幸福水庫大壩滲流安全分析及評價

王 凱，鄒 斌，楊麗虹，張 潔，蔡高堂，計 勇

(1.江西省水工程安全與資源高效利用工程研究中心 南昌工程學院，江西 南昌 330099；2.江西省港航管理局，江西 南昌 330038；3.新建區幸福水庫管理所，江西 南昌 330100)

土石壩因其對地質條件適應性強、能就地取材、工程經濟效益性較好等優點，在中國水利工程建設中有著重要地位[1]，同時眾多中小型水庫病險問題也日益凸顯[2-3]。由于土石壩自身填筑材料的特性、環境量、荷載量以及其運行管理方式等因素，壩體或壩基內滲流狀況比較復雜，難以直觀表達[4-5]。據相關調查文獻顯示，中國由于滲流沖刷而失事的土石壩占比達到40%[6]，因此滲流安全分析對優化水庫大壩設計方案[7]、改進施工方法[8]和滲流安全監控[9]等環節有著重要意義。當前應用較為常規的滲流安全分析方法是以實際觀測資料為基礎[10]，集合土石壩滲流基本理論[11]，運用作圖法、比較法和特征值統計法對觀測數據與庫水位等因子進行相關性分析及回歸分析，并結合滲透系數、位勢過程、化引流量等分析對滲流觀測資料的特征性與規律性進行綜合分析評價[12]。此外隨著計算機科技的進步，促進了滲流計算理論的發展[13]，有限元分析方法逐漸成為目前應用最為廣泛的一種數值計算方法[14]。目前國際上較為知名的滲流有限元計算軟件有GEOSTUDIO、PLAXIS和ANSY等[15]，國內也有一些自主開發的有限元程序，如中國水利水電科學研究院的STSA程序和南京水利科學研究院的UNSST2程序等。

論文通過收集整理幸福水庫除險加固后2011—2017年間庫水位、降雨量及測壓管水位等數據資料，對大壩滲流觀測資料進行分析以及根據現場勘測及相關試驗結果采用通用數值計算軟件(GEOSTUDIO)對土石壩在特征水位下的穩定滲流進行有限元數值計算，評價水庫大壩滲流運行性態，旨在發現壩體在運行過程中可能出現的滲流安全問題，為后期水庫運行管理提供參考。

1 研究區域與數據采集

1.1 區域概況

幸福水庫大壩坐落在贛江支流長堎河上，水庫壩址以上控制流域面積30.2 km2，設計灌溉面積0.33 hm2，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養殖等綜合效益的中型水庫，主要建筑物包括：混凝土防滲墻土石壩、左岸溢洪道、灌溉隧洞等。壩址區為一山間盆地地形，壩基覆蓋層為殘坡積層和沖積層，殘坡積層主要為粉質黏土，分布于大壩左右段即老河床兩岸，其物理力學性質較好，透水性微弱，屬相對不透水性；沖積層主要為礫粉質壤土、粗砂等，其中粗砂透水性較強含礫粉質壤土多夾有砂層，局部夾少量礫石、碎石等，影響其整體防滲性，該層分布于老河床段，且貫穿壩址上下游。

水庫大壩始建于1958年，為均質土壩，壩頂高程59.4 m，壩長686.0 m，最大壩高19.8 m，正常蓄水位55.0 m。大壩最大壩高處位于主河槽段，為透水壩基，且建設時由于條件限制，未對老河床壩基段進行清基處理、填筑碾壓不足等，導致大壩沉陷、滲漏現象嚴重。后經1973、1985、2008年多次除險加固，并在2008年除險加固中采用混凝土防滲墻結合灌漿帷幕對壩體、壩基及兩壩肩巖體進行防滲處理，修繕上下游護坡，增設排水棱體，并完善大壩監測設施。

1.2 測壓管布置及水位數據采集

幸福水庫大壩滲流監測設施為測壓管，于2010年10月布置完成并開始日常監測，5個監測斷面，共計17個監測點。大壩監測斷面樁號分別為0+030、0+075、0+300、0+500、0+656 m，每個斷面布置4根測壓管，分別位于防滲墻上、下游，大壩下游52.47、44.46 m高程處，0+030 m斷面處2根，0+656 m斷面處3根，幸福水庫區域位置及大壩測壓管布置見圖1。滲流觀測數據為人工觀測方式采集，降雨量及上游庫水位觀測數據采用壩址處觀測站自動監測。由于設備故障等原因導致漏測或數值異常等現象，在統計分析前要先對收集的數據進行整理，剔除異常數據，并用插值法補全缺失值，形成完整的長序列觀測數據。

