大壩典型壩段滲流計(jì)算研究

劉巍巍 何鮮峰

（黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

0 引言

混凝土重力壩是指用混凝土澆筑且主要依靠壩體自重來(lái)抵抗上游水壓力及其他外荷載并保持穩(wěn)定的壩，與其他建筑物不同，建設(shè)時(shí)除了需考慮地基強(qiáng)度和變形等一般性問(wèn)題外，還要考慮水的滲漏問(wèn)題［1］。從大壩安全監(jiān)測(cè)的角度評(píng)價(jià)大壩運(yùn)行穩(wěn)定性是工程安全評(píng)價(jià)的重要手段。對(duì)于多年運(yùn)行混凝土重力壩而言，變形已基本穩(wěn)定，滲流監(jiān)測(cè)分析對(duì)大壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)起決定性作用［2］。滲流是影響堤壩安全的重要因素之一，由河流產(chǎn)生的滲流使堤防壩體經(jīng)常發(fā)生滲水管涌現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅堤防工程安全。在壩與水庫(kù)失事的事故統(tǒng)計(jì)中，約有1∕4是由于滲流問(wèn)題引起的，異常滲流可能導(dǎo)致流土、接觸流土、管涌、沖刷、接觸沖刷等破壞［3］。對(duì)混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)分析是比較復(fù)雜的過(guò)程，有多種因素會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。隨著數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，許多學(xué)者都提出了相關(guān)的分析計(jì)算模型，例如縫面滲流平面單元模型、基于滲透系數(shù)概率分布的偏態(tài)分布模型、自由滲流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型等［4-6］。目前，采用計(jì)算軟件對(duì)大壩進(jìn)行滲流分析的方法已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用［7-9］，本研究采用SEEP∕W軟件進(jìn)行某水庫(kù)典型壩段的滲流計(jì)算，對(duì)比正常蓄水位、千年設(shè)計(jì)洪水位和萬(wàn)年設(shè)計(jì)洪水位這3種工況下的大壩滲流性態(tài)，從而為水庫(kù)合理運(yùn)用提供可靠的理論支持和技術(shù)支撐。

1 工程概況

某水庫(kù)大壩為混凝土重力壩，系一級(jí)建筑物，地震基本烈度為7度，按8度設(shè)防，最大壩高125 m，壩頂高程553 m（大沽高程系），壩頂長(zhǎng)315 m，共分為21個(gè)壩段。一般壩寬為16.5 m，最大19 m，最小13 m。大壩由擋水壩段、電站壩段、底孔壩段、溢流壩段和中孔壩段組成。該樞紐工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模屬大（1）型，樞紐為永久性水工建筑物混凝土重力壩。

2 滲流計(jì)算

采用SEEP∕W軟件進(jìn)行典型壩段的滲流分析工作，該軟件可以對(duì)幾乎所有的地下水問(wèn)題進(jìn)行建模分析。

2.1 基本理論

滲流基本理論基于達(dá)西定律，即飽和或非飽和土的地下水滲流符合達(dá)西定律，如式（1）所示。

式中：q為流量，cm∕s；k為滲透系數(shù)，cm∕s；i為水力梯度，無(wú)因次參數(shù)。

對(duì)于二維地下水滲流，則有式（2）。

式中：H為總水頭，cm；k x為x方向的滲透系數(shù)，cm∕s；ky為y方向的滲透系數(shù)，cm∕s；Q為邊界流量，cm∕s；θ為體積水容量，cm3；t為時(shí)間，s。

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

選取電站8#壩段作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)正常蓄水位、千年設(shè)計(jì)洪水位和萬(wàn)年設(shè)計(jì)洪水位3種工況下的大壩滲流性態(tài)進(jìn)行計(jì)算，這3種工況對(duì)應(yīng)的上下游水位見(jiàn)表2。

2.3 計(jì)算過(guò)程

①確定分析問(wèn)題類(lèi)型，包括穩(wěn)定狀態(tài)下有邊界和非邊界滲流、瞬態(tài)滲流、平面或橫截面二維滲流和軸對(duì)稱(chēng)的三維滲流。

②其采用非結(jié)構(gòu)化和全局網(wǎng)格密度的網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行有限元網(wǎng)格離散化，建立混凝土重力壩斷面二維滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合模型。

