基于觀測資料反演的土石壩滲流穩定計算分析

呂 輝，簡鴻福，戴 霖，冷美玲

(1.江西省水利科學院，江西 南昌 330000；2.江西省洪圖技術咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

1 概述

觀測資料分析和數值模擬計算是復核大壩滲流穩定安全與否的常用手段[1- 2]。通過觀測資料分析，可以了解大壩在不同庫水位條件下的滲流性態，并對壩體防滲與排水設施的性狀進行初步判斷[3- 4]。數值模擬則可實現大壩在單一運行工況或多種聯合工況[5- 8]下的滲流穩定模擬計算，是大壩安全復核的重要內容。由于壩體各分區的材料參數的真實性對數值模擬計算的結果影響較大[9]，尤其是防滲墻和排水棱體的滲透系數往往受施工、壩體變形及運行期間發生問題的影響，與原設計值差異較大，容易造成模擬計算結果與實際不符。本文以某水庫為例，通過觀測資料分析并反演出符合實際情況的材料滲透系數，并在此基礎上進行正常運行和非正常運行工況下的滲流與穩定計算，對大壩滲流安全和壩坡穩定狀態進行評價，為水庫下一步開展大壩安全評價和除險加固提供依據。

2 工程概況

某水庫大壩為均質土壩，沿壩軸線設混凝土防滲心墻進行防滲，壩頂設混凝土路面，上游壩坡采用拋填塊石護坡和混凝土預制塊護坡，下游壩坡為草皮護坡，壩腳設排水棱體。壩頂高程89.80m，最大壩高39.2m，壩頂長455.0m、寬5.5m；混凝土防滲墻厚0.8m，頂高程87.0m，底部深入基巖不小于1.5m。上游壩坡在高程81.60m設一寬2.0m的馬道，高程70.90m設一寬4.0m的馬道，高程70.90m以上采用混凝土預制塊護坡，坡比自上而下分別為1∶2.70、1∶3.00，高程70.90m以下采用拋填塊石護坡，坡比為1∶4.50；下游壩坡為草皮護坡，在高程80.50、71.00m分別設2.0m寬的馬道，自上而下坡比依次為：1∶2.50、1∶2.85、1∶3.00。壩腳設排水棱體，頂高程61.30m，頂寬2.5m，內坡1∶1.00，外坡1∶1.50。

大壩滲流觀測在壩體樁號0+135、0+250、0+330三個斷面布置了測壓管，每排4根，共設置了12個測點，分別位于上游壩坡高程88.40m和下游壩坡高程88.20、80.60、71.10m處。

水庫在運行過程中，大壩右壩肩擋土墻存在1處滲水逸出點群，當庫水位上升至74.5m時開始滲水，且滲水量隨庫水位上升而增大。經開挖檢查，大壩排水棱體僅表層約25cm厚有較大塊石堆砌，挖開表層塊石后，為1層厚度約30cm的黏土層，黏土以內棱體內無大塊石堆填，僅由風化料和黏土混合在一起，風化料粒徑細小，未見反濾層。

3 觀測資料分析

根據歷年觀測資料分析及大壩運行情況，壩體0+330斷面混凝土防滲墻后浸潤線下降緩慢，浸潤線出逸點位置偏高，因此選擇該斷面為主要分析對象。圖1表示2010年9月9日—2017年12月31日期間，大壩0+330斷面處的測壓管管水位與庫水位變化過程線，圖2表示最高庫水位83.74m與歷年平均庫水位74.39m工況下的大壩測壓管水位位置圖。由圖1可知，該斷面測壓管管水位與庫水位具有較好的相關性，但相對庫水位存在一定的滯后性；圖2中，DU9與DU10管水位平均水頭差為8.21m，消殺位勢42%，防滲墻仍具有一定的防滲效果。測壓管DU11、DU12管水位下降較慢，表明下游排水棱體存在淤堵，與實際檢查情況一致。

圖1 壩體0+330斷面測壓管管水位變化過程線

圖2 壩體0+330觀測橫斷面測壓管水位位置圖(單位：m)

4 計算模型與參數反演

4.1 計算模型

為分析水庫大壩滲流穩定情況，選取大壩樁號0+330斷面為計算模型進行分析，如圖3所示。大壩各分區材料參數見表1。根據施工資料記載，防滲墻采用了沖擊鉆造墻、人工挖孔樁回填等施工工藝，在灌注過程中多次出現塌孔；排水棱體為土和風化石料的混合體，且運行時間近50年，淤堵非常嚴重。因此，在選擇材料參數時需重點考慮防滲墻與排水棱體的滲透系數。

圖3 計算模型及材料分區

表1 大壩各分區的材料參數統計表

因2015年7月10日—9月1日庫水位基本穩定在79.00m左右，所以選取2015年9月1日庫水位79.13m為模型上游邊界，下游水位55.00m為模型下游邊界，大壩基礎按不透水邊界考慮。

