置1排帷幕灌漿孔，孔距1.5m。

大壩心墻土料與壩殼砂卵礫石料、堆石料滲透系數差別較大。為研究大壩滲透穩定性，根據大壩材料分區及壩基地質情況，通過建立滲流場水文地質模型，采用二維數值模擬方法和三維有限元分析方法分別進行壩體、壩基平面和三維有限元滲流分析，通過定性分析與定量計算進行壩體、壩基滲透穩定性評價和滲流量估算，提出易發生滲透破壞部位的結構布置措施。

2 二維數值模擬滲流分析

2.1 滲流分析內容

采用數值分析方法進行壩體、壩基平面有限單元法滲流分析[1]。主要包括：①通過壩址區工程地質條件的分析，根據壩體、壩基結構進行工程地質分段，選擇典型計算剖面;②建立滲流場水文地質模型，采用二維數值模擬方法，計算不同庫水位和防滲措施下壩體、壩基滲流場的水力比降，通過定性分析與定量計算進行壩體、壩基滲透穩定性評價和滲流量估算。

2.2 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001），滲流計算包括以下水位組合情況：①上游正常蓄水位（403.00m ）與下游相應的最低水位;②上游設計洪水位（418.36m）與下游相應的水位;③上游校核洪水位（422.41m）與下游相應的水位。

2.3 方法及計算斷面

壩體滲透穩定分析采用河海大學工程力學研究所編制的《水工結構有限元分析系統Atubank5》，穩定滲流場分析可輸出等勢線、滲流量、浸潤線、水力坡降、任意點和任意斷面的流場數據分布圖。

根據壩軸線地形地貌及地層巖性，主壩分為左壩肩段（樁號0+000-0+229）、一級階地段（樁號0+229-0+545）、主河道段（樁號0+545-0+760）、右壩肩段（樁號0+760-0+808）。

根據地質構造以及巖土體物理力學性質、滲透性等水文地質條件，選取樁號0+172、0+550（最大壩高斷面）兩個典型斷面進行滲流及滲透穩定計算。

2.4 滲流計算參數

壩基、壩體巖土體的滲透系數采用地質勘察報告中提供的有關成果。典型斷面各分區材料的滲透系數見表1。

2.5 滲流穩定分析結果及評價

壩體采用黏土心墻壩，壩基采用混凝土防滲墻和帷幕灌漿防滲，其滲流穩定計算結果見表2。

滲透破壞可能發生區域為心墻逸出處，心墻允許水力坡降為0.41。樁號0+172、0+550計算斷面正常蓄水位工況下出逸比降為1.16～1.21，需設置反濾層進行保護。主壩心墻下游設置兩層反濾料，分別為2m厚粗砂反濾料、3m厚粒徑小于50mm反濾料，滿足滲透要求。

2.6 壩體、壩基滲流量計算

滲流量計算時，按地形地質條件沿壩軸線方向分為N個水平向區段，區段寬為L_i（i=1，2，…，N），則總滲流量計算公式為 式中：Q_i為第i區段流量;q_i為第i區段單寬流量。

壩址區第四系含水層厚度較大，最大厚度28m。河床和漫灘主要由卵石層組成，根據抽水試驗結果，滲透系數為1.74×10^-1～2.89×10^-1cm/s，屬強透水性。階地上分布的壤土、粉質黏土滲透系數為5.25×10^-5cm/s，屬弱透水性。右岸壩肩分布的礫巖滲透系數為4.02×10^-4cm/s（透水率為1.2～6.3Lu），屬中等一弱透水性。弱風化礫巖透水率一般小于5.0Lu，屬弱透水性。壩基透水層主要為卵石層，壩基采用混凝土防滲墻及帷幕灌漿防滲處理后，正常蓄水位工況下壩體及壩基年滲漏量為28.62萬m³。根據水文資料，壩址上游多年平均入庫徑流量為3.32億m³，壩體及壩基滲漏量占多年平均入庫徑流量的0.09%，滲漏量相對較小。

3 大壩三維滲流分析

3.1 滲流分析原理

不考慮土體和水體的壓縮性，符合達西定律的非均質各向異性土體三維穩定滲流基本方程為[1]式中：h為水頭;x、y、z為空間坐標;k_x、k_y、k_z分別為x、y、z軸向的滲透系數。

對于土壩穩定滲流，基本方程的定解條件只有邊界條件：式中：f（x，y，z）為給定水頭函數;n為滲流邊界的外法線;Γ₁為已知水頭邊界;Γ₂為給定流量邊界;q為邊界上單位面積的流量。

滲流自由面上的水頭壓力等于大氣壓力，該面上任一點水頭h等于該點的位置高程。對于不透水層面及滲流自由面，沒有流量從此類面流進或流出，故有，kn代表k_x、k_y、k_z。

3.2 三維滲流分析模型及工況

整體模型計算范圍為：上游側邊界距壩軸線400m，下游側邊界距壩軸線400m，左右岸距壩肩分別為250、315m。圖1為主壩三維網格剖分整體模型，采用8節點等參六面體單元網格對模型進行離散，對主要的滲控措施處（混凝土防滲墻、防滲帷幕等）進行網格加密。經離散后三維有限元模型節點總數為28830個，單元總數為57469個。三維滲流計算參數見表1。三維滲流計算工況：工況一，正常蓄水位工況，上游水位403.00m，下游無水;工況二，設計洪水位工況，上游水位418.36m，下游水位346.00m。

