基于監(jiān)測(cè)資料反演土壩滲流安全分析*

簡(jiǎn)鴻福 羅志雄 冷美玲

（1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省洪圖水利水電設(shè)計(jì)有限公司，江西 南昌 330029）

大壩滲流安全分析的目的是復(fù)核原設(shè)計(jì)的滲流控制措施和當(dāng)前的實(shí)際滲流狀態(tài)能否保證大壩按設(shè)計(jì)條件安全運(yùn)行。通過(guò)土壩原型滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，能夠了解壩體內(nèi)水體滲透壓力的變化趨勢(shì)，在一定程度上反演出壩體工程質(zhì)量、防滲和排水反濾效果等。相關(guān)專家學(xué)者在大壩監(jiān)測(cè)工程中積累了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了比較完善的理論體系。

本文以江西省廬山市觀音塘水庫(kù)為例，通過(guò)收集大量的測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建壩內(nèi)巖土結(jié)構(gòu)分區(qū)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定合理的邊界條件，利用運(yùn)行期上下游水位與測(cè)壓管水位間的關(guān)系反演出防滲體等各巖土層的滲透系數(shù)，再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下的滲流穩(wěn)定計(jì)算，復(fù)核壩體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下是否處于安全狀況，分析大壩目前的安全狀態(tài)以及應(yīng)關(guān)注的主要問(wèn)題，對(duì)今后的運(yùn)行管理提出合理的建議。

1 工程概況

江西省廬山市觀音塘水庫(kù)壩址位于博陽(yáng)河水系長(zhǎng)壟澗上游，集水面積4.88km2，外引入庫(kù)流量4.23m3/s，水庫(kù)總庫(kù)容1122萬(wàn)m3，樞紐工程主要建筑物包括大壩、溢洪道、輸水隧洞、引水建筑物等，灌溉面積1.7萬(wàn)畝，是一座以灌溉為主，兼有防洪、供水等綜合效益的中型水庫(kù)。

大壩原設(shè)計(jì)為黏土斜墻壩，2009年加固時(shí)增設(shè)了混凝土防滲心墻，經(jīng)地質(zhì)勘探查明，斜墻土體與壩體土物理力學(xué)性質(zhì)接近，大壩實(shí)際為均質(zhì)土壩。壩頂高程84.70m，最大壩高23.9m，壩頂寬5.0m，壩頂長(zhǎng)592.0m，壩頂設(shè)混凝土路面。上游壩坡為混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，坡比為1∶3.3，高程67.00m以下采用拋石固腳；下游壩坡為草皮護(hù)坡，坡比為1∶2.5，在高程76.00m處設(shè)2.0m寬?cǎi)R道，在高程68.00m處設(shè)5.0m寬上壩公路。壩腳設(shè)貼坡排水體，排水體頂高程66.50m，頂寬1.5m。

為掌握壩的運(yùn)行狀態(tài)、檢驗(yàn)大壩安全性能和分析壩體內(nèi)部滲流情況，該工程在壩體中布置了9根測(cè)壓管，分別在樁號(hào)0+150、0+300及0+378三個(gè)斷面，每個(gè)斷面在下游壩坡高程83.90m、76.50m和68.00m處各布設(shè)1根。水庫(kù)大壩平面布置、壩體結(jié)構(gòu)及測(cè)壓管橫斷面見圖1、圖2。

圖1 大壩及觀測(cè)設(shè)施平面布置

圖2 壩身測(cè)壓管橫剖面布置

2 監(jiān)測(cè)資料分析

經(jīng)靈敏度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，測(cè)壓管均較靈敏，淤積深度較小，情況較好。大壩于2010年進(jìn)行除險(xiǎn)加固之后運(yùn)行中未發(fā)現(xiàn)異常滲流現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)檢查監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示壩腳滲漏量為0.183L/s，滲漏量較小。

選取位于最大壩身處的0+300斷面為主要分析對(duì)象，根據(jù)2016年1月8日—2018年12月19日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制壩體測(cè)壓管水位與庫(kù)水位變化過(guò)程線，見圖3，其中2016年2月6日—4月9日及2018年10月21日—12月19日庫(kù)水位分別相對(duì)穩(wěn)定在75.92～76.16m、75.90～76.18m，本次分別選取庫(kù)水位相對(duì)穩(wěn)定時(shí)段的2016年4月9日庫(kù)水位76.16m監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及2018年12月19日庫(kù)水位76.18m監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制滲流壓力斷面圖，見圖4。

圖3 0+300斷面測(cè)壓管水位過(guò)程線

圖4 斷面0+300壩體監(jiān)測(cè)橫斷面滲流壓力分布圖（3個(gè)測(cè)壓管水位連線）

由圖4可知:該斷面測(cè)壓管水位變化趨勢(shì)與庫(kù)水位基本一致，但測(cè)壓管水位變化幅度較庫(kù)水位小，變化時(shí)間靠后，說(shuō)明測(cè)壓管水位具有滯后性；2016年4月9日及2018年12月19日P2-1測(cè)壓管與庫(kù)水位間水頭差分別為6.96m、6.97m，消殺位勢(shì)分別為52.89%、52.88%，說(shuō)明此處防滲墻效果較好，能消殺壩體內(nèi)大部分的位勢(shì)；下游的P2-3測(cè)壓管水位比P2-2測(cè)壓管水位降低較多，符合均質(zhì)土壩浸潤(rùn)線規(guī)律。但從2016年至2018年，在上游庫(kù)水位較接近的情況下，下游的P2-3測(cè)壓管管內(nèi)水位逐漸上升，表明經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行之后，壩內(nèi)部分土體滲透系數(shù)發(fā)生了變化，和原設(shè)計(jì)中的參數(shù)不一致，需作進(jìn)一步分析。

