堰塞壩組成材料隨機性對壩體滲流特性的影響分析

施 睿，孫亞民，雷紅軍，張 雷

(1.昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650200)

0 引 言

堰塞壩是由冰漬物、熔巖流或地質災害、地震或者降雨造成山體滑坡或泥石等堆積在河床，堵塞河道而形成的天然土石壩[1]。不同堰塞壩物質組成差別明顯，即使在同一個壩內，各部位的粒徑相差也很大，粗粒石塊較多，物質分布不均勻，其壩體內部存在架空現象，在空間上具有很強的離散性和變異性[2]。堰塞體的滲透性是崩滑體上筑壩最重要的問題。堰塞壩滲透系數較大又沒有泄流設施，上游水位增高導致水壓增大，當滲流力達到一定值時，滲透水流會把細顆粒帶走形成管涌有可能發生管涌破壞。因此基于堰塞壩材料的隨機性對壩體進行滲流研究是很有必要的。

嚴祖文等[3]以唐家山堰塞壩為例進行了滲流計算分析，計算不同工況下下游壩坡的出逸比降，對比材料巖性和顆粒造成特征，對堰塞壩的滲透安全進行評估；石振明等[4]通過對紅石河堰塞壩的分析發現，高滲透區域的存在對堰塞壩的滲流穩定是不利的，高滲透區域越長、滲透性越高、其位置越靠近壩體下游坡腳，堰塞壩的滲流穩定性越差；胡卸文等[5]從4種堰塞湖水位(710、720、730 m和740 m)條件下和唐家山堰塞壩體內部的地下水滲流場變化出發計算分析出壩體各介質的滲透坡降，并與相應土層的允許滲透坡降對比，判斷堰塞壩體滲流穩定性及相應的潰決模式。Huang等[6]考慮了堰塞壩壩體組成材料空間上分布不均的特征，提出了非均勻沙的二維水沙耦合數學模型計算潰口的發展以及洪水過程線。堰塞壩的失穩破壞模式有很多，不僅有壩體的整體失穩破壞模式，還有管涌和漫頂破壞[7]。但由于堰塞壩材料組成的隨機性及不均勻性，使得堰塞壩的材料參數難以確定，穩定性分析非常困難。

因此，本文通過有限元軟件AutoBANK，依托紅石巖工程，研究堰塞壩壩體材料分布的隨機性對壩體滲流特性的影響。通過數值模擬研究堰塞體材料的離散性對壩體滲流的影響可以增進對堰塞體滲透破壞發生條件、破壞機理規律的認識，對于堰塞壩風險評估及堰塞湖排險治理等有著重要意義[8]。

1 紅石巖堰塞壩工程概況

2014年8月3日，云南省昭通市魯甸縣發生6.5級地震，左岸山體邊坡表面局部失穩，孤石以及碎石和顆粒較小的土粒組成的碎石土滑落至牛欄江，但左岸整體處于穩定狀態。右岸山體發生大規?；?，滑坡體堆積河床，堵塞河道形成了堰塞體[9]。根據實測地形，滑坡體在高速運行過程，到達河床后形成爬升，使得堆積體左岸高，右岸低。堆積體頂部順河向平均寬度約262 m，頂部橫河向平均長度301 m，估算堰塞體總方量約1 000萬m3。紅石巖堰塞壩經過整治現已成為具有混凝土防滲墻的擋水壩，壩后電站裝機容量201 MW，多年平均年發電量7.96億kW·h[9]。

現場勘察部分井下視頻截圖以及井下彩色數字成像如圖1所示。從圖1可以看出，壩體內部物質分布不均，某些部位孤塊石較多，且存在細顆粒偏少或偏多等不利情況。由此可見，堰塞壩材料分布具有很強的不均勻性、隨機性，可能會對壩體安全產生影響。作為擋水建筑物，研究其材料分布的不均勻性和隨機性對壩體滲流特性的影響對工程安全分析非常必要。