圖1 幸福水庫區域位置及大壩測壓管布置

2 大壩滲流觀測資料分析

2.1 測壓管水位過程分析

本文繪制測壓管水位與庫水位變化過程線[15](圖2)，在0+030 m斷面中，1號測壓管水位偶有高于庫水位的現象，結合測壓管位置，該點位于右壩肩，與地下水位較高的山體連接，初步分析，受地下水位影響，導致測壓管水位異常。1、2號測壓管分別位于防滲墻前后，2號測壓管水位較1號測壓管水位僅下降2.1 m左右，防滲墻作用較小，此處可能存在繞壩滲流。在0+075 m斷面中，3號測壓管位于防滲墻前，4—6號測壓管位于防滲墻后，3—5號測壓管水位數據整體連續性較好，與庫水位呈現一定的相關性，但6號測壓管數值變化平穩且相關系數值極低，基本不受庫水位影響，測壓管內可能出現淤堵等異常情況，需對該測點進一步檢查分析。在0+300、0+500 m斷面中，7、11號測壓管位于防滲墻前，8、12號測壓管位于防滲墻后，8、12號測壓管水位較7、11號測壓管水位均下降4 m左右，防滲墻防滲效果良好，且與庫水位有較高的相關性。9、10、13、14號測壓管水位隨庫水位變化的峰谷不明顯，可見壩體內滲流較穩定，下游壩殼排水效果好。在0+656 m斷面中，15號測壓管位于防滲墻前，16、17號測壓管依次布置于防滲墻后側，水位數據連續性較好，與庫水位呈現一定的相關性，但可觀察到16號測壓管水位較15號測壓管水位僅下降約1.6 m，防滲墻作用較小，此處位于左壩肩，可能出現繞壩滲流。

a)0+030 m斷面

b)0+075 m斷面

c)0+300 m斷面

d)0+500 m斷面

綜上所述，大壩左右壩肩處受兩岸山體地下水影響存在繞壩滲流現象，6號測壓管水位與庫水位無相關性，可能存在淤堵異常，需進一步對該測壓管進行現場試驗分析；其余測壓管監測數據連續性較好，與庫水位呈現較高的相關性，能夠較好地表征壩體滲流情況。

2.2 統計模型分析

逐步回歸的思想是將自變量逐個代入模型，每代入一個自變量后都需進行F檢驗，并對已經選入的自變量逐個進行t檢驗，當原來引入的自變量由于后一個自變量的引入而不再顯著時，將被剔除，以保證最后所得到的自變量集為最優解[16]。針對前期庫水位建立逐步回歸模型見式(1)：

yi=α1H1+α2H2+α3H3+α4H4+α5H5+α6H6+α7H7+b0

(1)

式中H1——當天庫水位，m；H2——第1—5天的平均庫水位，m；H3——第6—10 天的平均庫水位，m；H4——第11—15天的平均庫水位，m；H5——第16—20天的平均庫水位，m；H6——第21—25天的平均庫水位，m；H7——第26—30天的平均庫水位，m。

借助SPSS軟件完成逐步回歸計算部分，剔除了影響回歸方程不顯著的變量因子，提煉出對測壓管水位數值呈顯著貢獻的變量相關系數及擬合度見表1，根據表1計算結果可以建立各測壓管水位模型。本文繪制了0+300 m斷面各測壓管水位擬合過程線，模型擬合效果好，接近工程實際情況，見圖3。由表1、圖3可知各測壓管水位受當日庫水位的影響最大，與測壓管水位成正相關，其相關性從上游到下游逐漸降低，且靠近下游測壓管受滯后效應較為顯著。這表明越靠近上游區域測壓管水位受影響因素越穩定，符合老壩滲流規律。

表1 測壓管水位逐步回歸計算

圖3 0+300 m斷面測壓管水位測量值與擬合值過程線

3 滲流分析及安全評價

3.1 計算斷面與參數

根據地質橫剖面和縱斷面資料，斷面0+450 m為老河床位置，壩高最大，故選取該斷面作為代表性斷面進行計算。水庫大壩工程地質情況為：壩體主要由粉質黏(壤)土組成，該土體大多呈弱透水性，局部中等透水；壩基層由含礫粉質黏土、圓礫和礫砂分布于老河槽底部，呈弱透水層；混凝土防滲墻深入基巖0.5 m，基巖為微透水層，其埋深最大，對壩基滲透影響不大。各土層的物理性質分布見圖4，對應滲透系數取值具體見表2。

圖4 0+450 m斷面土層分區

項目壩體上部填土礫質粉質壤土壩體下部填土粉質黏(壤)土壩基土含礫粉質黏(壤)土礫砂圓礫防滲墻塑性混凝土滲透系數/(cm·s-1)5.0×10-42.3×10-42.39×10-45.0×10-22.0×10-11.0×10-6允許滲透坡降0.40.420.450.280.360