③使用基本參數(shù)和粒徑函數(shù)來(lái)估計(jì)測(cè)定水體量和滲透函數(shù)。

④繪制浸潤(rùn)面、流線、孔隙水壓力與高程等矢量圖。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)表1、表2計(jì)算參數(shù)，應(yīng)用SEEP∕W軟件，確定正常蓄水位、千年設(shè)計(jì)洪水位和萬(wàn)年設(shè)計(jì)洪水位3種設(shè)計(jì)工況下典型壩段的滲流形態(tài)，繪制設(shè)計(jì)工況下典型壩段流線示意圖（見(jiàn)圖1至圖3），并計(jì)算該壩段灌漿帷幕后壩基的滲壓系數(shù)，見(jiàn)圖4。

圖3 萬(wàn)年校核洪水位典型壩段流線示意圖

表1 壩段計(jì)算參數(shù)

表2 計(jì)算工況上下游水位

由圖1～圖4可以看出，大壩滲流流網(wǎng)整體分布態(tài)勢(shì)較好；壩軸線灌漿帷幕起到了很好的防滲作用，在灌漿帷幕前后水位差達(dá)到了20 m。由表2也可以看出，千年設(shè)計(jì)洪水位、萬(wàn)年校核洪水位明顯高于正常蓄水位，因此，這兩種工況下的滲壓系數(shù)也較正常蓄水位下的滲壓系數(shù)高。在各種工況下，典型壩段的滲壓系數(shù)都小于0.25，滿足規(guī)范［10］要求。

圖1 正常蓄水位典型壩段流線示意圖

2.5 設(shè)計(jì)工況與監(jiān)測(cè)典型工況滲壓系數(shù)對(duì)比

表3為典型壩段3種設(shè)計(jì)工況及其對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)工況測(cè)壓管（編號(hào)C8-1~C8-7）的滲壓系數(shù)，圖4為測(cè)壓管滲壓系數(shù)分布圖。

表3 設(shè)計(jì)工況與監(jiān)測(cè)典型工況8號(hào)壩段測(cè)壓管滲壓系數(shù)

圖4 三種工況下典型壩段的滲壓系數(shù)

圖2 千年設(shè)計(jì)洪水位典型壩段流線示意圖

由圖5可以看出，在設(shè)計(jì)工況下典型壩段各測(cè)壓管滲壓系數(shù)在0.003～0.068之間變化，從上游到下游有逐漸降低的趨勢(shì)；在監(jiān)測(cè)工況下，上游水位接近正常蓄水位，各測(cè)壓管滲壓系數(shù)在-0.091～-0.060之間變化，位于下游的測(cè)壓管滲壓系數(shù)略有升高，最大值出現(xiàn)在C8-4測(cè)孔（-0.099）。千年設(shè)計(jì)洪水位、萬(wàn)年校核洪水位明顯高于正常蓄水位，因此這兩種工況下的滲壓系數(shù)也較正常蓄水位下的滲壓系數(shù)高。而監(jiān)測(cè)工況下的滲壓系數(shù)都為負(fù)值，這是由于某壩段437 m高程集水井及自控排水泵的存在，使得集水井液面在434.20～435.95 m高程間變化，在壩基一定范圍內(nèi)形成漏斗狀準(zhǔn)穩(wěn)定滲流場(chǎng)，從而使一定范圍內(nèi)測(cè)壓管水位低于下游水位。這也說(shuō)明壩基帷幕系統(tǒng)、排水系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。在這3種工況下，從上游到下游，典型壩段各測(cè)壓管滲壓系數(shù)均低于0.25，滿足規(guī)范［10］要求。

圖5 不同工況下典型壩段的滲壓系數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某大壩典型壩段進(jìn)行滲流計(jì)算分析結(jié)果表明：大壩滲流流網(wǎng)整體分布態(tài)勢(shì)較好；由浸潤(rùn)線形狀可以看出，壩軸線灌漿帷幕起到了很好的防滲作用，灌漿帷幕前后水位差達(dá)20 m。在各種工況下，計(jì)算得到的典型壩段滲壓系數(shù)小于0.25，滿足規(guī)范中對(duì)滲壓系數(shù)的要求。計(jì)算成果能夠?yàn)榇髩螡B流計(jì)算提供依據(jù)，也為水庫(kù)的防洪調(diào)度和安全運(yùn)行提供必要的理論支持和技術(shù)支撐，對(duì)類(lèi)似的水庫(kù)大壩的滲流分析起到一定的借鑒作用。