泗安水庫(kù)加固前后大壩滲流特征有限元分析

劉 雷，鮑志強(qiáng)

（1.浙江華東工程建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概況

長(zhǎng)興縣泗安水庫(kù)位于西苕溪泗安塘上游，壩址位于長(zhǎng)興縣泗安鎮(zhèn)境內(nèi)，距泗安鎮(zhèn)4.5 km。壩址以上控制流域面積108 km2，主流長(zhǎng)度19.5 km，總庫(kù)容5000 萬(wàn)m3，發(fā)電裝機(jī)容量320 kW，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等綜合利用的中型水庫(kù)。保護(hù)下游泗安鎮(zhèn)、林城鎮(zhèn)15 萬(wàn)人口和24 萬(wàn)畝農(nóng)田，以及318 國(guó)道、滬渝高速、杭長(zhǎng)高速、04 省道、宣杭鐵路部分重要交通設(shè)施的防洪安全，水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積2 萬(wàn)畝。

本次除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)復(fù)核泗安水庫(kù)工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3 級(jí)，次要建筑物為4 級(jí)。水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核。相應(yīng)水庫(kù)正常蓄水位12.62 m，設(shè)計(jì)洪水位16.52 m，校核洪水位17.47 m。

泗安水庫(kù)原設(shè)計(jì)是一座以防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電等綜合利用功能的中型水庫(kù)，曾多次續(xù)建和加固，運(yùn)行近50年來(lái)，充分發(fā)揮了攔洪削峰蓄水的作用，緩解了下游防洪壓力，較好地解決了下游灌區(qū)農(nóng)田灌溉用水問(wèn)題，但因泗安水庫(kù)大壩排水設(shè)施不滿(mǎn)足規(guī)范要求，易造成滲流和穩(wěn)定隱患；大壩壩體填筑質(zhì)量較差，不滿(mǎn)足規(guī)范要求，且大壩局部地段和壩基均存在滲漏隱患；大壩壩肩存在接觸滲漏；泄洪閘和壩體之間存在接觸滲漏，消力池破損，存在結(jié)構(gòu)隱患和滲流隱患，影響大壩安全；大壩存在白蟻危害，影響大壩安全運(yùn)行，工程效益得不到充分發(fā)揮。因年久失修隱患不斷發(fā)展，愈來(lái)愈嚴(yán)重地影響水庫(kù)的安全運(yùn)行。因此，對(duì)泗安水庫(kù)樞紐工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固是非常必要和十分緊迫的。

2 工程病險(xiǎn)現(xiàn)狀及主要工程措施

2.1 泗安水庫(kù)病險(xiǎn)現(xiàn)狀

①泗安水庫(kù)大壩壩體填料碾壓不均一，多處壩段壓實(shí)度較低，壩體滲透系數(shù)偏大，整體防滲效果較差；②設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況下，大壩浸潤(rùn)線(xiàn)出溢點(diǎn)較高，易產(chǎn)生滲透破壞；③壩基中下部存在中等透水砂礫石層，是基礎(chǔ)滲漏的主要通道；④左右壩肩存在嚴(yán)重的繞滲問(wèn)題。

大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明：在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位等工況下，上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值；在施工期條件下，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范允許值，壩坡穩(wěn)定不滿(mǎn)足規(guī)范要求。其現(xiàn)場(chǎng)檢查照片見(jiàn)圖1。

圖1 大壩病險(xiǎn)現(xiàn)狀

遵照水利部《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》等有關(guān)文件，湖州市水利局組織專(zhuān)家對(duì)泗安水庫(kù)工程進(jìn)行安全鑒定，主要結(jié)論如下：目前，大壩上游護(hù)坡砌石破損、松動(dòng)，塊石粒徑偏小；大壩壩體填筑質(zhì)量差，滲透系數(shù)局部偏大，非常運(yùn)行工況下壩體浸潤(rùn)線(xiàn)高，基礎(chǔ)和壩肩存在中等透水層，是滲流的主要通道。

2.2 大壩工程措施

大壩壩基表層分布8 m～10 m 厚相對(duì)不透水的粉質(zhì)粘土，中間夾中等透水性的砂礫石或粉細(xì)砂，具微承壓性，下部為弱透水性巖基，在保證滲透穩(wěn)定的情況下，可不作處理。根據(jù)原安全鑒定資料分析，左壩頭全、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖滲透性為中等透水，存在繞壩滲漏，建議左壩頭進(jìn)行帷幕灌漿處理，但根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷泥質(zhì)粉砂巖滲透性較小，風(fēng)化后局部呈粘土狀，可灌性較差，建議在灌漿之前進(jìn)行試驗(yàn)孔，再綜合考慮灌漿材料和工藝。