3.2 大壩滲流有限元計算過程

GeoStudio軟件中滲流計算SEEP/W模塊可分為搭建模型、數值計算和成果出圖3個部分。其中搭建模型包括繪制斷面輪廓、確定壩體材料屬性、設置土層滲透系數、生成有限元區域和設置邊界條件等；計算部分有軟件自動操作完成，并且有限元計算結果的準確性將直接取決于搭建的模型質量；最后由計算機軟件輸出流網圖、節點和單元等計算成果[15]。根據工程概況及水庫運行中出現的不利條件，本次滲流計算中考慮了下列水位組合情況有：①上游正常蓄水位55.00 m與下游相應的最低水位40.80 m；②上游設計洪水位56.46 m與下游相應最低水位40.80 m；③上游校核洪水位57.14 m與下游相應最低水位40.80 m；④庫水位自校核洪水位57.14 m快速下降至正常蓄水位55.00 m。

3.3 計算成果

按不同工況組合進行計算，繪制各工況下的滲流流網圖和大壩的浸潤線(自由面)位置，見圖5；各工況下大壩壩體內最大滲透坡降值及滲流量見表3。

a) 工況1

b) 工況2

c) 工況3

d) 工況4圖5 各工況下滲流計算成果(m)

上游水位/m下游水位/m水頭/m最大滲透坡降計算值壩體上部礫質粉質壤土壩體下部粉質黏(壤)土壩基含礫粉質黏(壤)土礫砂圓礫防滲墻塑性混凝土單寬滲流量/(m3·d-1·m-1)5540.814.20.1230.220.310.0150.00730.220.53956.4640.815.660.1370.240.340.0170.00834.010.60057.1440.816.340.1430.250.350.0170.00935.780.626允許滲透坡降0.400.420.450.2800.30060.00

0+450 m斷面位于老河床段，該段壩基沖積層主要由礫粉質壤土、礫砂、圓砂等構成，且貫穿壩址，計算最大滲透坡降值為0.35，按照工程試驗資料，滲透坡降允許值為0.3～0.45，各部分數值均在允許值范圍內；大壩填筑材料由礫質粉質壤土、粉質黏土組成，計算最大滲透坡降值為0.25，在允許值0.42范圍內；最大滲透坡降出現在混凝土防滲墻內，計算滲透坡降值為35.78，小于允許滲透坡降值60。壩體單寬流量較小，最大值為0.626 m3/(d·m)。從圖5可以看出，各工況下混凝土防滲心墻處浸潤線下降明顯，浸潤線溢出口位于排水棱體內，大壩滲流計算等勢線分布規律符合混凝土防滲心墻滲流規律。

3.4 滲流安全評價

根據測壓管觀測資料水位過程分析，6號測壓管水位變化平穩，且相關系數極低，表明基本不受庫水位影響，此測壓管內可能出現淤堵情況需進一步進行現場試驗分析；其余各測壓管水位與庫水位相關性較好，且水位漲落存在明顯的滯后性；大壩中心壩段防滲墻前后測壓管水位落差近4 m，防滲墻防滲效果良好，左右壩肩位置測壓管水位下降較小，受兩岸山體滲水影響，存在較為明顯的繞壩滲流。根據統計模型結果分析，測壓管水位受當天庫水位影響最大，并且存在一定滯后效應，其相關性由上游到下游逐漸降低，且靠近下游測壓管水位受滯后效應較為顯著，這與常規分析一致，也反映了設置防滲墻具有一定的防滲效果。根據二維滲流有限元計算結果，最大滲透坡降發生在混凝土防滲心墻內，不同工況下各區域坡降值均在允許坡降范圍內，壩體單寬滲流量均較小，故產生滲透破壞的可能性不大。混凝土防滲墻消除了80%的水頭，在防滲中起著重要作用，且浸潤線都在排水體內出逸，反映防滲墻防滲效果較好，這同前述滲流觀測資料分析結論基本符合。

4 結論

基于滲流觀測資料分析以及二維滲流有限元計算結果分析，幸福水庫自2010年加固完成后，混凝土防滲墻防滲效果良好，壩基礫粉質壤土、礫砂層以及壩身填筑材料滲透坡降均在允許值內，但大壩存在壩肩繞壩滲流、部分測壓管淤堵等異常現象，水庫大壩整體滲流穩定基本滿足安全運行要求。

致謝：感謝江西省水利科學研究院農村水利研究所譚淋露研究員為本研究提供的幫助。