圖1 部分豎井井下視頻截圖和彩色數字成像

2 計算方案

2.1 計算模型

簡化后紅石巖二維計算剖面及模型分區見圖2。該模型壩高87 m，壩頂寬116 m，整個堰塞壩順河向長1 155 m，上游壩坡坡度為1∶3，下游壩坡坡度為1∶5.3。河床沖積層厚度為42 m，基巖厚度為170 m?？偣矂澐譃?1個分區以及河床沖積層和基巖，圖中T(top)代表堰塞壩上部，M(middle)代表中部，B(bottom)代表下部。

圖2 簡化后紅石巖二維計算剖面及計算模型分區情況

紅石巖堰塞壩計算模型如圖3所示。該計算模型共劃分了2 531個網格，節點數2 602個，網格中以正方形單元為主，輔以少量三角形單元。模型邊界條件包括上游滲流邊界、出逸邊界以及下游滲流邊界。

圖3 紅石巖堰塞壩計算模型

2.2 計算參數

基本組分區滲透系數見表1，為第一組參數。結合現場注水試驗結果，綜合考慮壩體組成材料的隨機性，設置了4組參數，即將表1中的T1、M1、B1分別與T3、M3、B3進行參數互換，得到第二組滲透系數；將T1、T2、T3分別與B1、B2、B3進行參數互換，得到第三組滲透系數；將第三組參數中上游下游側滲透系數進行互換，即T1、M1、B1分別與T3、M3、B3進行參數互換，得到第四組滲透系數。

表1 基本組分區滲透系數

2.3 計算工況

本文計算擬定了2個工況，工況1為穩定滲流方案，上游水位為1 200 m，下游水位1 112 m；工況2為非穩定滲流方案，上游水位按1 m/d的速度從1 180 m升至1 200 m，下游水位按1 m/d的速度從1 094 m升至1 112 m。

3 計算結果

3.1 穩定滲流計算結果

根據4組參數計算的穩定滲流結果見表2。

表2 穩定滲流計算結果

4組穩定滲流計算結果浸潤線對比如圖4所示。

圖4 4組參數穩定滲流浸潤線分布對比

從圖4可知：

(1)4條浸潤線在壩體內的位置差別較大，這與壩體內滲透系數分區不同有關系。前兩組堰塞壩上部滲透系數較大，所以浸潤線位置較高，組三計算所得浸潤線在T1和T2分區過渡平緩，進入T3分區后呈線性下降。組四浸潤線和前3組參數浸潤線差別最大，組四上游側滲透系數小，從壩體的上部到下部，上游到下游滲透系數均是逐漸增大的，所以組四浸潤線在壩體上游呈現滑梯式下跌。

(2)壓力水頭和總水頭分布與浸潤線的位置有關，浸潤線越高，壓力水頭最大值越大?？偹^集中分布的位置浸潤線有明顯下降，水頭損失也主要發生在該位置。

(3)壩體滲透系數從上游至下游逐漸增大時，滲流量會增加，流速最大值區域不會發生變化，當滲透系數從壩體上部至下部逐漸增加時，壩體滲流量的增加更為明顯。

研究組行MRI診斷，操作如下：采用Philips 1.5T的MRI設備，患者受檢之前需禁止飲食、飲水，掃描層厚參數為8mm，掃描間隔參數為1mm，檢查時，靜脈注射15ml對比劑。操作者需密切留意患者癌變性質，并對影像特征進行分析。

3.2 非穩定滲流計算結果

分別選取時間5、10、15、20、50、100、500、1 000 d等8個時間節點來進行計算。計算結果顯示50 d與1 000 d時的計算結果較為接近，所以在下文中只展示t為5、10、15、20 d及50 d的計算結果。將堰塞壩4分區參數不同時間節點對應的浸潤線匯總如圖5所示。非穩定滲流計算結果見表3。