（1）大壩防滲處理

本次設(shè)計(jì)對(duì)壩體背水坡填筑粘土進(jìn)行拼寬放坡，充分做好防滲及相關(guān)反濾排水設(shè)計(jì)，根據(jù)滲流穩(wěn)定計(jì)算，壩體加固后滲流穩(wěn)定可滿(mǎn)足規(guī)范要求。

泗安水庫(kù)現(xiàn)狀壩頂高程19.13 m～19.5 m，本次設(shè)計(jì)大壩壩頂高程取20.2 m，最大壩高14.03 m，大壩頂寬由5 m 拼寬至10 m。

迎水坡馬道位置保持原設(shè)計(jì)不變，馬道高程設(shè)計(jì)高程為13.1 m，寬2 m，以下保持原設(shè)計(jì)邊坡不動(dòng)，一級(jí)壩坡放緩至1∶2.0；壩頂高程20.2 m，壩頂寬度10 m，迎水側(cè)拆除原漿砌塊石防浪墻，新設(shè)高0.7 m 壩前擋墻，上設(shè)花崗巖復(fù)合欄桿，背水側(cè)設(shè)排水溝及路緣石；背水坡一級(jí)邊坡1∶2.0，二級(jí)邊坡1∶2.5，馬道高程13.2 m，寬5.4 m，壩腳處設(shè)堆石排水棱體，頂寬3 m、棱體頂高程11.00m～13.2 m。

（2）壩坡加固

針對(duì)大壩填筑壓實(shí)度低，不滿(mǎn)足規(guī)范要求，迎水坡及背水坡偏陡，壩頂寬度偏窄等問(wèn)題，需對(duì)壩坡進(jìn)行加固處理。迎水坡馬道位置保持原設(shè)計(jì)不變，一級(jí)壩坡放緩至1∶2.0，設(shè)30 cm 厚粗料石護(hù)坡；壩頂寬度由原設(shè)計(jì)的5 m 調(diào)整為10 m；背水坡拼寬放坡，背坡一級(jí)壩坡由原設(shè)計(jì)的1∶1.75 和1∶2.50 統(tǒng)一調(diào)整為1∶2.00，背水坡防護(hù)采用草皮護(hù)坡。

（3）壩頂改造

本次加固設(shè)計(jì)壩頂高程為20.2 m，壩頂寬10 m，設(shè)計(jì)拆除原漿砌石防浪墻，新建高0.7 m 壩前擋墻，上設(shè)花崗巖復(fù)合欄桿，寬0.5 m，之后依次設(shè)置1.5 m 寬人行道，5 m 寬壩頂路面，0.6 m 寬電纜溝，2 m 寬綠化帶和0.4 m 寬路緣石。其改造前后見(jiàn)圖2。

圖2 迎水坡馬道位置剖面圖

本次設(shè)計(jì)拋石鎮(zhèn)壓層加固處理范圍為原迎水坡馬道位置。拋石采用壩體上部現(xiàn)狀大壩開(kāi)挖塊石護(hù)坡料，石料應(yīng)選用巖性均勻，無(wú)風(fēng)化，遇水不軟化成崩體的堅(jiān)硬巖石，不得使用含有風(fēng)化軟弱夾層、粘土類(lèi)及黃鐵礦等雜物的石料，飽和抗壓強(qiáng)度大于40 MPa。加寬壩體材料采用含礫的粉質(zhì)粘土，其與原壩體粉質(zhì)黏土的粒徑組含量百分比見(jiàn)表1。

表1 壩體填筑料粒徑組含量百分比統(tǒng)計(jì)表

可見(jiàn)，大壩壩體填筑土粉、粘粒含量高，礫石及砂含量少，土質(zhì)較均勻；大壩后期加固土和鎮(zhèn)壓層土填筑土粉、粘粒含量稍低，礫石及砂含量高，且礫石含量變化大，土質(zhì)均勻性差，這與現(xiàn)場(chǎng)鉆探情況相一致。

為保障水庫(kù)的安全運(yùn)行，我們還可以采用土石方開(kāi)挖及老壩體干砌石、防浪墻拆除、壩體拼寬放坡填筑、充填灌漿、帷幕灌漿、上下游護(hù)坡等工程措施對(duì)大壩進(jìn)行出險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

3 大壩除險(xiǎn)加固滲流分析

3.1 數(shù)值模型建立

（1）參數(shù)確定

對(duì)大壩壩體填筑料開(kāi)展基礎(chǔ)物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試工作，并委托浙江省水利水電工程質(zhì)量檢驗(yàn)站進(jìn)行檢測(cè)。巖樣物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試包括：楊氏模量、孔隙度、固結(jié)過(guò)程中的內(nèi)聚力、摩擦角和滲透系數(shù)等。大壩壩體填筑料的物理力學(xué)參數(shù)具體見(jiàn)表2。

