基于AutoBank的土石壩滲流安全分析研究

王 倩

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

1 工程概況

某水庫壩址以上控制流域面積160 km2，總庫容1 312×104m3，是一座以防洪、灌溉、發電、養魚為目的綜合利用的中型水庫。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。水庫防洪標準為100年一遇洪水設計，1 000年一遇洪水校核。攔河壩為均質土壩，壩頂全長295 m，壩頂寬5.4 m，壩頂高程75.5 m，最大壩高25.5 m。基礎覆蓋層最大深度10.5 m，采用截水槽防滲，截水槽底寬4 m，挖深6.5～7.5 m。在1969年汛期施工過程中，由于人力和抽水設備不足，靠右岸75 m以及左岸25～50 m壩段最大差3.5 m未清到基巖，形成開窗式防滲，為此在壩前增設黏土鋪蓋，平均厚度1.5 m，長100～150 m。下游壩腳設高褥墊大棱體排水，排水體以反濾層與壩體相接，并深入地基以下2 m。攔河壩標準斷面圖見圖1。

圖1 攔河壩標準斷面圖

2 滲流觀測資料分析

2.1 滲流觀測布置情況

滲流監測項目包含壩體滲流監測、壩基滲流監測和壩基滲流量監測，監測設施為測壓管和量水堰。壩體滲流監測斷面3個，每個斷面3個測點，共計9個測點，編號T1-T9，斷面樁號0+060、0+120、0+172，監測點分別位于斷面上游壩坡、壩頂及下游壩坡處；壩基滲流監測斷面3個，每個斷面3個測點，共計9個測點，編號J1-J9，斷面樁號0+060、0+120、0+228，監測點分別位于上游壩基、下游壩基及下游壩腳處。

2.2 滲流監測資料對比

由于多年來資料的轉移、管理人員的變動、整編不及時等原因，加上部分測壓管變形、損壞，本文選擇2018年8月10日測壓管的實測值與壩體理論計算浸潤線進行對比(庫水位68.5 m)。大壩為均質土壩，下游壩腳設棱體排水，根據地質勘察成果，滲透穩定計算采用的大壩各部位滲透系數見表1。

壩體測壓管水位實測成果見表2。

表1 大壩各部位滲透系數

表2 壩體測壓管水位實測成果表

壩體滲流觀測斷面共3個，樁號分別為0+060、0+120及0+172，其中樁號0+120斷面觀測數據明顯異常，故僅對其余兩個斷面的觀測數據進行分析。根據測壓管實測水位繪制的壩體浸潤線與理論計算浸潤線對比見圖2。

圖2 實測浸潤線與計算浸潤線對比圖

由圖2可以看出，實測浸潤線符合均質土壩的滲流規律，且略低于計算浸潤線。

3 滲流計算

3.1 計算工況

3.1.1 穩定滲流期

1) 上游正常蓄水位72.90 m，下游無水。

2) 上游設計洪水位72.87 m，下游無水。

3) 上游水位59.50 m(壩高1/3處)，下游水位無水。

3.1.2 非穩定滲流期

1) 上游水位由正常蓄水72.90 m降至死水位66.00 m以上的任意水位。

2) 上游水位由校核洪水位75.10 m降至正常蓄水位72.90 m。

3.2 計算方法

大壩滲流計算采用河海大學水工結構有限元分析系統(AutoBankv7.0)[1]進行計算。

3.3 穩定滲流計算結果

穩定滲流期各種工況壩體浸潤線計算成果見圖3-圖5。

3.4 非穩定滲流計算結果

庫水位降落速率的判定：根據調洪計算，庫水位由校核洪水位75.10 m降至正常蓄水位72.90的時間為2.56 h，由正常蓄水位72.90 m降至死水位66.00 m的時間按灌溉用水情況考慮，經計算為196.4 h。根據經驗公式，K/(μ·v)<0.1，庫水位為驟降；K/(μ·v)>60，庫水位為極緩慢降落；K/(μ·v)<60，庫水位為緩降。其中，K為壩體滲透系數(m/s)；μ為給水度；v為水位降落速度(m/s)。庫水位降落計算成果見表3。

圖3 正常蓄水位情況壩體浸潤線

圖4 設計洪水位情況壩體浸潤線

圖5 1/3壩高水位情況壩體浸潤線

表3 庫水位降落計算成果表

經計算，庫水位由正常蓄水位72.90 m降至死水位66.00 m和由校核洪水位75.10 m降至正常蓄水位72.90 m均為緩降，需計算各時段浸潤線位置。非穩定滲流期各種工況壩體浸潤線計算成果見圖6-圖7。

圖6 正常蓄水位降至死水位壩體浸潤線

圖7 校核洪水位降至正常蓄水位壩體浸潤線

4 大壩滲透穩定復核

4.1 壩基滲流計算

大壩壩基坐落在礫石層上，設有壤土截滲槽，其滲流采用AutoBank進行計算，計算結果見圖8-圖13和表4。

圖8 正常蓄水位時水壓等值線圖

圖9 設計洪水位時水壓等值線圖

圖10 校核洪水位時水壓等值線圖

圖11 正常蓄水位時截滲槽下游及下游壩腳滲透比降圖

圖12 校核洪水位時截滲槽下游及下游壩腳滲透比降圖

圖13 設計洪水位時截滲槽下游及下游壩腳滲透比降圖

表4 壩基滲流坡降計算成果表

根據《碾壓土石壩設計規范》(SL 274-2001)[2]，截滲槽與基巖接觸面允許比降壤土[J]水平=3～5；根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)[3]無黏性土允許水力比降[J]水平=0.25～0.4。由表4的計算結果可知，各種工況下壩基截滲槽滲流比降以及壩基礫石層的滲流比降分別小于壤土和礫石層的允許滲流比降，壩基截滲槽和壩腳滲透穩定滿足要求。

4.2 壩體滲透穩定計算

根據圖8-圖13，各計算工況下浸潤線均在下游堆石排水棱體內出逸，壩體土和排水棱體間設有反濾層，因此壩體滲透穩定滿足要求。根據大壩滲流觀測資料分析和滲透穩定計算結果，依據《水庫大壩安全評價導則》(SL 258-2017)[4]，認為大壩滲流性態安全。

5 結 論

本文根據地質勘察成果及實測滲流資料，通過采用AutoBank軟件進行土石壩滲流計算。在工程實際應用中，得到不同工況下浸潤線、浸潤線的出逸位置、水壓等值線圖、滲流坡降等，為土石壩滲流安全性評價提供了可靠的基礎及支持。