3.3 滲流計算結果分析

圖2、圖3為各工況下水力比降分布云圖，圖4、圖5為各工況下等壓力水頭分布云圖。

計算結果表明：①兩種計算工況下防滲墻伸人心墻部分周邊水力比降較大，正常蓄水位工況時水力比降為3.7～11.5，設計洪水工況下為5.1～13.4，黏土心墻內部允許水力比降為5.0～6.0，該部位容易出現滲透破壞。為防止該部位出現裂縫后發生集中滲流，在該心墻范圍土料采用高塑性黏土填筑，增加土料出現裂縫后的自愈能力[2]。②兩種工況下其余部分心墻內部水力比降均小于3.0，小于心墻土料的允許比降，不會發生滲透破壞。③正常蓄水位工況下心墻出逸比降為0.75，設計洪水位工況下為0.96，心墻允許水力比降為0.41，兩種工況出逸比降均大于心墻允許水力比降，需對心墻設置反濾層進行保護。在心墻下游側布置兩層反濾料，第一層為粗砂反濾料（厚2.0m），第二層為粒徑小于50mm反濾料（厚3.0m）。④正常蓄水位工況下防滲墻最大水力比降為68.8，設計洪水位工況下防滲墻最大水力比降為84.2，均小于防滲墻允許滲透比降。⑤壩基主要透水層為卵石層和下伏透水巖體，根據計算結果，壩基采用混凝土防滲、帷幕灌漿等截滲措施后，正常蓄水位工況下大壩年滲漏量為39.70萬m³。根據水文資料，壩址上游多年平均入庫徑流量為3.32億m³，壩體及壩基滲漏量占多年平均入庫徑流量的0.12%，滲漏量相對較小。

3.4 繞壩滲流計算結果分析

壩址左、右岸壩肩山體相對單薄。左岸上部巖體（高程367.26m以上）滲透率大于5.0Lu。右岸山體陡立，巖體裸露，卸荷裂隙發育。高程365.8～350.4m巖體滲透率大于5.0Lu。受河流侵蝕及人類活動（修路切坡）影響，右岸邊坡發育有強卸荷帶，坡體呈懸坡，厚度為垂直地表5～10m，深度自邊坡坡頂延伸至河谷底，裂隙張開局部達2cm，連通性好，裂隙面普遍銹染，雨季沿裂隙見線狀水流。整體上下伏巖體為安山玢巖，主要呈弱風化狀態，滲透等級以弱透水為主。

左岸壩肩上部和右岸壩肩下部巖體透水率較大，存在繞滲可能，需采取延長大壩防滲帷幕處理措施。左岸壩頭距離溢洪道閘室段較近，左岸防滲帷幕擬從左壩頭延長至溢洪道閘室段右側防滲刺墻處，并同溢洪道控制閘上游帷幕連接。右岸防滲帷幕均擬從右壩頭經過副壩延伸至正常蓄水位與3Lu線交匯處，帷幕底以相對不透水線3.0Lu控制。采用1排灌漿孔，孔距1.5m。

大壩左、右壩頭壓力水頭分布云圖見圖6、圖7。

計算結果表明：①大壩左、右岸壩肩采取灌漿帷幕防滲措施后，正常蓄水位工況下左、右岸帷幕灌漿水力比降為3.75～6.25，小于帷幕灌漿允許水力比降。②左、右岸繞壩年滲漏量為3.80萬m³，其中左壩肩繞壩年滲漏量為1.60萬m³、右壩肩繞壩年滲漏量為2.20萬m³，占多年平均入庫徑流量的0.01%，對水庫蓄水基本沒有影響。

4 結論

（1）防滲墻伸人心墻部分周邊水力比降大于心墻土料允許滲透比降，易發生滲透破壞。在該心墻范圍內土料采用高塑性土填筑，增加心墻出現裂縫后的自愈能力[2]。

（2）兩種工況下心墻下游出逸比降為0.75～0.96，大于心墻土料允許出逸比降0.41，易發生滲透破壞。心墻下游布置有兩層反濾料，其中第一層粗砂反濾料厚2.0m，第二層小于50mm的反濾料厚3.0m，滿足滲透穩定要求。

（3）大壩心墻（除防滲墻伸人心墻周邊部分）、防滲墻、防滲帷幕滲透比降均小于允許滲透比降，不會發生滲透破壞。

（4）壩址區年滲漏量為43.5萬m³，其中壩體及壩基年滲漏量為39.7萬m³，左、右岸壩肩繞壩滲流年滲漏量為3.8萬m³。壩址區年滲漏量三維計算結果與二維計算結果相比大34%。壩址區年滲漏量占壩址區多年徑流量的0.13%，大壩防滲措施的型式及范圍是合適的。

（5）本文應用二維和三維有限元方法分析了壩址區滲流場、滲流量、滲透比降，對不同工況的防滲效果進行分析研究。三維有限元計算是對二維數值計算的擴展和延伸，對于高壩、邊界條件復雜的大壩，更能模擬其實際滲流特性，提出防滲控制的最優方案，為防滲控制提出針對性、指導性措施[3]。

參考文獻：

[1]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003：306-470.

[2]王柏樂.中國當代土石壩工程[M].北京：中國水利水電出版社，2004：11一141.

[3]郭江濤.深厚覆蓋層土石壩三維滲透特性分析[D].楊凌：西北農林科技大學，2010：35-40.