表2 大壩壩體填筑料物理力學(xué)特性

（2）物理模型與定解條件

滲流計(jì)算分析采用COMSOL5.4 有限元法進(jìn)行計(jì)算。泗安水庫(kù)迎水坡馬道處壩體最大斷面的工程實(shí)踐進(jìn)行簡(jiǎn)化，模擬計(jì)算正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位三種不同工況下滲流特征，其計(jì)算模型取用迎水坡馬道處壩體最大斷面，見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)值模擬斷面及物理模型圖

如圖3 所示，水庫(kù)不同工況下水位水面高度為水滲流提供動(dòng)力，模型右側(cè)為可能的溢出面。該大壩壩體主要由2 層填土組成，為1-3 層粉質(zhì)粘土和1-4 層含礫粉質(zhì)粘土，1-3 層粉質(zhì)粘土為壩體防滲填土，1-4 含礫粉質(zhì)粘土為下游側(cè)加固填土和鎮(zhèn)壓層填土。現(xiàn)迎水坡馬道處壩體出險(xiǎn)加固是在原迎水坡馬道處壩體下游側(cè)壩頂寬度由原設(shè)計(jì)的5 m 調(diào)整為10 m，加大壩體寬度，分別觀(guān)測(cè)兩種條件下壩體滲流特征。

3.2 不同工況下壩體滲流特征

（1）原迎水坡馬道處壩體滲流特征利用所構(gòu)建的壩體有限元計(jì)算模型，探究不同工況下原壩體滲流特征，分別計(jì)算Ⅰ正常蓄水位、Ⅱ設(shè)計(jì)洪水位及Ⅲ校核洪水位條件下壩體內(nèi)壓降特征和達(dá)西滲流特征。根據(jù)顏色變化判斷壩體不同位置滲流特征，見(jiàn)圖4。

圖4 原迎水坡馬道處壩體滲流特征

如圖4 所示，原迎水坡馬道處壩體在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位條件下隨著水位的上升，壩體內(nèi)部壓降越快，滲流速度越大（箭頭越密越大），且壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線(xiàn)不斷上升，壩體內(nèi)部浸潤(rùn)部分越大。當(dāng)水位達(dá)到校核洪水位條件時(shí)，如圖5（f）所示，大量水可能從壩體下游滲出，給壩體帶來(lái)危害。

（2）現(xiàn)迎水坡馬道處壩體滲流特征

利用所構(gòu)建的壩體有限元計(jì)算模型，探究不同工況下現(xiàn)壩體滲流特征，分別計(jì)算Ⅰ正常蓄水位、Ⅱ設(shè)計(jì)洪水位及Ⅲ校核洪水位條件下壩體內(nèi)壓降特征和達(dá)西滲流特征。根據(jù)顏色變化判斷壩體不同位置滲流特征，見(jiàn)圖5。

圖5 現(xiàn)迎水坡馬道處壩體滲流特征

如圖5 所示，當(dāng)原迎水坡馬道處壩體下游側(cè)壩頂寬度由原設(shè)計(jì)的5 m 調(diào)整為10 m 后，現(xiàn)迎水坡馬道處壩體在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位條件下具有與原迎水坡馬道處壩體類(lèi)似的滲流特征。對(duì)比原現(xiàn)水坡馬道處壩體滲流特征，可以看出現(xiàn)壩體內(nèi)部滲流速度相對(duì)較小（箭頭越疏越小），原現(xiàn)壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線(xiàn)相對(duì)減小，壩體內(nèi)部浸潤(rùn)部分降低。特別是在加寬壩體處壓降線(xiàn)和達(dá)西滲流出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，溢出面有變小的趨勢(shì)。因此加寬壩體寬度在一定程度提高了壩體防滲性能，保證泗安水庫(kù)安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，大壩部分壩段填筑質(zhì)量較差，壩體滲透系數(shù)偏大，在校核洪水工況下壩體浸潤(rùn)線(xiàn)出溢點(diǎn)較高計(jì)劃對(duì)大壩進(jìn)行防滲加固處理。因此采用土石方開(kāi)挖及老壩體干砌石、防浪墻拆除、壩體拼寬放坡填筑、充填灌漿、帷幕灌漿、上下游護(hù)坡等工程措施對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。利用COMSOL 軟件模擬壩體背水坡填筑粘土進(jìn)行拼寬放坡方案，探究正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位三種不同工況下壩體滲透特性，得出拼寬放坡提高了壩體防滲性能，可保證泗安水庫(kù)安全運(yùn)行。