4.2 參數反演計算與分析

Frelund和Rahardjo研究[10- 11]指出，與飽和土體中滲流一樣，非飽和土中滲流也符合達西定律和連續性方程。只是在非飽和土中滲透系數不再是常數，而是隨基質吸力變化的函數，土中體積含水率隨時間變化而改變。將達西定律導入滲流連續性方程，可得到非飽和土的滲流控制方程為：

(1)

式中，kx、ky—x、y方向的滲透系數，cm/s；γw—水的重度，N/m3；θw—體積含水率，%；t—時間，s。

因此，本次反演計算基于以上數學模型，結合觀測資料分析結論，選擇防滲墻和排水棱體的滲透系數作為變量，采用有限元計算軟件Geostudio中的Seep模塊對模型在某時段穩定庫水位情況下的滲流過程進行反演計算，將計算獲得的浸潤線與該時段對應的測壓管水位進行對比直至達到相對吻合狀態，最后確定現狀混凝土防滲墻和排水棱體的滲透系數。以實測測壓管水位為參照依據，經反復試算確定混凝土防滲墻和排水棱體的滲透系數，結果見表1—2。由表1—2可知，當防滲墻和排水棱體滲透系數分別采用5.0×10-7、5.0×10-5cm/s時，實測測壓管水位數據與模型計算數據的差值絕對值占上、下游水頭差的百分比為1.45%～4.19%，差值百分比在10%以內，說明二者浸潤線趨勢基本一致，而采用原設計參數進行計算得到的結果與實際相差較大，如圖4所示，表明防滲墻和排水棱體的滲透系數反演計算結果與實際情況基本吻合，所建數學模型與大壩運行狀況相符，選取調整后的參數進行計算基本合理。由圖4中反演計算值與原設計值的對比分析可知，防滲墻與排水棱體的滲透系數與原設計值的差值達到1個量級及以上。

表2 0+330斷面測壓實測管水位與反演計算水位對比分析表

圖4 大壩穩定滲流反演計算結果與測壓管水位對比圖(單位：m)

5 滲流與穩定計算

5.1 滲流計算

采用GeoStudio軟件中的Seep模塊對大壩穩態和瞬態2種情形下滲流過程進行模擬計算。本次滲流計算工況見表3，其中工況4考慮了庫水位以最快速度下降的情況，并假設庫水位降落過程中無降雨的影響，不考慮來水。

表3 滲流計算工況

根據毛昶熙主編的《滲流計算分析與控制》，壩坡的臨界滲透坡降可按下式計算：

(2)

工況1—4滲流計算結果分別如圖5—8所示。

圖5 工況1滲流計算結果圖(單位：m)

圖6 工況2滲流計算結果(單位：m)

圖7 工況3滲流計算結果圖(單位：m)

圖8 工況4滲流計算結果圖(單位：m)

大壩穩定滲流計算值及滲流量見表4，從表4中的結果可以看出，大壩0+330斷面防滲墻能消減水頭作用明顯，該斷面混凝土防滲墻體滲透坡降為13.40～16.90，小于80；下游壩坡出逸坡降為0.48～0.56，小于臨界滲透坡降，在滲流出逸點直接發生滲透破壞的可能性不大。但由于下游排水棱體的淤堵，在校核洪水位下，下游壩坡出逸點位置較高，從排水棱體頂以上2.2m處壩坡出逸，降低下游坡的抗剪強度，不利于壩體穩定。

表4 大壩穩定滲流計算值及滲流量表

5.2 壩坡穩定計算

由于該水庫庫區地震基本烈度為Ⅵ度，可不進行大壩抗震穩定計算。壩坡抗滑穩定計算在滲流計算結果的基礎上進行。本次壩坡穩定計算采用了GeoStudio軟件中的Slope模塊，使用簡化畢肖普法算出圓弧滑裂面的安全系數，并找出相應于簡化畢肖普法的最小安全系數。由表5可知，大壩0+330斷面在穩態滲流(工況1—4)情況下，下游壩坡抗滑穩定最小安全系數均不滿足SL 274—2020要求；在瞬態滲流(工況4)情況下，上游坡抗滑穩定最小安全系數為2.022(有效應力法)，滿足SL 274—2020要求。

表5 大壩壩坡抗滑穩定計算結果表

6 結論

(1)基于觀測資料反演的土石壩滲流穩定計算結果與實際運行情況一致，即防滲墻仍具有一定的防滲效果，但下游排水棱體存在淤堵，表明利用觀測資料反演獲取大壩各區的材料參數，可以更真實地模擬分析大壩的滲流穩定狀態。

(2)計算結果表明，下游壩坡浸潤線出逸點位置較高，抗剪強度降低，存在滲流安全隱患，且大壩下游壩坡抗滑穩定計算結果不滿足規范要求。為保障大壩安全運行，應盡快組織該水庫的安全評價工作，為下一步除險加固提供依據。