平原水庫土石壩滲流特性及防滲措施分析

張宗坤

（濱州市水利勘測設計研究院，山東 濱州 256600）

打漁張渠首水庫位于博興縣喬莊鎮，設計庫容1340萬m3，是一座以農業灌溉、人畜飲水和企業供水為主的平原水庫，圍壩為碾壓式均質土壩。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017），水庫工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，庫區地震基本烈度為Ⅶ度。本文運用理正巖土軟件對其加固后大壩進行滲流分析計算，從而驗證所采取的加固措施防滲效果的有效性。

1 工程概況

1.1 大壩現狀

水庫始建于1997年，從打漁張引黃閘后通過十三條渠引黃河水，經入庫泵站直接入庫，對黃河水帶來的泥沙采取以挖待沉的方式。圍壩長13.1 km，庫底高程7.5 m，壩頂高程14.0 m，壩頂寬6.0 m，壩內外邊坡均為1∶3，沿圍壩四周布置截滲溝一條，場區地下水位9.29 m。現狀大壩迎水坡沒有進行防滲、截滲和混凝土板護坡，受風浪剝蝕局部坍塌嚴重。經計算，現狀大壩年滲漏總量239.26萬m3，為總庫容的17.86%，滲漏嚴重，不滿足《平原水庫工程設計規范》（DB 37/1342-2009）7.6規定，在一般情況下平原水庫的年滲漏量宜控制在總庫容的6%～10%以內。

1.2 加固措施

擬采取加固措施有：庫底清淤下挖1.0 m，迎水坡采用聯鎖預制混凝土砌塊護砌，背水坡為草皮護坡。壩體采用復合土工膜結構、壩基采用懸掛式截滲墻作為防滲措施。經加固后，壩頂高程14.0 m，庫底高程6.5 m，水庫設計水位12.5 m，平均蓄水位11.5 m，死水位8.5 m。

2 大壩滲流穩定分析

2.1 計算方法

本次滲流計算采用二維有限元法，具體分析原理是將連續的滲流分析域離散為有限個相互連接的單元，在每個單元內用假設的插值函數近似代替未知場函數，通過求解插值函數計算各單元內場函數近似值，進而求得整個滲流分析域的場函數近似值。具體的實施步驟為：

1）轉化問題。將滲流的偏微分方程的定解問題轉化為變分問題。

2）離散區域。將求解區域劃分為一定幾何形狀的單元。

3）確定插值函數。

4）求解單元滲透矩陣。對單元進行分片插值，以結點水頭值為未知量的代數方程組，組裝形成單元滲透矩陣。

5）集成求解域總滲透矩陣。

6）計算各節點滲流水頭。將總滲透矩陣聯合定解條件，確定整個求解域上的有限元方程，并對其求解得到各節點水頭情況。

7）由節點水頭推算其他滲流物理量并進行結果分析。

本次計算程序采用北京理正滲流分析計算系統，其基本方程為：

式中：[K]為透水系數矩陣；｛H ｝為總水頭向量；[M]為單元儲水量矩陣；｛Q ｝為流量向量；t為時間。

通過數值解法可將此方程解求出，從而得到各節點未知水頭值及滲流的其他水力要素值。

2.2 計算工況

根據《平原水庫工程設計規范》（DB 37/1342-2009），平原水庫庫區及圍壩滲流計算應包括以下水位組合工況。

1）水庫設計蓄水位與背水面相應的最低水位。2）水庫平均蓄水位與背水面相應的水位。3）水庫水位由設計蓄水位降落至1/3壩高水位時圍壩迎水面壩坡穩定最不利的情況。

鑒于庫水降落時對上游壩坡穩定不利，需考慮壩坡穩定最不利情況，本文不涉及邊坡穩定分析，故對此工況不進行分析計算。主要滲流計算工況詳見表1。

表1 主要滲流計算工況

2.3 計算參數

壩體及壩基滲流計算參數見表2。

表2 壩體及壩基滲流計算參數表

2.4 計算成果

滲流計算成果見表3，根據滲流分析計算結果繪制的浸潤線流網圖見圖1、圖2。

圖1 設計蓄水位下浸潤線流網圖

圖2 平均蓄水位下浸潤線流網圖

表3 滲流計算成果表

經計算，壩體采取防滲措施后，各工況下壩體均能滿足滲透穩定，年滲漏量最大為10.76萬m3，較防滲前減少228.50萬m3，防滲效果顯著。

2.5計算結果合理性分析

本次計算為采用理正軟件進行，由于滲流分析問題本身很復雜，需要考慮的影響分析結果的因素也很多，本文在利用軟件進行分析模型建立的過程中對基本條件進行了簡化，現對計算結果進行合理性分析。兩種計算工況下，設計蓄水位工況下上下游水頭差較大，壩內浸潤線偏高，滲流量偏大。這與按照達西定律推求的有限公式法中單寬滲流量與上下游水頭差成正比、浸潤線高度與上游水位成正比的規律相一致。

綜上所述，本次計算結果合理。打漁張渠首水庫經采取相應加固措施后，水庫滲漏問題得到有效控制。

3 結語

本文以濱州市博興縣打漁張渠首水庫為例，針對現狀水庫滲漏嚴重問題，經對大壩壩體采用復合土工膜結構、壩基采用懸掛式截滲墻作為防滲措施后，根據滲流特性原理運用二維有限元法，通過滲流分析計算，防滲效果明顯，在實際工程加固中可以開展實施。