3 巖土滲流系數(shù)反演

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集壩體測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及以上兩個(gè)選定的分析過(guò)程中的穩(wěn)定庫(kù)水位，通過(guò)有限元軟件Geostudio進(jìn)行反演分析計(jì)算，通過(guò)構(gòu)建壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)計(jì)算模型，以在穩(wěn)定滲流情況下的測(cè)壓管實(shí)測(cè)水面線為參考，通過(guò)不斷調(diào)整不同巖土分區(qū)的地質(zhì)參數(shù)，找到能夠和實(shí)測(cè)水面線耦合的計(jì)算參數(shù)，確定為該壩體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)取值。再以此為基礎(chǔ)，計(jì)算出正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位等高水位時(shí)大壩的滲流穩(wěn)定性，判定大壩安全性能。詳見表1、表2和圖5。

表1 0+300斷面測(cè)壓管實(shí)測(cè)與有限元對(duì)比計(jì)算結(jié)果

圖5 樁號(hào)0+300斷面滲流計(jì)算斷面圖

根據(jù)表1和表2計(jì)算結(jié)果，測(cè)壓管計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位基本一致，浸潤(rùn)線趨勢(shì)相同，反演計(jì)算參數(shù)較為合理。

分析顯示:大部分參數(shù)均與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，下游堆填體（塊石和砂土混合料）設(shè)計(jì)施工階段和運(yùn)行初期空隙較大，滲流通道較多，滲透系數(shù)也較大，多年運(yùn)行后，該巖土結(jié)構(gòu)在水力和重力作用下，不斷沉降和固結(jié)，水力攜裹部分黏性材料逐漸填充空隙，阻斷滲流通道，導(dǎo)致滲漏系數(shù)減小，排水作用降低，致使浸潤(rùn)線后部稍有抬升，大壩下游出逸點(diǎn)升高。

4 壩體滲流穩(wěn)定計(jì)算

本工程下游為草皮護(hù)坡，若在高水位運(yùn)行時(shí)浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高于排水體頂高程，水流將沖刷下游坡面，降低下游壩坡穩(wěn)定性，對(duì)大壩不利。本次根據(jù)反演壩段各分區(qū)滲透計(jì)算參數(shù)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，采用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊分析壩體滲透穩(wěn)定性。計(jì)算出正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位等高水位工況下的滲流狀況，繪制壩體流網(wǎng)圖，見圖6、圖7、圖8，各工況下大壩壩體內(nèi)最大滲透坡降值和滲流量見表3。

表3 0+300斷面加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖6 0+300斷面正常蓄水位81.97m穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

圖7 0+300斷面設(shè)計(jì)洪水位82.89m穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

圖8 0+300斷面校核洪水位83.36m穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

5 結(jié) 語(yǔ)

a.土壩運(yùn)行多年后，壩體各分區(qū)在沉降及水力作用下，巖土孔隙和細(xì)粒含量會(huì)發(fā)生局部重分布，部分設(shè)計(jì)滲流參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，在復(fù)核計(jì)算土壩滲流安全時(shí)需調(diào)整巖土滲透系數(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)資料反演，耦合出與實(shí)測(cè)值一致的參數(shù)對(duì)計(jì)算尤為重要。

b.本工程在長(zhǎng)期水力作用下，大壩下游壩腳堆填體之間的滲流通道逐漸被細(xì)顆粒填充，堆填體滲透系數(shù)逐年減小，通過(guò)反演耦合，當(dāng)前水位下的壩體浸潤(rùn)線與測(cè)壓管實(shí)測(cè)水位一致情況時(shí)，該區(qū)巖土滲流系數(shù)僅為設(shè)計(jì)時(shí)r 1/4，排水作用下降；但就目前情況而言，該區(qū)滲流系數(shù)遠(yuǎn)大于壩體填土的滲透系數(shù)（為壩體土滲透系數(shù)的20倍），仍處于安全滲流狀況。

c.滲流監(jiān)測(cè)資料分析結(jié)果顯示壩體內(nèi)整體滲流較穩(wěn)定，測(cè)壓管水位變化趨勢(shì)基本符合土壩滲流特性，混凝土防滲墻消殺水頭明顯，防滲效果較好，滲漏量較小。

d.通過(guò)本次基于測(cè)壓管實(shí)測(cè)資料反演的滲流計(jì)算可知，在各種工況下大壩各分區(qū)材料及下游壩坡出逸坡降小于允許滲透坡降，滲流量和浸潤(rùn)線大幅降低，滲流穩(wěn)定滿足要求；經(jīng)反演計(jì)算，下游側(cè)堆填體滲透系數(shù)較設(shè)計(jì)時(shí)有所減小，排水能力下降，在今后運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)。