圖5 4組參數非穩定滲流浸潤線分布

分析圖5及表3可知：

表3 非穩定滲流計算結果

(1)堰塞壩在水位上升期浸潤線的抬升均有一定的滯后性，通過對比分析發現第一組及第三組滯后性較為明顯。當壩體從上游側到下游側滲透系數逐漸增大時，具有明顯的滯后性，會延長整個非穩定滲流持續的時間。同時，當上游側滲透系數較小時，在水位上升期壩體內部非穩定滲流更復雜，同時可以降低壩體浸潤線。

(2)分區情況下非穩定滲流特性非常復雜，總體來說，隨著水位的上升滲流作用逐漸增強，在水位上升的中期滲流特性變化最為劇烈。

(3)堰塞壩由于組成材料較為松散，滲透系數大，使得非穩定滲流持續時間較短，并且非穩定滲流特性更加復雜，在壩體材料隨機性分布條件下，壩體薄弱部位有可能在分區交界處，也有可能在上下游水位處，在水位上升過程中難以確定，容易出現潰壩，所以堰塞壩形成后，需要盡快制定處理措施。

3.3 設置防滲墻后穩定滲流計算

紅石巖堰塞壩防滲加固工程采取了設置混凝土垂直防滲墻的防滲方案。為評價設置防滲墻后壩體的防滲安全，開展設置防滲墻后的穩定滲流計算。本部分內容計算參數選擇第一組滲透系數進行計算，上下游水位情況與前文穩定滲流相同，防滲墻頂部高程為1 201 m，下部深入基巖約3 m，防滲帷幕深度為28 m。滲透系數k防滲墻=1×10-7cm/s、k防滲帷幕=1×10-5cm/s。為了保證計算精度對防滲墻及防滲帷幕網格進行加密，并且在壩體與混凝土防滲墻以及防滲帷幕接觸部位設置了薄層接觸面，共劃分為4 528個單元，4 554個節點。網格劃分情況見圖6。穩定滲流總水頭等值線見圖7。

圖6 添加防滲措施后的堰塞壩網格劃分

圖7 穩定滲流總水頭等值線(單位：m)

從圖7可以看出：

(1)增加防滲墻后，穩定滲流壩基位置單寬滲流量為1.38 m3/d，相比不設防滲墻前大幅度減小。

(3)防滲墻中部水力梯度較大，最大值為70.2，混凝土防滲墻上游側水頭約為1 199 m，下游側水頭大約為1 130 m，混凝土防滲墻最大削減水頭為69 m，占上下游水頭差的79%，說明防滲墻有較好的防滲作用。

4 結 語

無論是穩定還是非穩定滲流，分區滲透系數的改變都會對堰塞壩的滲流特性產生影響，使得浸潤線位置、壓強水頭及總水頭的分布以及滲流量產生變化。

(1)穩定滲流情況下，當堰塞壩從壩頂到壩底、從上游側到下游側滲透系數均逐漸增大時，對壩體的滲流最為不利。此種情況浸潤線的位置會有所降低，滲流量增加，總水頭等值線會向上游側移動，水頭損失的主要區域向上游側擴大。

(2)非穩定滲流均有一定的滯后性，當堰塞壩上游側到下游側滲透系數均逐漸增大時，會使非穩定滲流持續時間延長，滯后現象較為明顯。分區情況下非穩定滲流特性非常復雜，隨水位的上升滲流作用逐漸增強，在水位上升的中期滲流特性變化最為劇烈。

(3)當堰塞壩上部滲透系數小，下部滲透系數大時，一般很難滿足滲透穩定和滲流量的要求。該種情況可以優先考慮采用防滲墻垂直防滲形式對堰塞壩進行整治。

可見，堰塞壩各部分的滲透系數不同，壩體的滲流情況也不相同。因此，在實際工程和數值模擬中，需要根據現場注水試驗、三軸剪切試驗等，盡量確定壩體各部分材料參數，還原真實狀況。堰塞壩的物質組成及粒度分布情況對堰塞壩的潰決過程有重要影響，其組成的復雜性對堰塞壩的研究具有很強的限制。因此如何準確地獲取其內部物質組成特征是研究堰塞壩的一個難點，也是今后研究重點之一。